Устройство для измерения корреляций в распаде нейтрона

Предложенное изобретение относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к устройствам для магнитной спектрометрии заряженных частиц и изучения распада нейтрона. Целью данного изобретения является расширение функциональных возможностей при исследования корреляций в распаде поляризованного нейтрона, повышение технологичности и компактности устройства. Устройство для измерения корреляций в распаде нейтрона содержит обмотку электромагнита, вакуумную камеру и детекторы для регистрации электронов или протонов, испускаемых при распаде нейтронов, центральный узел, выполненный в виде вертикального стержня, несущего элементы крепления обмоток, ванны охлаждения и тепловые экраны; обмотка электромагнита выполнена в виде совокупности идентичных вертикальных кольцевых обмоток, кольцевые обмотки содержат каналы для подачи жидкого гелия и подключены к кольцевому напорному коллектору, расположенному ниже тора кольцевых обмоток, и гелиевой ванне, расположенной выше тора обмоток; вакуумная камера выполнена в виде двух вертикальных полусфер, герметично соединенных фланцами с вертикальной кольцевой обечайкой с закрепленным в ней диаметрально стержнем центрального узла, охватывает обмотки электромагнита с элементами криогенной системы и содержит окна для подключения горизонтального вакуумного нейтроновода; детекторы протонов и электронов выполнены из трех независимых частей, причем первая и вторая части детекторов выполнены в виде двух плоских мозаичных наборов сцинтилляторов, расположенных выше и ниже пучка нейтронов вблизи точки его максимального приближения к вертикальной оси системы, а третья часть детекторов выполнена в виде сэндвича из двух совмещенных идентичных вертикальных пластин сцинтилляторов с промежуточным отражающим экраном, размещенного по другую сторону вертикального стержня относительно первых двух частей детекторов и перпендикулярного оси пучка нейтронов. 2 ил.

 

Устройство относится к области экспериментальной ядерной физики, в частности к устройствам для магнитной спектрометрии заряженных частиц и изучения распада нейтрона.

Известны предложения и устройства для измерения так называемой Р-нечетной (пространственной) корреляции в распаде поляризованного нейтрона [1]. В этих устройствах с помощью магнитного поля, создаваемого соленоидом, электроны распада, вылетевшие по и против направления спина нейтрона, направляются к детекторам, которые регистрируют скорости счета электронов в зависимости от направления импульса электронов. Затем измеряют скорости счета при изменении поляризации пучка нейтронов относительно поля. Результатом является асимметрия вылета электронов относительно спина распавшихся нейтронов. Недостатком магнитного поля соленоида в данных устройствах является наличие систематических погрешностей, связанных с неоднородностью поля вдоль оси соленоида, вызывающей эффект магнитного зеркала, искажающий естественную асимметрию распада.

Другой возможностью является использование магнитного поля прямого тока, которое имеет некоторые преимущества для исследования асимметрий вылета заряженных частиц при слабых распадах [2].

По совокупности использованных признаков наиболее близким к предлагаемому решению является электромагнит для спектрометрии распада нейтрона, реализующий магнитное поле прямого тока и содержащий обмотку, охватывающую вакуумную камеру, в котором обмотка электромагнита выполняется в виде двух совокупностей прямоугольных витков, каждая из которых размещена по образующим двух полуцилиндров и торцевым пластинам в виде полудисков. Полудиски и полуцилиндры герметично соединены друг с другом попарно, образуя полукамеры, их кромки совмещены в одной плоскости и соединены сварным соединением с прямоугольным Ф-образным фланцем, имеющим два равных прямоугольных окна, разделенных центральной перемычкой, соответствующей по размерам диаметру и длине полуцилиндрам. В промежутках между витками в торцевых пластинах полукамер имеются окна для входа и выхода горизонтального нейтронного пучка, направляемого параллельно оси полуцилиндров и длинным сторонам витков обмотки [3].

Недостатком прототипа является сложность конструкции и уникальность технологии намотки витков непосредственно на половину корпуса вакуумной камеры, большая длина горизонтально расположенной рабочей части и связанные с этим трудности в обеспечении криогенных температур для высокого значения полного тока.

Целью предлагаемого устройства является расширение функциональных возможностей при исследования корреляций в распаде поляризованного нейтрона, повышение технологичности и компактности устройства.

Поставленная цель достигается тем, что:

- Обмотка магнита выполнена в виде совокупности идентичных вертикальных кольцевых обмоток, закрепленных в пазах центрального узла и развернутых по окружности в горизонтальной плоскости на равные углы 360°/n, где n - число обмоток, охватывая поверхность вписанного в них тора.

- Обмотки содержат каналы для подачи жидкого гелия и подключены к кольцевому напорному коллектору, расположенному ниже тора обмоток, и гелиевой ванне, расположенной выше тора.

- Центральный узел выполнен в виде вертикального стержня, несущего элементы крепления обмоток, ванны охлаждения и тепловые экраны.

- Вакуумная камера выполнена в виде двух вертикальных полусфер, герметично соединенных фланцами с вертикальной кольцевой обечайкой с закрепленным в ней диаметрально стержнем центрального узла, охватывает обмотки электромагнита с элементами криогенной системы и содержит окна для подключения горизонтального вакуумного нейтроновода, несущего пучок холодных или тепловых нейтронов.

- Детекторы протонов и электронов выполнены из трех независимых частей в виде двух плоских мозаичных наборов сцинтилляторов, расположенных выше и ниже пучка нейтронов вблизи точки его максимального приближения к вертикальной оси системы, а также в виде сэндвича из двух совмещенных идентичных вертикальных пластин сцинтилляторов с промежуточным отражающим экраном, размещенного по другую сторону осевого стержня и перпендикулярного оси пучка нейтронов.

Устройство поясняется чертежами, где на фиг.1 схематически показано вертикальное сечение устройства, а на фиг.2 показано сечение устройства по средней горизонтальной плоскости вдоль пучка нейтронов.

Устройство состоит из двух полусферических полукамер 1 и 2, герметично соединенных фланцами с вертикальной кольцевой обечайкой 3, в которой диаметрально закреплен вертикальный центральный узел 4, несущий ванны 5 и 6 охлаждения и тепловые экраны 7. Центральный узел выполнен в виде вертикального стержня или трубы, в утолщенной средней части которой прорезаны вертикальные пазы по числу обмоток электромагнита. Обмотки 8 электромагнита выполнены в виде многовитковых колец прямоугольного сечения и намотаны проводом из сверхпроводящего материала. Обмотки закрепленны в пазах центрального узла и развернуты по окружности в горизонтальной плоскости на равные углы 360°/n, где n - число обмоток, охватывая поверхность вписанного в них горизонтального тора. Число обмоток может быть выбрано от 16 до 32 и более, в зависимости от внешнего диаметра тора. Обмотки содержат каналы 9, 10 для подачи жидкого гелия и подключены к кольцевому напорному коллектору 11, расположенному ниже тора обмоток, и гелиевой ванне 12, расположенной выше тора обмоток. Обмотки 8 и гелиевые ванны 12 охвачены сферическим тепловым экраном 13, в свою очередь охлаждаемым с помощью ванн 5 и 6 с жидким азотом. Жидкий гелий подается в систему с помощью штыковых криогенных вводов 14. Вакуумная камера и тепловой экран содержат окна 15 для прохождения нейтронного пучка прямоугольной формы. В области, где расстояние от пучка до центрального узла минимально, выше и ниже пучка расположены прямоугольные пластины 16 и 17 сцинтилляционных детекторов, регистрирующих электроны или протоны. Третий детектор 18 изготовлен в виде сэндвича из двух совмещенных идентичных вертикальных пластин сцинтилляторов с промежуточным отражающим экраном и размещен по другую сторону осевого стержня 4 перпендикулярно оси пучка нейтронов. Корпус устройства размещается на тележке 19, регулируемой по высоте и прецизионно перемещаемой по горизонтальной опорной плоскости. Вакуумная откачка объема может производиться через патрубки, не показанные на фиг.1 и фиг.2, с помощью высоковакуумных насосов произвольного типа. Предусмотрена прокачка жидкого гелия через каналы обмоток под давлением. Выход гелия из устройства производится через штыковые разъемы 20, подключаемые к криомагистралям.

Устройство работает следующим образом. Обмотки 8 соединены так, что ток течет по ним в одну сторону, например в точках примыкания к центральному узлу 4 - вверх. Симметричное расположение обмоток обеспечивает аксиально-симметричное поле типа 1/r, где r - расстояние от центра, внутри вписанного в обмотки тора. При этом внешнее поле очень близко к нулю уже на расстояниях в несколько сантиметров от тора. Если использовать полный ток порядка 1 МА, то напряженность поля во всем объеме будет достаточной для транспортировки протонов и электронов от распада нейтронов к детекторам, благодаря действующей на них силе Лоренца в неоднородном поле. При вводе пучка нейтронов через окно 15 можно осуществить сбор протонов или электронов от распавшихся при пролете камеры нейтронов и зарегистрировать их с помощью детекторов 16 и 17, а также 18, расположенных внутри тора обмотки. Если пучок нейтронов поляризован вдоль импульса, т.е. перпендикулярно плоскости фиг.1, то детекторы 16 и 17 регистрируют электроны и протоны, вылетевшие перпендикулярно спину распавшегося нейтрона, а две пластины детектора 18 регистрируют электроны или протоны, вылетевшие вдоль или против спина распавшихся нейтронов. Тогда, измеряя количества зарегистрированных частиц, можно подсчитать асимметрию испускания указанных частиц распада в зависимости от направления спина нейтронов.

Устройство обеспечивает одновременную регистрацию заряженных частиц, испускаемых нейтронами при распаде, как вдоль спина, так и перпендикулярно спину, что расширяет функциональные возможности исследования корреляций, полностью реализуя предложения, высказанные в работе [2]. Помимо измерения корреляций устройство обеспечивает условия для определения времени жизни нейтрона, поскольку три детектора регистрируют испускание электронов или протонов в угол 4π.

Экономическая эффективность проявляется при сравнении эксплуатационных расходов на проведение экспериментов для достижения заданной точности. По сравнению с прототипом предлагаемая конструкция устройства обеспечивает более благоприятные условия для течения жидкого гелия, что сокращает время заливки и захолаживания и уменьшает расход гелия. Компактность устройства за счет сферичности упрощает размещение на пучках нейтронов в реакторном зале. Формы вакуумной камеры и тепловых экранов оптимальны с точки зрения прочности при минимальном весе.

Литература

1. Dubbers D. et.al. Europhys. Lett. 1990, 11(3), 195.

2. В.В.Васильев. Нейтрон в аксиально-имметричном неоднородном магнитном поле и анализ структуры слабого взаимодействия. Ядерная физика, 1998, том 61, №12, с.2243-2252.

3. В.В.Васильев и др. Электромагнит для спектрометрии распада нейтрона. Патент РФ №2256197 от 10.07. 2005 М. кл. G01Т 3/00, G21k 1/093.

Устройство для измерения корреляций в распаде нейтрона, содержащее обмотку электромагнита, реализующего магнитное поле прямого тока, вакуумную камеру и детекторы для регистрации электронов или протонов, испускаемых при распаде нейтронов, отличающееся тем, что в состав устройства введен центральный узел, выполненный в виде вертикального стержня, несущего элементы крепления обмоток, ванны охлаждения и тепловые экраны; обмотка электромагнита выполнена в виде совокупности идентичных вертикальных кольцевых обмоток, закрепленных в пазах центрального узла и развернутых относительно друг друга по окружности в горизонтальной плоскости на равные углы 360°/n, где n - число обмоток, охватывая поверхность вписанного в них тора; кольцевые обмотки содержат каналы для подачи жидкого гелия и подключены к кольцевому напорному коллектору, расположенному ниже тора кольцевых обмоток, и гелиевой ванне, расположенной выше тора обмоток; вакуумная камера выполнена в виде двух вертикальных полусфер, герметично соединенных фланцами с вертикальной кольцевой обечайкой с закрепленным в ней диаметрально стержнем центрального узла, охватывает обмотки электромагнита с элементами криогенной системы и содержит окна для подключения горизонтального вакуумного нейтроновода, несущего пучок холодных или тепловых нейтронов; детекторы протонов и электронов выполнены из трех независимых частей, причем первая и вторая части детекторов выполнены в виде двух плоских мозаичных наборов сцинтилляторов, расположенных выше и ниже пучка нейтронов вблизи точки его максимального приближения к вертикальной оси системы, а третья часть детекторов выполнена в виде сэндвича из двух совмещенных идентичных вертикальных пластин сцинтилляторов с промежуточным отражающим экраном, размещенного по другую сторону вертикального стержня относительно первых двух частей детекторов и перпендикулярного оси пучка нейтронов.