Измерение времени жизни нейтрона в гравитационной ловушке ультрахолодных нейтронов

В настоящее время существуют два метода определения времени жизни нейтрона: наблюдение распада свободного нейтрона в пучке и измерение времени жизни нейтрона методом хранения нейтрона в материальной или магнитной ловушке.

Измерение времени жизни в пучке требует проведения двух независимых экспериментов: счета числа протонов из распада нейтронов в выделенном объеме пучка и числа нейтронов в этом объеме. Оба измерения являются абсолютными, второе из них и ограничивает точность этого метода. Использование метода хранения УХН позволяет впрямую наблюдать экспоненту бета-распада нейтрона, что осуществляется в виде относительных измерений, которые значительно более точны. Однако в этом методе требуются минимизация и точный учет потерь УХН при хранении в ловушке. Точность метода хранения УХН в материальной ловушке с гравитационным затвором в эксперименте, реализованном на реакторе ВВР-М, составила 0,3%. На реакторе ПИК планируется дальнейшее развитие метода и увеличение его статистической точности за счет более высокой плотности УХН и увеличения объема ловушки. Для подавления возможных систематических ошибок эксперимента будет использован метод калибровки потерь. Возможность применения такого метода в настоящее время экспериментально проверяется в исследованиях на реакторе ILL.

Рис. 2.
1 - многощелевой суперзеркальный поляризатор и нейтроновод-конденсор с ведущим магнитным полем,
2 - флиппер поляризации пучка,
3 - коллиматор нейтронного пучка,
4 - корреляционный спектрометр,
5 -устройство для измерения поляризации пучка.

Сущность метода состоит в том, что вычисления вероятности потерь УХН в стенках ловушки, учитывающие размеры и форму ловушки, а также спектр УХН в ловушке, заменяются прямыми физическими измерениями. Калибровка осуществляется с помощью УХН и заключается в повторении измерений времен хранения последовательных участков спектра УХН в ловушке при другом коэффициенте потерь, но при одинаковых прочих параметрах. При этом основные систематические погрешности должны компенсироваться.

Измерения будут производиться в установке, принципиальная схема которой приведена на рис.4.

Установка представляет собой помещенную в криостат ловушку с гравитационным затвором для удержания УХН, являющуюся одновременно гравитационным спектрометром. Захват нейтронов в режим удержания обеспечивается поворотом ловушки вокруг горизонтальной оси из положения отверстием вниз в положение отверстием вверх, после чего нейтроны малых энергий оказываются запертыми благодаря гравитационному полю. Выбор режима (наполнение или выпуск) обеспечивается клапаном распределителем и клапаном впуска. Формирование начального спектра хранящихся нейтронов осуществляется поглотителем. Измерение спектра после удержания в течение заданного времени осуществляется последовательным поворотом ловушки шаг за шагом в исходное положение. При повороте ловушки на некоторый угол детектируются нейтроны, соответствующие определенному энергетическому интервалу. Таким образом, установка позволяет, задавая требуемые времена удержания УХН в ловушке, измерять время хранения УХН для разных интервалов спектра.

Измерения будут производиться в ловушке из меди с формой, близкой к сферической, диаметром 180 см (3 м³ ). Ловушка как снаружи, так и внутри покрыта слоем бериллия толщиной 3000-5000 Å. Внутренняя поверхность криостата объёмом 6 м³ также покрыта бериллием. Основные измерения производятся при температуре, близкой к температуре жидкого азота (» 70 К), а калибровочные - при комнатной температуре (300 К). Для исследования криогенных покрытий температура криостата может опускаться до 5 К.

Использование данного метода калибровки потерь приводит к компенсации многих систематических погрешностей, присущих применявшемуся ранее методу размерной экстраполяции, так, что их суммарный эффект возможно проявится только на уровне 0,3 - 0,5 с. В итоге суммарную погрешность измерения времени жизни нейтрона предполагается уменьшить не хуже, чем до 0,5 с. Статистическую погрешность планируется уменьшить с 3 с до 0,3 с за счет создания новой установки и использования высокоинтенсивного источника УХН канала ГЭК4 реактора ПИК ПИЯФ.

Рис. 4. 1 - вакуумный объем, 2 - криостатируемый объем, 3 - ловушка УХН, 4 - нейтроновод УХН.