авторефераты диссертаций БЕСПЛАТНАЯ  БИБЛИОТЕКА

АВТОРЕФЕРАТЫ КАНДИДАТСКИХ, ДОКТОРСКИХ ДИССЕРТАЦИЙ

<< ГЛАВНАЯ
АГРОИНЖЕНЕРИЯ
АСТРОНОМИЯ
БЕЗОПАСНОСТЬ
БИОЛОГИЯ
ЗЕМЛЯ
ИНФОРМАТИКА
ИСКУССТВОВЕДЕНИЕ
ИСТОРИЯ
КУЛЬТУРОЛОГИЯ
МАШИНОСТРОЕНИЕ
МЕДИЦИНА
МЕТАЛЛУРГИЯ
МЕХАНИКА
ПЕДАГОГИКА
ПОЛИТИКА
ПРИБОРОСТРОЕНИЕ
ПРОДОВОЛЬСТВИЕ
ПСИХОЛОГИЯ
РАДИОТЕХНИКА
СЕЛЬСКОЕ ХОЗЯЙСТВО
СОЦИОЛОГИЯ
СТРОИТЕЛЬСТВО
ТЕХНИЧЕСКИЕ НАУКИ
ТРАНСПОРТ
ФАРМАЦЕВТИКА
ФИЗИКА
ФИЗИОЛОГИЯ
ФИЛОЛОГИЯ
ФИЛОСОФИЯ
ХИМИЯ
ЭКОНОМИКА
ЭЛЕКТРОТЕХНИКА
ЭНЕРГЕТИКА
ЮРИСПРУДЕНЦИЯ
ЯЗЫКОЗНАНИЕ
РАЗНОЕ
КОНТАКТЫ

Исследование совершенства структуры монокристаллов методом нейтронной дифракции для экспериментов по изучению фундаментальных свойств нейтрона

УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК

ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ

им. Б.П. КОНСТАНТИНОВА РАН

УДК 539.125.5

на правах рукописи

СЕМЕНИХИН

Сергей Юрьевич

ИССЛЕДОВАНИЕ СОВЕРШЕНСТВА СТРУКТУРЫ

МОНОКРИСТАЛЛОВ МЕТОДОМ НЕЙТРОННОЙ ДИФРАКЦИИ ДЛЯ

ЭКСПЕРИМЕНТОВ ПО ИЗУЧЕНИЮ ФУНДАМЕНТАЛЬНЫХ СВОЙСТВ

НЕЙТРОНА

01.04.01 – приборы и методы экспериментальной физики

АВТОРЕФЕРАТ

диссертации на соискание ученой степени кандидата физико-математических наук

Санкт-Петербург 2010

Работа выполнена в Отделении нейтронных исследований Петербург ского института ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН.

Научные руководители:

доктор физико-математических наук В.В. Воронин, доктор физико-математических наук В.В. Федоров.

Официальные оппоненты:

доктор физико-математических наук, Н.А. Иванов, профессор кандидат физико-математических наук, А.А. Набережнов.

с.н.с.

Ведущая организация: Санкт-Петербургский государственный политехни ческий университет.

Защита состоится “ 21 “ октября 2010 г. в 14 час. на засе дании диссертационного совета Д 002.115.01 в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН по адресу: 188300, г. Гатчи на Ленинградской области, Орлова роща.

С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН.

Автореферат разослан “ 15 “ сентября 2010 г.

Ученый секретарь диссертационного совета И.А. Митропольский Актуальность проблемы. Представленная работа относится к об ласти исследований структурного совершенства монокристаллов методом нейтронной дифрактометрии и посвящена созданию нового прецизионного метода для относительного измерения параметров элементарной ячейки монокристаллов при сравнительном анализе двух образцов с относитель ной точностью 107 108. Работа проводилась в рамках подготовки к экспериментам по поиску электрического дипольного момента нейтрона кристалл-дифракционным методом [1, 2] и дифракционного эксперимен та по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтро на [3, 4], для проведения которых необходимы монокристаллы с малы ми нарушениями кристаллической решетки по всему объему кристалла по сравнению с брэгговской шириной. Количественной мерой указанных на рушений, в частности, является относительная величина изменения меж плоскостных расстояний исследуемых монокристаллов. Наличие приме сей и дефектов приводит к изменению параметров элементарной ячейки кристаллов. Известно, что даже изменение изотопного состава исходного материала (например, в кремнии) приводит к существенному изменению параметров решетки выращиваемых кристаллов и, как следствие, к из менению их физических характеристик. Таким образом, создание новых методов определения степени совершенства монокристаллов является ис ключительно важной и актуальной задачей при выращивании кристаллов с заданными свойствами для различной полупроводниковой и оптической промышленности, а также при создании кристалл-дифракционных прибо ров высокого разрешения, применяемых в физических исследованиях.

Основной целью данной работы является создание нового точ ного метода исследования относительного изменения межплоскостных рас стояний больших совершенных монокристаллов с целью дальнейшего их использования в дифракционных экспериментах по исследованию фунда ментальных свойств нейтрона.

Научная новизна. Предложен оригинальный метод проверки каче ства кристаллов в геометрии обратного рассеяния нейтронов. Такая гео метрия позволяет исследовать структуру кристалла по всему объему и не требует наличия предварительной информации об ориентации кристалло графических плоскостей относительно огранки кристалла с высокой точ ностью. Использование регулируемой разницы температур двух кристал лов (исследуемого и эталонного) для определения разницы межплоскост ных расстояний также существенно упрощает и удешевляет данную ме тодику, позволяя отказаться от необходимости абсолютного измерения уг лов с высокой точностью. Использование нейтронов, обладающих высокой проникающей способностью, позволяет определять совершенство кристал лического материала по всему объему образца или уже готового изделия без его разрушения. Данная методика измерения межплоскостных рассто яний решетки совершенных монокристаллов позволяет достичь высокой относительной точности измерения d/d (107 108 ) и не имеет ми ровых аналогов.

Научно-практическая ценность. Результаты работы открывают возможность постановки новых экспериментов: по поиску электрическо го дипольного момента нейтрона, а также для проверки эквивалентности инертной и гравитационных масс нейтрона. Кроме того, отбор “затравоч ных“ монокристаллов заданной степени совершенства, в принципе, дает возможность выращивать кристаллы с заранее заданными свойствами.

Положения, выносимые на защиту:

1. Разработан новый метод измерения относительных изменений меж плоскостных расстояний монокристаллов, основанный на использо вании дифракции нейтронов под углом Брэгга 900, обладающий следующими достоинствами:

• данный метод позволяет производить анализ межплоскостных расстояний исследуемого кристалла относительно эталонного с точностью лучше чем d/d 107 ;

• размер исследуемого образца ограничен длиной поглощения нейтронов в кристалле и для таких монокристаллов как кварц может достигать 50 см;



• метод не требует предварительной подготовки исследуемого об разца, поэтому монокристалл может иметь любую форму и ог ранку;

• не требуется высокая точность предварительной угловой юсти ровки образцов;

• сравнительно невысокие требования к точности эксперименталь ного оборудования, необходимого для проведения таких иссле дований.

2. Создана экспериментальная установка с рабочим диапазоном длин волн = (3 6) что позволяет исследовать межплоскостные рас A, стояния в диапазоне d = (1, 53) Отработана методика юстировки A.

установки и анализа экспериментальных данных.

3. Проведен анализ образцов монокристаллов кварца различного про исхождения. Анализ показал, что большой класс искусственно вы ращенных кристаллов обладает высокой степенью пространственной однородности по всему объему и они практически не отличимы от идеальных. Кристаллы, имеющие природное происхождение, облада ют существенно бльшей степенью неоднородности, что не позволя о ет изготовление из них кристаллических пластин большого размера необходимого качества.

4. Проведено исследование и отбор монокристаллов кварца для экс перимента по поиску электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона кристалл-дифракционным методом. Отобранные образцы кварца имеют разброс межплоскостных расстояний d/d0 5 · и суммарный размер 100 100 500 мм3. Предварительные расчеты показывают, что использование такого составного кристалла в ЭДМ эксперименте позволит достичь точности измерения ЭДМ на уровне (2 3) · 1026 e· см за 100 суток измерений.

5. Изготовлен двухкристальный кремниевый интерферометр (90 140 мм3 ) для эксперимента по проверке принципа эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона. Проведено исследование неоднородности межплоскостных расстояний монокристалла интер ферометра d/d0, которое составило не более чем 2, 4·106 по всему объему.

Апробация работы. Результаты были представлены на различных международных конференциях: 13-th International Seminar on Interaction of Neutrons with Nuclei (ISINN-13, Dubna, Russia, 2005), The 5-th UCN & CNS Workshop (Peterhof, Russia, 2005), International Workshop on Relativistic Channeling and Coherent Phenomena in Strong Fields (Frascati, Italia, 2005), International Symposium: Radiation From Relativistic Electrons In Periodic Structures (RREPS’07, Prague, Czech Republic, 2007), International Workshop on Particle Physics with Slow Neutrons (Institut Laue Langevin, Grenoble, France, 2008), XX International Workshop on Neutron Scattering in Condensed Matter Investigations (NSCMI-2008, Gatchina, Russia, 2008), 18th Particle and Nuclei International Conference (PANIC08, Eilat, Israel, 2008), Workshop on Neutron, Neutrino, Nuclear, Muon and Medical Physics at ESS (Lund, Sweden, 2009).

Структура и объем работы. Диссертация состоит из введения, трех основных глав, заключения и списка литературы (страниц - 90, рисунков - 42).

Во введении приведен краткий обзор кристалл-дифракционных ме тодов для физических исследований, проводимых в Петербургском инсти туте ядерной физики. Отмечено, что при создании кристалл-дифракцион ных приборов высокого разрешения необходимы монокристаллы с высокой степенью совершенства. В частности, для планируемых экспериментов по поиску электрического дипольного момента кристалл-дифракционным ме тодом [1, 2] и проверки эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона [3, 4] требуются кристаллы с разбросом межплоскостного рас стояния d/d 105. Дан обзор существующих методов для определения степени совершенства монокристаллов.

Первая глава посвящена описанию нового метода исследования со вершенства монокристаллов нейтроноскопическим методом с использо ванием дифракционного отражения под углом Брэгга 900. Основные преимущества данного метода по отношению к существующим аналогам заключаются в следующем:





• относительная точность измерения изменения межплоскостных рас стояний может превосходить d/d 107 ;

• толщина исследуемого образца ограничена только лишь длиной по глощения нейтрона и для таких монокристаллов как кварц или крем ний может достигать 50 см;

• не требуется высокая точность предварительной угловой юстировки кристаллов;

• не требуется предварительная обработка кристалла, т. е. можно ис следовать образцы любой формы и огранки;

• сравнительно невысокие требования к точности экспериментального оборудования, необходимого для проведения таких исследований.

На рис. 1 приведена принципиальная схема измерения и объясняется методика исследования монокристаллов.

Коллимированный пучок нейтронов после прохождения через исследу емый монокристалл-образец направляется на кристалл-отражатель (ана лизатор), который одновременно является эталоном. Плоскости монокри сталлов образца и отражателя перпендикулярны оси пучка нейтронов. Для выделения нейтронов, отраженных кристаллом-отражателем, использует ся кристалл из пиролитического графита (PG) c коэффициентом отра жения 50%, который служит в качестве пространственного разделителя падающей и отраженной волн. Минимальная интенсивность, регистрируе мая детектором, при параллельном расположении кристаллографических плоскостей образца и кристалла-отражателя будет наблюдаться при равен стве их межплоскостных расстояний d0 = d. В этом случае все нейтроны, которые могли бы отразиться анализатором, отразятся исследуемым об разцом и не дойдут до детектора.

Если эти расстояния из начально отличаются, то ми нимума интенсивности можно достичь, меняя межплоскост ное расстояние одного из кри сталлов, например, кристалла отражателя d0, изменяя его температуру от исходного зна чения T0 до T0 + T таким об разом, чтобы d|T0 = d0|T0 +T.

Разность температур T об разца и кристалла-отражателя Рис. 1: Принципиальная схема связана с относительным изме нением межплоскостного расстояния соотношением d/d0 = ·T, где коэффициент теплового расширения кристалла-отражателя. Измерив T в минимуме кривой отражения кристалла-отражателя, можно определить d/d0.

Существенным является то, что угловая брэгговская ширина отражения B существенно возрастает при приближении угла дифракции к /2. На пример, для плоскости (110) кристалла кварца брэгговская ширина вместо обычных B =(1-2)” при B 450 составляет B 0, 50, т. е. величину в 1000 раз большую. На те же три порядка снижается требование к пред варительной ориентации кристаллографических плоскостей относительно огранки кристалла.

На рис. 2 приводится схема экспериментальной установки на пучке № реактора ВВР-М для исследования совершенства монокристаллов с по дробным описанием основных узлов.

Основные параметры установки:

1. диапазон рабочих длин волн нейтронов = (3 6) позволяет ис A следовать межплоскостные расстояния в диапазоне d = (1.5 3) A;

2. плотность потока нейтронов на образце = 1 · 10 н/(см сA);

3. точность угловых перемещений образца – 0, 010 по двум осям, пер пендикулярным пучку нейтронов;

4. диапазон изменения температуры кристалла-отражателя Т=(0–50)0 C;

точность измерения разницы температур кристалла-отражателя и образца Т=(0,01)0 K;

Рис. 2: Схема экспериментальной установки: 1 – поликристаллический фильтр для подавления высших порядков отражения (Be, BeO), 2 – защита, 3 – монохроматор, 4 – кристаллографические плоскости, 5 – образец, 6 – за щита детектора, 7 – детектор, 8 и 13 - ловушка пучка, 9 – термостат отража теля, 10 – система охлаждения, 11 – платформа горизонтального перемеще ния образца, 12 – термостат образца, 14 – кристалл пирографита (R 50%), 15 – кристалл-отражатель, 16 – элементы Пельтье 5. максимальное перемещение образца в горизонтальной плоскости ± 5 см;

точность позиционирования – 100 мкм.

Одним из основных факторов, влияющих на точность относительных измерений межплоскостных расстояний, является угловая юстировка от дельных элементов установки. Систематическая ошибка, обусловленная неточной угловой ориентацией кристаллов, составляет [5] s 2 0 (d/d), (1) где s и 0 – углы между направлением нейтронов и нормалью к отражаю щей плоскости исследуемого кристалла и кристалла отражателя соответ ственно (см. рис. 3).

Для относительных измере ний межплоскостных расстоя ний в монокристалле на уровне d 105 необходимо иметь относительную точность изме рения лучше чем d/d 106, т. е. систематическая ошиб ка (1) должна быть 106.

Нетрудно видеть, что d/d 106 соответствует (s ) (0 ) 103 рад.

Процедура юстировки за Рис. 3: Схема юстировки кристаллов ключается в одновременном сканировании по углу образца (s или s, рис. 3) и разнице температур T между исследуемым образцом и кристаллом-отражателем. Величину разъюстировки можно определить из результатов подгонки зависимостей регистрируемой интенсивности от разницы температур T при различных углах ориентации кристалла s (рис. 4).

Каждая кривая на рис. 4 характеризуется положением минимума ин тенсивности Tc и шириной кривой w. Пример зависимостей Tc и w от угла s приведен на рис. 5.

Количественной характери стикой разъюстировки крис талла-отражателя будет 0 = T w. Из рис. 5 следует, что 0 = (3, 35 ± 0, 14) 103 рад. Подставив эти зна чения в (1), получим систе матическую ошибку (d/d) 0, 6 · 105, что недостаточ но для относительного измере ния межплоскостных расстоя ний на уровне d 105. Сле- Рис. 4: Зависимости регистрируемой ин тенсивности от разницы температур кри довательно для уменьшения сталлов T для различных углов ориен систематической ошибки необ- тации образца s ходимо скорректировать поло жение кристалла-отражателя на указанный выше угол 0.

Отдельная часть главы посвящена системе выведения пучка в узле кри сталла отражателя, которая состоит из кристалла пиролитического графи Рис. 5: Зависимость положения минимума и ширины линии (см. рис. 4) от угла s исследуемого образца та (рис. 2, поз. 14). Подробно рассмотрена зависимость интенсивности от коэффициента отражения R этого кристалла. Приведены расчетные кри вые зависимостей коэффициента пропускания системы K при различных значениях R, из которых следует, что при оптимальном значении R = 1/ коэффициент пропускания имеет максимальное значение, равное K = 1/4.

Также приведены экспе риментальные кривые, под тверждающие эту теорию.

Из анализа эксперименталь ных данных установлено, что величина Rexp исполь зуемого в установке кри сталла пирографита 0, и определяется толщиной кристалла (LP G 0,8 мм).

Для получения оптималь ного значения R = 1/ необходим кристалл мень шей толщины (LP G Рис. 6: Зависимость регистрируемой интен 0,3 мм).

Дальнейшее изложение сивности нейтронов на детекторе от разни цы температур образца (рис. 2, поз. 5) и посвящено эксперименталь кристалла-отражателя (рис. 2, поз. 15) ной проверке предлагаемо го метода при помощи тестовых измерений различных образцов монокри сталлов. Пример экспериментальной зависимости регистрируемой интен сивности от разницы температур образца и кристалла отражателя пока зан на рис. 6. Используя значение коэффициента теплового расширения материала, можно получить характеристики исследуемого образца, такие как вариацию его межплоскостных расстояний относительно кристалла-от ражателя d/d0 и ширину отражения Wd в единицах величины межплос костного расстояния d/d. Нетрудно подсчитать, что точность определе ния положения линии на рис. 6, т. е. величины относительного межплос костного расстояния образца, составляет (d/d) 2 · 107 (табличное значение коэффициента теплового расширения кварца 1,32 · 105 1/K).

Кроме этого, для одного из образцов более подробно снималось простран ственное распределение величины d/d0 и Wd по всему объему, т. к.

в дальнейшем предполагалось использовать его в установке в качестве кристалла-отражателя. Проведенное исследование показало, что разброс межплоскостного расстояния для этого кристалла в его рабочей области отражения пучка нейтронов не превышает d/d 2 · 106 (рис. 7).

Вторая глава посвящена исследованиям кристаллов кварца, которые могут быть использованы для кристалл-дифракционного эксперимента по поиску электрического дипольного момента (ЭДМ) нейтрона.

В начале главы описана проблема существования ЭДМ, наличие ко торого требует одновременного нарушения инвариантностей относитель но инверсии как времени (T ), так и пространства (P ), при этом наруше ние T возможно только при нарушении CP -инвариантности в силу CP T теоремы. Хотя обнаружить ЭДМ нейтрона пока не удается, установленные экспериментально ограничения на его величину позволят исключить боль шинство теорий CP -нарушения, предсказывающие различные его значе ния.

Рис. 7: Пространственное распределение d/d0 и ширины рефлекса Wd по образцу кристалла кварца Далее идет описание самого ЭДМ эксперимента, основанного на вза имодействии нейтрона с сильным внутрикристаллическим электрическим полем, действующим на нейтрон в нецентросимметричном кристалле, ка ким является -кварц. В таких кристаллах для некоторых систем кристал лографических плоскостей положения максимумов электрического потен циала могут быть смещены относительно максимумов ядерного потенциа ла. Поэтому пролетающие через такой кристалл нейтроны оказываются в сильных (108 – 109 В/см) межплоскостных электрических полях противо положного знака ±Eg [6]. Величина и знак электрического поля, действу ющего на нейтрон, определяются свойствами кристалла и отклонением от условия Брэгга N E = Eg · vg /g, (2) где Eg – межплоскостное электрическое поле, действующее на нейтрон при точном выполнении условия Брэгга, vg – амплитуда g-гармоники ядерного N потенциала, g – отклонение от условия Брэгга, выраженное в энергети ческих единицах.

Присутствие электрического поля приводит к тому, что в системе от счета движущегося нейтрона возникнет швингеровское магнитное поле HS = 1/c[E v ]. Соответственно, угол поворота вокруг поля HS будет равен:

2µHS Lc, (3) s = v где Lc – толщина кристалла, v и v – компоненты скорости нейтрона, на правленные параллельно и перпендикулярно кристаллографическим плос костям соответственно.

Наличие ЭДМ у нейтрона приведет к повороту спина вокруг E на угол 2dn EL d =, (4) v g где L/v – время пребывания нейтрона в кристалле, v 2m const – компонента скорости нейтрона вдоль вектора обратной решетки g, т. е.

перпендикулярно кристаллографическим плоскостям. Чтобы измерить ЭДМ нейтрона, необходимо иметь возможность менять знак электрического по ля E. Это можно сделать, изменив знак параметра отклонения g (см.

выражение 2).

Для реализации ЭДМ эксперимента была предложена двухкристальная схема (рис. 8) отражения под /2, при котором дополнительный поворот Рис. 8: Принципиальная схема эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона при отражении под углом Брэгга /2, где ±E – межплоскостное электрическое поле, действующее на нейтрон, Vn – направление скорости нейтрона спина за счет швингеровского взаимодействия становится равным нулю:

2E · v · µ · L 2E · µ · L s = = ctg(B ) 0. (5) c v c B / Для того, чтобы ввести разъюстировку между отражателем и рабо чим кристаллом, используется тепловое расширение кварца. Температура рабочего кристалла T 0 поддерживается постоянной, а температура отра жателя варьируется относительно рабочего кристалла в пределах T = T 0 ± T, что приводит к изменению его межплоскостного расстояния d = d0 (1 + T T ), где T – коэффициент теплового расширения квар ца в направлении, перпендикулярном отражающим плоскостям. Изменение температуры отражателя приводит к смещению положения рефлекса отра жения, причем изменение знака T приведет к изменению знака смещения g (см. выражение 2) и, как следствие, к перемене знака электрического поля, которое воздействует на нейтрон, проходящий через кристалл. При мер экспериментально измеренной зависимости угла поворота спина ней трона за счет швингеровского взаимодействия (угол дифракции B = 860 ) при прохождении через монокристалл кварца от разницы температур двух кристаллов показана на рис. 9. В максимуме величина электрического по ля, действующего на нейтрон в кристалле кварца, достигает 108 В/см.

Слева и справа от точного брэгговского условия поле имеет противопо ложный знак.

Далее более подробно рассмотрена работа отдельных узлов экспери ментальной установки, приведена ее схема и изложены основные требо вания к параметрам установки, необходимые для достижения точности измерения ЭДМ нейтрона лучше чем 1026 e·см. Особое внимание уде лено системе трехмерного анализа поляризации пучка с помощью сверх проводящей системы CRYOPAD [7], а также использованию позиционно чувствительного детектора (ПЧД) нейтронов для измерения угловой за висимости исследуемых эффектов. В заключение описания предлагаемо го ЭДМ эксперимента указаны основные достоинства кристалл-дифрак ционной методики, такие как: большое по величине электрическое поле ( 108 В/см);

простой способ изменения знака эффекта;

реализация схе мы под /2 позволяет избавиться от ложного швингеровского эффекта;

большая брэгговская ширина дает возможность использовать большой со ставной кристалл;

а также предъявляются не очень высокие требования к качеству монокристаллов.

Во второй части главы рассмотрен вопрос о том, какие именно кристаллы кварца могли бы быть ис пользованы для ЭДМ экс перимента, а также пока заны результаты непосред ственного тестирования та ких кристаллов. Был прове ден анализ различных об разцов кварца как природ ного, так и искусственного Рис. 9: Зависимость угла поворота спина ней происхождения. Анализ по- трона в швингеровском поле при дифракции на плоскости (110) кристалла кварца длиной казал, что природные кри 14 см при угле дифракции равном 860. На пра сталлы имеют большой раз- вой оси ординат отложена величина электри брос в параметрах решетки ческого поля, действующего на нейтрон в кри даже по отдельному образ- сталле цу. Хотя в них присутству ют области очень высокого совершенства, размер этих областей обычно мал, и собрать из них кристалл большого объема и необходимого каче ства, который требуется для ЭДМ эксперимента, представляется сложной задачей.

Тестирование искусственных кристаллов, выращенных во Всероссий ском научно-исследовательском институте синтеза минерального сырья (ВНИИСИМС), показало, что они имеют большую степень однородности по сравнению с природными. Результаты измерения d/d двух партий та Рис. 10: Результаты анализа двух партий образцов оптического кварца ких кристаллов представлены на рис. 10. Размеры кристаллов 100 (25 45) мм3 каждый. Пунктирной линией на рисунке указана граница допустимой ширины рефлекса Wd, ниже которой уменьшение величины электрического поля, действующего на нейтрон в кристалле, не превыша ет 20% [5]:

B, (6) Em = E0 · 2 + B d где B B /, B – брэгговская ширина отражения в единицах длин волн, E0 – электрическое поле, действующее на нейтрон в идеальном кри сталле, d = d/d – разброс межплоскостного расстояния. По указан ному выше критерию в общей сложности были отобраны 15 монокристал лов кварца (отбракованные кристаллы №№ 13267, 14521, 12396, 14767, 11217, 12794 и 14053 зачеркнуты на рис. 10) из представленных двадцати двух. Максимальный разброс межплоскостных расстояний в этих кристал лах составил 4 · 106. Такое количество почти совершенных кристал лов позволяет использовать составной кристалл с суммарными размерами 100 100 500 мм3, что является достаточным для достижения в экс перименте по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом точности (2 3) · 1026 e·см за 100 суток измерений.

Третья глава посвящена эксперименту по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона и исследованию качества двух кристального интерферометра, являющегося основным элементом этого эксперимента. Основная задача эксперимента заключается в развитии но вого дифракционного метода, обладающего высокой чувствительностью к внешнему воздействию на нейтрон и проведению в дальнейшем серии экспериментов по обнаружению малых сил, действующих на нейтрон. Эк вивалентность инертной и гравитационных масс является основой общей теории относительности. Для макроскопических объектов эта эквивалент ность проверена с колоссальной точностью ((mi /mg ) 1012 ), но для элементарных частиц эта величина лучше всего измерена для нейтрона и составляет 2 · 104. Основная идея предлагаемого дифракционного экс перимента заключается в использовании эффектов дифракционного уси ления влияния малых воздействий на нейтрон, дифрагирующий по Лауэ в совершенном кристалле при углах дифракции, близких к /2 [8].

Рассмотрена реализация эксперимента в виде двухкристальной схемы.

В такой схеме симметричной дифракции по Лауэ известен эффект ди фракционной фокусировки [9, 10], который заключается в том, что поло вина интенсивности продифрагировавшего пучка фокусируется на выход ной грани второго кристалла с шириной пятна на выходе при точечном источнике на входе (пространственное разрешение системы) [9]:

tg(B ) =, (7) xw = 2 2m где = /(m0 tg(B )) – длина экстинкции, m0 2dFg /Vc – так называе мая "масса"Като (Fg – нейтронный структурный фактор отражения, Vc – объем кристаллической ячейки, d – межплоскостное расстояние).

При наличии щелей на входной и выходной поверхностях присутствие внешней силы приведет к искривлению траекторий нейтрона внутри кри сталла, смещению положения фокуса и, вследствие чего, к изменению интенсивности регистрируемых нейтронов.

Проблема заключается в том, что для разных волн (1) и (2), кото рые формируются в результате взаимодействия нейтрона с периодическим ядерным потенциалом системы кристаллографических плоскостей [11], смещение имеет разный знак, что обусловлено разным знаком эффектив ной ”силы Като” для различных волн (рис. 11). Поэтому для получения максимальной чувствительности к искомой внешней силе F необходимо Рис. 11: Эффект двухкристальной фокусировки при наличии внешней силы приложить небольшую постоянную силу 2m0 d En Fext = W. (8) c2 L Эта сила сдвинет положение фокуса для каждой пары волн на выходной поверхности второго кристалла на половину ширины входной щели, как это показано на рис. 11. Регулировать величину и знак постоянной внеш ней силы можно с помощью небольшого наклона всей установки, при этом появится проекция силы тяжести на вектор обратной решетки g, что соб ственно и требуется. Сдвиг фокуса при приложении внешней силы Fext будет равен c2 L (9) F = Fext, 2m0 d En при этом возрастание величины Fext приведет к изменению интенсивно сти. Разрешение WF будет определяться размером щелей w на входе и выходе:

2m0 d En w. (10) WF = c2 L В таблице приведена численная оценка возможного разрешения и чувстви тельности к внешней силе для различных кристаллов. Оценка приведена для кристаллов размером 10105 см3 при угле B = 840 (tan B = 10), ширина щелей на входе и выходе кристалла w = 0, 1 мм, поток нейтронов 0 = 109 n/(c·см A). Для проверки принципа эквивалентности предла гается использовать гравитационное притяжение Солнца.

Принцип данного эксперимента показан на рис. 12. Для Земли, на ходящейся на стационарной орбите, гравитационное притяжение Солнца, Таблица : Численная оценка разрешения и чувствительности к внешней силе для различных кристаллов и кристаллографических плоскостей Разрешение Светосила Чувствительность эВ/см н/c эВ/см в сутки 1.5 · 1013 5 · Кварц (110) = 4. A 0.3 · 1013 3 · Кварц (200) = 4. A 2 · 1013 12 · Кремний (220) = 3. A Рис. 12: Основная идея эксперимента по проверке принципа эквивалентности для нейтрона пропорциональное гравитационной массе, уравновешено центробежной си лой, пропорциональной инертной массе. Если для нейтрона имеется другое отношение инертной и гравитационной масс чем для Земли, то в систе ме отсчета Земли на нейтрон будет действовать добавочная сила. Идея этого эксперимента аналогична хорошо известному опыту Брагинского по проверке эквивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона [12]:

(mi mG ) · GMS F(Gi) =, (11) RS где mG и mi – гравитационная и инертная массы нейтрона, G – грави тационная постоянная, MS – масса солнца, RS – радиус орбиты Земли.

Более того, эта сила будет испытывать суточные вариации за счет враще ния Земли вокруг своей оси. Сила притяжения Солнца на орбите Земли составляет FG = GmG MS /RS = 6 1013 эВ/см, таким образом, чувстви тельность (Fext ) 5 · 10 эВ/см за 100 дней накопления статистики (см. таб. ) соответствует точности (mi /mG ) 106, что более чем на два порядка лучше, чем современное значение [13].

Следующая часть главы посвящена изготовлению и исследованию ка чества интерферометра для предлагаемого выше эксперимента. В качестве кристаллов для двухкристальной установки в эксперименте по проверке эк вивалентности инертной и гравитационной масс нейтрона были выбраны монокристаллы кремния. В общем монокристаллическом блоке размера ми 105 140 мм3 был сделан разрез перпендикулярно рабочей плоско сти (рис. 13), т. е. реализована система из двух кристаллов, объединенных общим основанием (интерферометр). Рабочая входная поверхность име ет размеры 70 45 мм2. Ширина разреза между кристаллами 0,3 мм, что необходимо для достижения пространственного разрешения 0,1 мм.

Статистическая чувствительность в эксперименте при современных пото ках холодных нейтронов для кристалла такого размера может составить (mi /mG ) 3 · 105 за сутки измерений.

Изучение качества кремниевого интерферометра производилось по той же схеме и на той же установке, что в работе по изучению качества кристаллов кварца, необходимых для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона (рис. 2). Для исследова ния степени неоднородности меж плоскостного расстояния исполь зовался рефлекс (220) с длиной волны =3,84 от кристаллогра A фической плоскости (110), ориен тированной параллельно входной поверхности. Рис. 13: Двухкристальный кремние На рис. 14(а) показаны резуль- вый интерферометр. Размеры таты исследования двухкристаль- 140 мм ного кремниевого интерферомет ра, где d/d – величина изменения относительного межплоскостного рас стояния кристалла для данной плоскости, L – положение пучка нейтронов относительно центральной области кристалла, которая была принята за нулевое положение.

Из этих результатов видно, что однородность в данном кристалле луч (а) (б) Рис. 14: Измерение распределения относительного изменения межплоскост ного расстояния (a) и ширина рефлекса (б) в исследуемом образце кремния для рефлекса (220) ше d/d 2, 4 · 106. На рис. 14(б) представлены ширины рефлексов в различных точках кристалла.

В заключении приведены основные результаты данной работы.

Основные результаты диссертации опубликованы в следующих работах:

1. С.Ю. Семенихин, Ю.П. Брагинец, В.В. Воронин, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин, В.В. Федоров, Я.А. Бердников, А.Я. Бердников, Е.О. Веж лев. Анализ совершенства кристаллов кварца для эксперимента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом. Препринт ПИЯФ-2818, Гатчина, 2009, 33 с.

2. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin.

Diraction enhancement and new way to measure neutron electric charge and the ratio of inertial to gravitational mass. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 593 (2008) pp. 505-509.

3. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin, Yu.P. Braginetz, K.Yu. Amosov. Neutron volumetric test of interplanar distances of highly perfect crystals. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 593 (2008) pp. 472-474.

4. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin, Yu.P. Braginetz, K.Yu. Amosov. Neutron volumetric analysis of a high perfect crystal quality. Preprint PNPI-2748, Gatchina, 2007, 11p.

5. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin.

Crystal diraction method to measure neutron electric charge and inertial to gravitational mass ratio. Preprint PNPI-2747, Gatchina, 2007, 16 p.

6. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin.

Neutron spin optics in noncentrosymmetric crystals as a new way for nEDM search. Nucl. Instr. and Meth., B 252, No 1 (2006) 131-135.

7. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin.

Neutron spin optics in a noncentrosymmetric crystals as a way for nEDM search. New experimental results. Physica B, Iss. 385–386 (2006) 1216 1218.

8. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin.

Neutron Laue diraction in a weakly deformed crystal at the Bragg angles close to PI/2. Preprint PNPI-2698, Gatchina, 2006. 12 p.

9. V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin.

Neutron Laue diraction in a weakly deformed crystal at the Bragg angles close to PI/2. Письма в ЖЭТФ, 85, вып. 1 (2007) 90-93. (JETP Letters, 85, No. 1 (2007) pp. 82–85).

10. В.В. Воронин, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин, С.Ю. Семенихин, В.В. Фе доров. Эффект дифракционного усиления и новые возможности из мерения заряда нейтрона и отношения его инертной массы к грави тационной. Ядерная физика, 72, №3 (2009) с. 505-511.

11. Патент на изобретение ”Способ определения относительного измене ния межплоскостных расстояний совершенных монокристаллов” по заявке № 2009104107/28 (005467).

Список литературы [1] V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B252 (2006) 131.

[2] V.V. Fedorov, M. Jentschel, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, E. Lelievre Berna, V. Nesvizhevsky, A. Petoukhov, S.Yu. Semenikhin, T. Soldner, F. Tasset, V.V. Voronin, Yu.P. Braginetz. Test experiment for the neutron EDM search by crystal-difraction method. Preprint PNPI-2789, Gatchina, 2008, 20p.

[3] V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin, V.V. Voronin, Diraction enhancement and new way to measure neutron electric charge and the ratio of inertial to gravitational mass. Nuclear Inst. and Methods in Physics Research, A 593 (2008) pp. 505-509.

[4] В.В. Воронин, И.А. Кузнецов, Е.Г. Лапин, С.Ю. Семенихин, В.В. Фе доров. Эффект дифракционного усиления и новые возможности из мерения заряда нейтрона и отношения его инертной массы к грави тационной. Ядерная физика, 72, №3 (2009) с. 505-511.

[5] С.Ю. Семенихин, Ю.П. Брагинец, В.В. Воронин, И.А. Кузне цов, Е.Г. Лапин, В.В. Федоров, Я.А. Бердников, А.Я. Бердников, Е.О.Вежлев, Анализ совершенства кристаллов кварца для экспери мента по поиску ЭДМ нейтрона кристалл-дифракционным методом.

Препринт ПИЯФ-2818, Гатчина, 2009, 33 с.

[6] Алексеев В.Л., Воронин В.В., Лапин Е.Г., Леушкин Е.К., Румян цев В.Л., Сумбаев О.И., Федоров В.В. Измерение сильного электри ческого внутрикристаллического поля в швингеровском взаимодей ствии дифрагирующих нейтронов. ЖЭТФ, 96 (1989) 1921-1926.

[7] F. Tasset, P.J. Brown, E. Lelie‘vre-Berna, T. Roberts, S. Pujol, J. Allibon, E. Bourgeat-Lami. Physica B, 267-268 (1999) 69-74.

[8] V.V. Fedorov, I.A. Kuznetsov, E.G. Lapin, S.Yu. Semenikhin and V.V. Voronin. Письма в ЖЭТФ, 85 (2007) 90.

[9] В.Л.Инденбом, И.Ш.Слободецкий, К.Г.Труни. ЖЭТФ, 66(3) (1974) 1110.

[10] J. Arthur, C. G. Shull and A. Zeilinger. Dynamical neutron diraction in a thick-crystal interferometer. Phys. Rev. B, 32(9) (1985) 5753.

[11] H. Rauch, D. Petrachek. Neutron diraction, ed. by H. Duchs (1978) 303-351.

[12] V.B. Braginsky and V.I. Panov. Sov JETPh, 61 (1971) 873.

[13] J. Schmiedmayer, Nucl. Instr. Meth. A, 284, (1989) 59.



 

Похожие работы:





 
2013 www.netess.ru - «Бесплатная библиотека авторефератов кандидатских и докторских диссертаций»

Материалы этого сайта размещены для ознакомления, все права принадлежат их авторам.
Если Вы не согласны с тем, что Ваш материал размещён на этом сайте, пожалуйста, напишите нам, мы в течении 1-2 рабочих дней удалим его.