Отражение нейтронов от магнитных зеркал

Семинар студентов и аспирантов
Отражение нейтронов
от магнитных зеркал
Аспирант 3-го года: Татарский Д.А.
План доклада
• Нейтроны: их свойства и источники
• Взаимодействие тепловых нейтронов
с твердыми телами
• Особенности рассеяния нейтронов в
зависимости от пространственного
распределения магнитного поля
НЕЙТРОН
СВОЙСТВА
ИСТОЧНИКИ
Нейтрон
• Открыт Чедвиком в 1932 г. (Нобелевская
премия 1935 г.)
• Масса: 939,565 МэВ
1,675·10-30 г
• Электрический заряд: нет
• Спин: ½
• В свободном состоянии распадается.
Период полураспада: ≈880 с
n  p  e  e
0


Нейтрон
Магнитный момент!!!
e
 N  1.913 ÿä  1.913
2m p c
Нейтрон состоит из трех «кварков»
Спин кварков: 1/2
d-кварк
Электрический заряд: -1/3e
u-кварк
Электрический заряд: +2/3e
Зельдович Я Б "Классификация элементарных частиц и кварки "в изложении для
пешеходов"" УФН 86 303–314 (1965)
Источники нейтронов
ВЗАИМОДЕЙСТВИЕ С
ВЕЩЕСТВОМ
РАССЕЯНИЕ НЕЙТРОНОВ
Взаимодействие тепловых
нейтронов с веществом
• Тепловые нейтроны: ~0.025 эВ, 1-10 Å
• Сильное взаимодействие с ядрами
атомов: ядерный потенциал
• Электромагнитное взаимодействие с
электронами: магнитный потенциал
Сильное взаимодействие
• Оптический потенциал Э. Ферми
ikr
br
 r ,    e 
r
2
2
 
4
4
V0 
b r  rj  
bN 0

2m j
2m
ikz
В.К. Игнатович, Нейтронная оптика, М., Физматлит, 2006
Гамильтониан нейтрона
  
ˆ   
  

 
 pˆ 2



Hˆ  Iˆ
 V0 r    N ˆ  Br 
 2m




0 1

 x  
1 0
ˆI   1
0

0
 y  
i

0

1
i
1 0 
  z  

0
 0  1
Phys. Rev. 53, 719 (1938)
Симметрия магнитного
взаимодействия
Rˆ n ,
Sˆn , 

 Lˆ n 

 exp  i
  



Sˆn ,

ˆ ˆ   ˆ
  Rn , Br  S n , 
 ˆn 

 exp  i
 2 


 
1

ˆ  
   Br 
Теорема взаимности
ˆ k ; k ; B r eikr
 ikr
f
ˆ   e Iˆ 
r

 s 
 
 s 
  
2 s   

f ,  k ; k ; B r    1
f  ,   k ;k ;  B r 
k
Br 
k
Теорема взаимности для неполяризованных
нейтронов
 k ; k ; B r 
 Tr ˆ fˆ  k ; k ; B r  fˆ k ; k ; B r 



1 / 2 0 

ˆ  
 0 1/ 2
 k ; k ; B r    k ,k ,  B r 



 k ; k ; B r   k ; k ; Rˆ n B r 






КЛАССИФИКАЦИЯ МАГНИТНЫХ
ПОЛЕЙ. ПРИМЕРЫ.
Взаимное рассеяние
Коллинеарное поле
y
z
n

y
z
x
 k ; k ; B r    k ,k ,  B r 




  k ,k , Rˆ n  B r 
  k ,k , B r 




nx

Компланарное поле

Уравнение Шредингера
разбивается на два
независимых уравнения для
каждой спиновой компоненты
n
x
 k ; k ; B r    k ,k ,  B r 




  k ,k , Rˆ z  B r 
  k ,k , B r 







Возможны процессы
переворота спина (спинфлип)
Невзаимное рассеяние
Некомпланарное поле
z
r1 ; r2 ; r3

Br1   Br2  Br3   0
y
x
Если поле
некомпланарно, то
возможно невзаимное
рассеяние

 k ; k ; B r    k ;k ; B r 



 k ; k ; B r   k ; k ;  B r 



КОЛЛИНЕАРНОЕ МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Отражение от полубесконечного
зеркала
e

ik r
re

ik r

B
y
z
x
Зеркало
E
 L  eiqz  re iqz
 L  aeikz
 1 r  a

q

1  r  k a
k  q 2  kcr2
V0
2mV0
k  2

2
cr
0
z
Зеркало
r
q  q 2  kcr2
q  q 2  kcr2
q  kcr , 1

2

2
2
2
2 
2

q

q

k
R r 


k
cr 
cr


q

k
,

cr
 4q 2 

2
2 



 q  q  kcr  
1
0.1
0.01
q
kcr
0.001
0
1
2
3
4
Магнитное зеркало
(коллинеарное поле)
E
 L  iˆeiqz  rˆe iqz
k
V0
0
µNB
2
cr 
kcr2 
µNB
z
2mV0   N B 

2
2mV0   N B 

2
Поляризатор
• Если магнитный потенциал равен
ядерному, то пленка становится
прозрачной для одной из поляризаций
V0   N B
k
2
cr 
2mV0   N B 

0
2

B
Поглощающий слой
Суперзеркала-поляризаторы
Fe / Si polarizing supermirror
SwissNeutronics AG
Neutron Optical Components & Instruments
http://www.swissneutronics.ch/
Epitaxial iron film
Rev. Sci. Instrum. 84, 025112 (2013)
НЕКОЛЛИНЕАРНОЕ
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Отражение от магнитного зеркала в
присутствии внешнего поля
J. Appl. Cryst. 45, 814–825 (2012)
Расщепление пучка. Спин-флип
Зеркальный пучок
Плоскость зеркала
Прямой пучок
Преломленный пучок со спин-флипом
НЕКОМПЛАНАРНОЕ
МАГНИТНОЕ ПОЛЕ
Два зеркала во внешнем поле


H ext B2

B1
Результаты
Ноябрь 2013 - Февраль 2014, г.Дубна/г.Нижний Новгород
Спасибо за
внимание!
Реактор ИБР-2М