Нейтронный фильтр

-ткР"ес" фОП ИСИЗОБРЕТЕНИЯ А Н:и-е Сфвз Сфввтсиик Социааистичвсних Рвспублик(22) Заявлено 091176 . (21) 2419845/18-25с присоединением заявки Мо(51)М. Кл.з 6 21 К 3/00 Госуаарственный комитет СССР яо аелам изобретений в открытий(088,8) Дата опубликования описания 150381(72) Авторы изобретения А.Г.Гукасов, В,А.Рубан и М.Н.Бедризова Ленинградский институт ядерной физики им.В.П,Константинова(54) НЕЙТРОННЫЙ ФИЛЬТР 20 2 ю+2 1 ( с)п 2 п для нечетных слоев д,гг 1 гЪ го+1 1Зг / л дел( Изобретение относится к нейтронной физике и может быть использовано при изготовлении нейтроноводных систем для нейтронов с энергией10 З4 эВ.5Известен фильтр для ультрахолодильных нейтронов с энергией 108-10 4 эВ, представляюший собой структуру из чередующихся слоев двух различных веществ титана и изотопа олова 5 п 118 одинаковой толщины около 800 А.фильтр используется как монохроматор и имеет узкие области полного отражения (11,Ближайшим техническим решением является нейтронный фильтр, представ ляющий собой многослойную структуру, состоящую из слоев двух веществ с различными длинами когерентного рассеяния нейтронов, нанесенных на плоскую подложку, причем многослойная20 структура состоит из плоских аморфных германиевых слоев, чередующихся с плоскими слоями из титана или марганца 2(.Общим недостаткомприведенных выше технических решений является небольшая область полчого отражения нейтронов при углах скольжения больших критическиХ значений для используемых веществ. 30 Целью изобретения является расширение области полного отражения нейтронов при углах скольжения, больших критических значений для используемых веществ.Это достигается тем,что в многослойной структуре, состоящей из чередующихся слоев двух веществ с разными длинами когерентного рассеяния нейтронов, нанесенных на подложку, последние расположены так, что первая пара, имеет максимум отражения при угле скольжения, близком к критическому, причем толщина первого слоя из вещества с большей когерентной длиной рассеяния равна половине граничной длины волны нейтрона для этого вещества, а толщины последующих слоев выбраны из условия для четных слоев где и - номер пары слоев; д 2 л - толщина четного слоЯ; д 2 н,Л- толщина нечетного слоя.На Фиг.1 изображено отражение нейтронов от фильтра, на фиг.2 - представлены зависимости отражательной способности предлагаемого фильтра из слоев й и Ч однослойного фильтра из й.5фильтр представляет собой нанесенную на подложку, например, из стекла последовательность чередующихся слоев 1-6 различных веществ, например й (1,2,3) и Ч (4,5,6),толшины которых уменьшаются по глубине фильт. - ра. Падающий под углом скольжения 8 пучок 7 нейтронов с длиной волны Ъ отражает от Фильтра под тем же углом 6 , и полученный отФильтрованный пучок 8 нейтронов, используется для различных экспериментов.Фильтр работает следующим образом. При падении нейтронов на границу вакуум - й или Ч-й (что эквивалентно, поскольку показатель преломления нейт-Ю ронов для Ч практически равен единице из-за малости длины когерентного рассеяния) под углом скольжения, меньшим Ос, коэффициент отражения нейтронов равен единице, а при углах, превыша ющих 0.с, амплитуда отраженной волны быстро падает и определяется Форму 1-1-9 се)"8 З 0Однако проходящий пучок будет отражаться от следующий границы с той же амплитудой. Если подобрать расстояние между границами так, чтобы разность фаз между волнами, отраженными от соседних границ, составляла 2 (четвертьволновые пленки), то отражение будет максимальным. Иначе говоря, при некоторой толщине слоя д существует угол скольжения 0, при 40 котором имеется максимум отражения от слоя. Причем при уменьшении толщины слоя положение максимума смещается в сторону больших углов. Выбирая толщину первого слоя так, чтобы отра жение от него было максимальным при 6= 6, а затем, уменьшая толщины последущих слоев, можно получить последовательность дифракционных максимумов, перекрывающих диапазон углов от 8до некоторого 6". Если слои имеют сильно отличающиеся толщины, то отраженные волны складываются некогерентно и суммарная интенсивность отраженной волны приблизительно равна сумме квадратов амплитуд волн, рассеянных от различных слоев. Если же в каждом последующем слое толщина изменяется не сильно (чтобы разность Фаз была небольшой), то происходит когерентное сложение амплитуд рассеянных волн 0 и интенсивность определяется квадратои сумки этих амплитуд, и уже при сравнительно небольшом числе слоев отражательная спОсобность системы (а) достигает единицы. 65Критерий допустимого уменьшения толщины при переходе от слоя к слою получается следующим образом. Рассмотрим п-ю пару слоев (для простоты пРимем О 2 пО 2 п ) с полной толщиной О, =201. Положение максимума отражения от этой пары слоев получается из Формулы Брэгга Од=г) а коэффициент отражения этой пары г( О)=20,/йс, где й - граничная длина волны нейтронов для Ияс"ГЖа Если толщина слоев при переходе от пары к паре изменяется слабо, то можно ввести средний коэффициент отраженияЯ 1 для Ь й пар близлежащих слоев. Если ЬХ ъ 4/Б (,8 п) (1) (для получения коэффициента отражения Я 98 нужно взять ЬЙ 4(о 1, мы получим область цолного отражения в интервале углов .у- а 5(,8)(2). Пользуясь пропорциональйостью ь 6/6ь О/Рэто выражение можно записать в виде ЬО 0-1 (,8)(3), Разделив (3) на (1), получаем допустимое уменьшение толщины на одну пару слоев ьС) ( 1 т ---(6 1) дй 0, 4 Подставляя Г (8 1, получаем условие 3 )-)и+Оон с Для того чтобы первый слой давал отражение при угле, равном Ос, нужно выполнить условие Брэгга О = )(с 2 Ясс т.е. 41= (4, О= в . Отсюда для ванадиевых слоев получаем условие д,-д,(а,4.д 6 а Однако для никеля нужно еще учесть преломление вблизи углов, близких к 8 С, поэтому толщина первого слоя выбирается А (2, вместо йс(4, а толщина последущих никелевых слоев О 2должны превышать толщину ванадиевых из той же пары на величину, обратную показателю преломления в никеле и определяться2 2 п+д 2 о2 пДля проверки правильности выбранного условия был проведен точный расчет на ЭВИ отражательной способности фильтра с общим числом слоев 60 и указанными соотношениями толщин с помощью матричного метода, используемого при расчете многослойных оптических фильтровНа фиг.2 показана зависимость отражательной способности этого фильтраот соотношения (1 п 9 Уып 9), где Йс критический угол скольжения, М 1 - кривая 9. Из кривой 9 видно, что нейтроны полностью отражаются при углах скольжения, меньших некоторого характерного 6=1,76 с.Т.е, при использовании604441 Формула изобретения для нечетных слоев а 2-а,3 д ) ИПИ Заказ 1546/41 Тираж 476 Подписное Ужгород,ул.Проектная,4 ППП "П т л многослойного фильтра можно эффективно увеличить критический угол в 1,5- 2 раза при полном числе слоев от 20 до 100. Дальнейшее расширение области полного отражения за счет увеличения числа слоев менее эффективно, так как начинает сказываться поглощение нейт- ронов в слоях фильтра. Так как при напылении толщину слоев можно выдержать лишь с точностью около 5-10 А, были проведены аналогичные вычисления с учетом возможного случайного 1 О разброса толщин в диапазоне+10 А (см. фиг,2, кривая 10), Видно, что напыление слоев с такой точностью достаточно дпя изготовления фильтра. Для сравнения на фиг.2 показана отражательная способность обычного однослойного фильтра из никеля, кривая 11. Вместо никеля можно использовать любые другие материалы, имеющие положительную когерентную длину рассея- щ ния а ) О. При замене никеля железом, кобальтом или их сплавами, можно сконструировать поляризующий нейтронный фильтр с расширенной областью полного отражения, который также найдет приме- нение в поляриэующих нейтроноводах, В качестве прослойки, кроме ванадия, можно также использовать другие материалы, имеющие отрицательную длину рассеяния ас О, например Т, Ип, йЬ 2Предлагаемый фильтр, состоящий ЗО иэ доступных, дешевых материалов М и Ч ,по своим параметрам превосходит йаилучший из известных сейчас однослой. ных фильтров с покрытием из редкого и дорогого изота й Р,который исполь- З зуется в нейтроноводах.При сравнении предлагаемого многослойного фильтра известными однослойными с покрытием, например из й получается выигрыш в интенсивности на 4 Овыходе нейтроновода в3 раза за счет расширения области полного отражения в 1 7( 6" =1,70 с),так как интенсивность л(9) Нейтронный фильтр с многослойной структурой, состоящей из чередующихся слоев двух веществ с .разными длинами когерентного рассеяния нейтронов, нанесенных на подложку, о т л и ч а ю щ и й с я тем, что, с целью расширения области полного отражения нейтронов при углах скольжения, больших критических значенийдля используемых веществ, слои чередукицихся веществ расположены так,что первая пара слоев имеет максимум отражения при угле скольжения,близком к критическому, причем толщина первого слоя из вещества с большей когерентной длиной рассеяния равна половине граничной длины волны нейтрона для этого вещества, толщина второго слоя равна четверти указанной длины волны, а толщины последующих слоев выбраны иэ условия для четных слоев2 опф 22 п3 1 Ьд 2 где и - номер гары слоев;толщина четного слоя;д 2 - толщина нечетного слоя.Источники информации,принятые во внимание при экспертизе1. Антонов А.В. и др. Интерференционный фильтр для ультрахолодиых нейтронов. Письма в ЖЭТФ, том 20, вып,9,с.632-635.2. Патент США М 3885153, кл.250-251,опубл.20.05,75.