Актуальность темы. Нейтронная оптика вот ухе несколько десятилетий является одним из мощных методов исследования вещества. Бурное развитие нейтронно-оптических методов обусловлено несколькими причинами.
Во-первых, длина волны наиболее доступных для эксперимента тепловых нейтронов близка к размерам межатомных расстояний, поэтому в рассеянии тепловых нейтронов большую роль играют волновые процессы, в частности, дифракция и интерференция нейтронных волн. Это позволяет исследовать структуру конденсированного вещества дифракционными методами и предоставляет большие методические возможности для анализа длины волны и энергии рассеянных нейтронов.
Во-вторых, энергия тепловых нейтронов близка по порядку величины к характерным энергиям теплового движения атомов вещества и энергии коллективных возбуждений в конденсированном веществе. Таким образом, при рассеянии нейтронов можно получить богатую информацию о динамике вещества.
В-третьих, благодаря электрической нейтральности нейтронная волна слабо поглощается веществом. Поэтому ядерное взаимодействие (наряду с магнитным) в большинстве случаев является доминирующим, и именно оно определяет основные нейтронно-оптические свойства вещества. В то же время, наличие магнитного момента у нейтрона делает нейтронно-оптические методы чувствительными к магнитной структуре вещества.
В-четвертых, нейтроны достаточно "дешевы", и современные нейтронные источники обеспечивают значительные потоки нейтронов различного спектрального состава.
Закон дисперсии нейтронной волны в веществе достаточно прост.
I
где к и кр - соответственно волновые числа нейтрона в веществе и вакууме, I - сорт ядра-рассеивателя, Nj - плотность рассеивателей (ядер) в единице объема вещества, ab( - длина рассеяния 1-м ядром. Введя понятие показателя преломления, как отношение волновых чисел в веществе и вакууме, из (1) легко получить более привычную формулу:
(2)
записанную в виде, близком к тому, в котором ее получил Э. Ферми. Закон дисперсии (1) совпадает с решением уранения Щредингера для случая прохождения (и отражения) частицы над потенциальным
1
барьером, поэтому, описывая взаимодействие нейтронов с веществом, говорят об оптическом потенциале среда, определяемым усредненной суммой амплитуд рассеяния входящих в вещество ядер. Таким образом, можно утверждать, что оптические свойства вещества зависят от ее ядерного состава. Для большинства веществ длина рассеяния ь положительна, и показатель преломления меньше единицы. В случае тепловых нейтронов это отличие очень невелико, и п-1 ¦* ю"6. Однако, с ростом длины волны А. это отличие увеличивается.
Одной из очень важных особенностей "потенциального" закона дисперсии является его инвариантность по отношению к тангенциальной компоненте волнового числа. Выражения (1) и (2) остаются справедливыми, если в них под волновыми числами подразумевать ' только нормальные их компоненты kz (при этом A.=2it/kz). Поскольку нормальная компонента импульса может быть сколь угодна мала, а соответствующая ей длина волны А. велика, то, как видно из (2), при некоторой Л, = 'к , где
квадрат показателя преломления в (2) становится отрицательным. Этот случай отвечает полному внешнему отражению от поверхности вещества при наклонном падении. На возможность этого явления впервые обратил внимание Э. Ферми. Существование полного отражения было экспериментально установлено в 1946 г.
Я.Б. Зельдович в 1959 г. обратил внимание, что для совсем медленных нейтронов условие полного отражения выполняется не для нормальной компоненты волнового числа, а для всего волнового числа. Такие нейтроны должны испытывать полное отражение при нормальном падении, и они были названы ультрахолодными (УХН). В максвелловском спектре скоростей нейтронов из реактора присутствуют в принципе нейтроны со сколь угодно большими длинами волн, в том числе и УХН.
Благодаря работам Ф.Л. Шапиро с сотрудниками УХН были открыты, а основные их свойства, предсказанные Я.Б. Зельдовичем, подтверждены. С этого момента нейтронная оптика приобрела некоторые новые черты. В 1972 г. И.М. Франк предложил использовать полное отражение УХН от зеркал для создания фокусирующих элементов нейтронного микроскопа. В этой же работе обращалось внимание на то обстоятельство, что малая энергия УХН делает значительным влияние на их движение силы тяжести Земли. В результате их траектории, в отличие от световых лучей, всегда не прямолинейны, а оптическая система на УХН должна, вообще говоря, обладать специфическими
гравитационными аберрациями.
Первые шаги на пути к созданию нейтронного микроскопа были сделаны в работах А. Штайерла с сотрудниками и в работах группы ЖЭ им. И.В. Курчатова. В этих, экспериментах было получено нейтронное изображение с использованием специального зонного зеркала, а затем и довольно сложной многозеркальной оптической системы. Несомненно, что эти пионерские работы имели большое значение, однако до настоящего микроскопа, казалось, было еще очень далеко. Полученное увеличение составляло несколько крат, оптическое разрешение по порядку величины составляло 0.1 мм, а структура изображения анализировалась путем механического сканирования щелью.
Цель настоящей работы. выполненной в 1984 - 1990 гг., состояла в поиске путей создания нейтронного микроскопа, имея в виду, что первоначальное подтверждение концепции зеркального микроскопа было осуществлено. Предстояло развить методы расчета оптических систем для УХН с учетом силы тяжести, понять природу основных гравитационных аберраций, найти пути их компенсации, и определить оптическую схему возможного нейтронного микроскопа.
Научная новизна:
1. Разработан матричный метод расчета нейтронно-оптических систем с произвольной ориентацией оптической оси, и сделан теоретический анализ гравитационных аберраций [1-8].
2. Обнаружен новый вид гравитационных искажений геометрические гравитационные аберрации. Предложен способ расчета и
-рассчитан нейтронный зеркальный микроскоп с уменьшенными геометрическими аберрациями [ 1 ]. Схема микроскопа признана изобретением [2].
3- Доказана теорема о том, что если в объективе микроскопа нейтроны двигаются по прямолинейным траекториям, то в системе нет хроматизма увеличения. Опираясь на этот вывод, совместно с A.M. Франком предложена схема микроскопа с компенсацией гравитационных аберраций в области объектива магнитным полем витка с током. Сделан расчет предложенного микроскопа [з].
4. С помощью предложенного матричного способа найдено оптимальное расположение элементов горизонтального нейтронного микроскопа. Методом Монте-Карло проведено подробное теоретическое исследование схемы, и предложены способы улучшения качества изображения. Оптическая схема микроскопа признана изобретением [4].
5- Создано два низкофоновых позиционно-чувствительных детектора нейтронов с автоматизированным сбором информации. Объяснены нелинейности приборов, предложены и реализованы способы
улучшения линейности и разрешения [ю].
6. С помощью созданных детекторов УХН проведены полные экспериментально замкнутые испытания горизонтального нейтронного микроскопа [6,9].
Практическая ценность:
1. Предложенный метод расчета нейтронно-оптических систем с произвольно ориентированной оптической осью и алгоритм определения формы поверхности зеркал объективов с уменьшенными геометрическими искажениями могут быть применены при конструировании широкого класса нейтронно-оптических систем.
2. Созданный низкофоновый позиционно-чувствительшй детектор нейтронов кроме экспериментов по нейтронной микроскопии может быть применен в любых других экспериментах, где требуется знание распределения нейтронной интенсивности в заданной плоскости. Его можно использовать всюду, где возможно преобразование детектируемой частицы в свет. Особенно полезно применение детектора в экспериментах с высоким требованием к фонам. Прибор не требует изготовления специального электронного оборудования. Все используемые блоки серийного производства.
3. Успешно проведенные испытания горизонтального нейтронного микроскопа позволяют приступить к разработке прибора для исследования реальных объектов.
На защиту выносятся:
1. Теоретический анализ гравитационных аберраций в нейтронно-оптических системах [1-е].
2. Проект нейтронного микроскопа с апланатическим объективом [1-2].
3. Проект нейтронного микроскопа с магнитной компенсацией гравитации в области объектива [3].
4- Оптическая схема нейтронного микроскопа с горизонтальным ходом лучей и оборотной системой [4].
5. Низкофоновые позиционно-чувствительные детекторы УХН с автоматизированной измерительной системой для регистрации изображения в нейтронном микроскопе [10].
6. Применение позиционно-чувствительного детектора УХН [Ю] в нейтронной микроскопии и результаты проведенных с его помощью полных испытаний схемы горизонтального нейтронного микроскопа [6,9].
Работа состоит из введения, семи глав и заключения, содержит 73 рисунка. Список цитируемой литературы содержит 102 наименования. Общий объем работы 156 страниц.
содержание: работы
Во введении данв краткая история вопроса, сформулирована цель работы, показана ее актуальность, изложена структура диссертации.
В первой главе дается обзор современного состояния приборной нейтронной оптики. Как видно из формулы (2), показатель преломления наибольшим образом отличается от 1 для ультрахолодных нейтронов, поскольку величина п-1 растет квадратично с длиной волны. Соответственно при увеличении длины волны усиливается зависимость показателя преломления от состава среды. Следовательно, можно полагать, что наибольший контраст нейтронного изображения можно достигнуть при использовании именно ультрахолодных нейтронов. Кроме того, по этой же причине для УХН проще сделать фокусирупцие оптические элементы. Поэтому с обеих точек зрения в нейтронной оптике выгодно использовать ультрахолодные нейтроны.
Для создания фокусирующих элементов можно использовать взаимодействие нейтрона как с магнитным полем, так и с ядерным веществом. В главе описаны известные в настоящее время оптические элементы для фокусировки нейтронов: магнитная и ядерные линзы, зеркала, зонная пластина. Рассматривается влияние гравитационного поля Земли на работу оптических элементов. В нейтронно-оптических системах в общем случае нейтроны различных энергий формируют изображения в разных плоскостях (хроматизм положения) и с различным увеличением (хроматизм увеличения). В настоящее время испытаны как ахроматизированные только по положение (зонное зеркало, четырехзеркальная система) так и дважды ахроматизированные нейтронно-оптические системы (бизеркальная система, микроскоп А. Штайерла).
Во второй главе автор предлагает матричный метод расчета нейтронно-оптических систем с произвольно ориентированной оптической осью [71. Метод базируется на возможности применения условий квазиклассики при описании движения ультрахолодных нейтронов в потенциальном поле Земли. Условия квазиклассики выполняются для УХН во всем пространстве за исключением пренебрежимо малой области вблизи апогея, и поэтому движение нейтрона можно описывать с помощью уравнений Ньютона. Состояние луча-нейтрона в некоторой опорной плоскости определяется двумя параметрами: 1) углом между вектором скорости и оптической осью, 2) расстоянием от оптической оси до точки пересечения нейтроном опорной плоскости. Изменение параметров между двумя опорными плоскостями, а также в результате воздействия оптического элемента (зеркало, ядерная линза, клин и т.д.) описывается с помощью матриц
5
размерностью э*3.
Получены выражения для положения плоскости изображений и увеличения для случая произвольной ориентации оптической оси. Впервые обращено внимание на то, что в нейтронно-оптических системах на качество изображения может существенное влияние оказывать гравитационный хроматизм увеличения. На примере ахроматизированной по положению четырехзеркальной нейтронно-оптической системы показано, что ахроматизация по положению не гарантирует получение качественного изображения. В общем случае кроме ахроматизации по положению требуется также ахроматизация по увеличению. Получены условия ахроматизации изображения как по положению, так и по увеличению.
Рассмотрены особенности формирования изображения в схемах с горизонтальной оптической осью. В этом случае нейтроны различных энергий формируют изображения в одной плоскости и с одним увеличением. Но изображения оказываются сдвинутыми относительно друг друга. Причем величина смещения зависит от скорости.
Предложенный матричный метод позволил автору найти оптимальное расположение элементов горизонтального нейтронного микроскопа [4]. Расчет микроскопа приведен в главе 5.
Третья глава посвящена анализу геометрических гравитационных аберраций [1]. С помощью матричного способа расчета автор на примере простых оптических систем с вертикальной и горизонтальной оптическими осями показывает, что при использовании непараксиальных пучков в нейтронно - оптических системах имеют место гравитационные геометрические искажения - аберрации. Дело в том, что нейтроны формируют изображение в плоскости положение, . которой зависит от входного угла. Геометрические искажения не позволяют получить качественное изображение, даже если в системе используются нейтроны строго одной энергии.
Также как и в световой оптике, геометрические искажения можно уменьшить посредством использования асферических поверхностей зеркал. Автор предлагает итерационный алгоритм вычисления формы поверхности зеркал объектива нейтронного микроскопа, свободного от геометрических аберраций. В системе необходимо рассчитывать форму не менее двух поверхностей. Для расчета требуется предварительное знание взаимного расположения оптических элементов и увеличения системы. Эту информацию легко получить с помощью предложенного в главе 2 матричного метода. Дается конкретный пример рассчитанного устройства (рис. 1). Для оценки работоспособности схемы был проведен потраекторный расчет. За разрешение принималась' величина б
максимального пятна рассеяния от точечного источника в плоскости изображений, деленная на увеличение. При увеличении Мх=25, поле зрения s=0.6x0.6 мм2 для скорости нейтронов и=5.5+6.5 м/с теоретическое разрешение 0=2.2+3.6 мкм. Числовая апертура А=0.5. Рассчитанная схема признана изобретением [2].
По сравнению с микроскопом А.Штайерла предложенный прибор при
о
одинаковом спектральном диапазоне (Д\=100А) имеет лучшее разрешение и почти в три раза большую светосилу. К его недостаткам следует отнести необходимость изготовления асферических зеркал.
В четвертой главе автор доказывает теорему о хроматизме увеличения [Э]: если в объективе микроскопа нейтроны двигаются по прямолинейным траекториям, то в системе нет хроматизма увеличения.' В системах с большим увеличением (Ы°6ОХ) выходные нейтронные лучи имеют малый угол наклона относительно оптической оси, поэтому хроматизм положения несильно искажает изображение. Поэтому основной вклад в аберрацию вносит хроматизм увеличения. Следовательно, можно получить изображение с хорошим разрешением, если в системе нет хроматизма увеличения, то есть, когда в объективе нейтроны двигаются по прямолинейным траекториям. Опираясь на этот вывод, автором совместно с А.И. Франком предложена схема микроскопа с компенсацией гравитационных аберраций в области объектива магнитным полем витка с током (рис. г). С целью проверки изложенных выше соображений был проведен потраекторный расчет предложенного микроскопа. За разрешение принималась величина максимального пятна рассеяния от точечного источника в плоскости изображений, деленная на увеличение. При увеличении М=50? поле зрения s=o.3*o.3 мм2 для скорости нейтронов у=4.5+6.0 м/с теоретическое разрешение 6=о.1+о.з мкм. Числовая апертура А=о.5. Для эффективной компенсации в витке радиусом R=50 см требуется ток 1=8.23*105 А [31.
Пятая глава посвящена подробному описанию проведенных автором расчетов нейтронного, микроскопа с оборотной системой и горизонтальным ходом нейтронных лучей (рис. 3). (Идея горизонтального микроскопа принадлежит Ы.М. Русинову.) Как отмечалось выше, в схемах с горизонтальной оптической осью нейтроны различных энергий формируют изображения в одной плоскости и с одним увеличением. Но изображения оказываются сдвинутыми относительно оптической оси и друг друга. Оборотная система 2 служит для компенсации этого смещения. С помощью предложенного в главе 2 матричного способа расчета нейтронно-оптических систем с произвольной ориентацией оптической оси найдено оптимальное с точки
зрения ахроматизации расположение оптических элементов. Оказалось, что для параксиальных лучей схема абсолютно ахроматизирована: нейтроны независимо от их скорости формируют совпадающие изображения.
В реальном приборе траектории нейтронов составляют с оптической осью большие углы, доходящие вплоть до эо°. очевидно, что при проектировании прибора необходимо провести потраекторный расчет, который и был выполнен автором с помощью метода Монте-Карло. Обычно за разрешение прибора принимают ширину на половине высоты изображения точечного источника деленную на увеличение. Для случая горизонтального микроскопа этот критерий не совсем подходит из-за сложной несимметричной формы изображения источника (рис. 4). Оценку разрешения можно сделать, анализируя изображения близко расположенных точечных источников (рис. 5).* Видно, что источники уверенно разрешаются и, следовательно, теоретическое разрешение горизонтального микроскопа вблизи центра поля зрения лучше б мкм. Оказалось, что разрешение в основном определяется геометрическими аберрациями. Автор показывает, что качество изображения в горизонтальном микроскопе можно заметно улучшить, если заэкранировать часть поверхности большого зеркала объектива и использовать детектор изображения с неплоской чувствительной поверхностью. Расчет показал, что при увеличении М=47.2Х, поле зрения s=o.25xo.25 мм2 для скорости нейтронов у=4.5+6.8 м/с теоретическое разрешение S лучше б мкм. Числовая апертура А=0.5. Рассчитанная схема признана изобретением [4]. Показано, что на качество изображения может заметное влияние оказывать вибрация.
В шестой главе описаны эксперименты по поиску оптимальной схемы позиционно-чувствительного детектора ультрахолодных нейтронов для нейтронного микроскопа [ю].
Из условий работы нейтронного микроскопа можно сформулировать основные требования к детектору. Рабочая площадь должна составлять 200+эоо мм2, чтобы не слишком ограничивать поле зрения микроскопа с увеличением 50х. Желательная величина координатного разрешения 200+эоо мкм, что ограничивает разрешение на вполне удовлетворительном уровне 4+6 мкм. Поскольку эксперименты по нейтронной микроскопии проводятся в условиях чрезвычайно низкой интенсивности, необходимо, чтобы эффективность детектора была не ниже 50», а собственный фон не более ю~2 отс/с.
исходя из этих требований, был выбран метод регистрации с конвертированием УХН в заряженную частицу в реакции ^Кп.сОТ. При
8
этом возможно иметь достаточно тонкий (~2 мкм) слой конвертора с высокой эффективностью конвертирования, и проблема сводится к координатно-чувствительной регистрации а-часткш. Одной из возможностей является достаточно хорошо разработанный метод координатной регистрации с усилением на микроканальных пластинах (МКП).
Две или несколько МКП, соединенные в блок, преобразуют первичную частицу в электронную лавину из 10б+ю8 электронов. Эта лавина попадает либо на люминисцирувдий экран, вызывая достаточно яркую вспышку, положение которой может быть зарегистрировано каким-либо приемником СЕета, либо на анод, устройство которого позволяет определить центр тяжести лавины.
Положение центра тяжести электронной лавины можно определить с помощью анодной системы, изготовленной в виде проводников, на которые лавина приносит различные заряды в зависимости от ее положения. При этом необходимо, чтобы электронная лавина попадала сразу на несколько элементов анода, каждый из которых, или определенным обрззом . сформированная из них группа, подсоединены к своему зарядочувствительному усилителю (ЗЧУ). Зная заряды поступившие на ЗЧУ, можно определить координаты центра тяжести лавины и, следовательно, координаты исходной частицы.
Статистическую погрешность определения координат можно найти
из выражения ос = aa/Y~H, где ы - число электронов в лавине, а dQ - поперечный размер электронного пятна на коллекторе. При размерах лавины -1 ом и усилении МКП ~юб статистическое ограничение много меньше предъявляемых требований к детектору.
Важным моментом являлся выбор способа регистрации а-частицы. Одна из возможностей состояла в прямой ее регистрации входной МКП. Однако, как показали эксперименты с таким детектором не удается достигнуть фэна меньше 4 отс/с, что является неприемлемым для детектора нейтронного микроскопа. Кроме того, можно отметить еще ряд недостатков: 1) прозрачность МКП равна ~4О+5О?, поэтому неизбежна потеря эффективности; 2) необходимо поддерживать вакуум в приборе не хуже ью"5 Торр, в то время как для работы самого нейтронного микроскопа достаточно 1-ю"3 Торр.
Учитывая вышеизложенное, далее было решено обратиться к сшштилляционному методу детектирования. При этом энергия а-частицы преобразовывалась в свет, а затем с помощью фотокатода производилось повторное преобразование в фотоэлектроны.
Такой метод позволяет иметь отпаянный прибор, поскольку свет
от сцинтиллятора до фотокатода монет Оыть передан Оез потери разрешения с помощью волоконной оптики. При этом прибор и собственно микроскоп могут иметь раздельный вакуум, и отпадает требование высокой вакуумной чистоты в микроскопе. Важно, что при таком преобразовании одной а-частице соответствует несколько фотоэлектронов, которые одновременно попадают в несколько каналов МКП. Поэтому появляется возможность дискриминации а-частиц от шумовых одноэлектронных событий и повышается эффективность регистрации. Эти обстоятельства представляются немаловажными в связи с высокими требованиями к фонам и эффективности детектора.
Устройство детектора представлено на рис. 6. На поверхность волоконной шайбы 1 нанесен тонкий слой сцинтиллятора 2. Шайба с сцинтиллятором является сменной, и в различных экспериментах использовались сцинтилляторы различного типа. Оптический контакт с входным окном прибора э осуществляется с помощью кремнийорганического вазелина КВ-з. На внутреннюю сферическую поверхность волоконной шайбы прибора з нанесен мультищелочной фотокатод 4. С помощью электродов 5 электростатической линзы фотоэлектроны с катода ускоряются и фокусируются на поверхности первой из трех МКП, образующих блок 6 в z-конфигурации.
Электронная линза имеет разрешение не хуже 20 мкм. Обеспечивая фокусировку фотоэлектронов на МКП, она в тоже время снижает вероятность попадания ионов, выбитых из МКП, на фотокатод'. После третьей МКП электронная лавина расплывается в области с плоским электрическим полем низкой напряженности и образует на поверхности коллектора 8 пятно с размером порядка 10-и 5 мм. Кольца 7 позволяют создать равномерное электрическое поле в области "блок МКП -коллектор". Собственно электронно-вакуумный прибор был разработан в НИИЭПр с участием автора [10]. :
Основные методические исследования проводились с источником а-частиц. Были опробованы два вида коллекторов. Оказалось, что распределение плотности электронов в лавине на аноде существенным образом зависит от количества попавших в один канал входной МКП фотоэлектронов. Если в один канал попадает больше одного фотоэлектрона, то усиленная результирующая лавина имеет малый размер, что ухудшает разрешение и линейность прибора. Для уменьшения плотности фотоэлектронов на МКП1 служит прозрачная стеклянная шайба 9. Благодаря этому элементу размер светового пятна на фотокатоде увеличивается и, следовательно, плотность фотоэлектронов уменьшается. На рис. 7+8 показаны изображения тест-объектов (рис. 9+1 о), полученные с помощью квадрантного ю
коллектора (рис. 11) и коллектора в виде клиньев и полос (рис. 12). Видно, что линейная область раЕна Sj=3O мм2, S2=45O мм2, соответственно, для первого и второго детектора. Разрешение приборов лучше зоо мкм.
Коллектор в виде клиньев и полос устроен таким образом, что относительная площадь поверхности, занимаемая клиньями и полосами, линейно растет о увеличением соответственно X, У. Если электронная лавина попадает сразу на несколько элементов коллектора, (что является необходимым условием) то координаты центра, тяжести лавины оказываются линейно связанными с отношением величины соответствующего заряда к полному заряду лавины.
Заряды с коллекторов поступали в измерительно-вычислительную систему (рис. 13). Основу ее составляет аппаратура в стандарте-САМАС, работающая под управлением ЭВМ "Электроника-бО". Система обеспечивает прием информации от детектора, обработку ее в режиме "on-line" по заданному (изменяемому) алгоритму, представление результатов в наглядном виде на графическом дисплее и постоянное хранение.
Сигналы с зарядо-чувствительных усилителей (ЗЧУ), представляющие собой первичную информацию, поступают на интегро-дифферинцирующие блоки (ИТД) (т = т = 4 мкс). Они имеют фронт -100 не и спад ~юо мкс. Использование ИТД позволило довести отношение шум/сигнал до о.04+0.1%, а взаимное влияние трактов из-за емкостной связи при работе с анодом в виде клиньев и полос уменьшить до л%. Следует заметить, что эта остаточная связь, не ухудшает разрешение прибора, а приводит только к незначительным нелинейным искажениям. Предварительная обработка осуществляется по двум каналам: временному и амплитудному. Во временном канале определяется факт одновременного прихода сигналов и вырабатывается триггерный сигнал, разрешающий работу 12-разрядных аналого-цифровых преобразователей (АЦП) и обработку. Время совпадения выбрано около 0.8 мкс. Коды с АЦП передаются в ЭВМ, где вычисляется суммарный заряд лавины и координаты события. Отбор событий по амплитудам и координатам осуществляется программно.
В составе системы имеется САМАС модуль ОЗУ, где хранится вся текущая информация о набранных событиях. Этот блок выступает по отношению к ЭВМ как внешний энергонезависимый накопитель. Основная информация представляет собой матрицу, соответствующую 128x128 градациям по координатам. Кроме того, программа удерживает вспомогательную информацию об амплитудном спектре событий, полном
их числе, времени экспозиции, скорости счета и т.д.
11
Пространственная картина непрерывно высвечивается на графическом дисплее. На нем же представляется графическая информация о скорости счета. По желанию оператора информация переписывается на гибкий магнитный диск (ГМД).
Быстродействие системы равно юо событий в секунду, что вполне достаточно для целей нейтронной микроскопии.
Характеристики системы обеспечивают аппаратурное разрешение, приведенное, ко входу, не хуже 20 мкм для квадрантного анода и юо мкм для анода в виде клиньев и полос ео Есем динамическом диапазоне амплитуд импульсов. Различие в оценках объясняется тем, что анод в виде клиньев и полос предъявляет более жесткие требования к измерительной аппаратуре.
Заключительная седьмая глава посвящена экспериментам по получению нейтронных изображений в горизонтальном микроскопе q, помощью описанного в главе 6 позиционно-чувствительного детектора [ю]. Рассчитанный в главе 4 прибор [4] был построен с участием автора. Микроскоп с измерительной системой составили комплекс "Горизонтальный нейтронный микроскоп". Наличие в составе комплекса позиционно-чувствительного детектора и измерительной системы явилось решающим фактором, позволившим осуществить ряд экспериментов с микроскопом и провести достаточно полные испытания прибора. Конструкция микроскопа описана в диссертации СВ. Масаловича.
Схема микроскопа представлена на рис. з • Поступающие из нейтроновода 1 нейтроны проходят через закрепленный в подвижной рамке 2 объект 3 и, отразившись от зеркал объектива Берча 4 и оборотной системы 5, фокусируются " во входной плоскости позиционно-чувствительного детектора 5.
Оптическая часть микроскопа расположена внутри вакуумной камеры "?_ С помощью сорбционного насоса в: камере поддергивался вакуум Ю~4-1СГ5 Торр.
Реальная схема прибора несколько сложнее, чем представленная на рис. 3 . В конструкции прибора предусмотрено освещение объекта светом и отражение выходящего из объектива света на прозрачную волоконную шайбу. На поверхности шайбы можно было наблюдать световое изображение объекта. В горизонтальных схемах плоскости изображения для света и для нейтронов совпадают. Это обстоятельство существенным образом упрощает наведение на фокус и выбор необходимого фрагмента объекта. В микроскопе последний отрезок в световом канале сделан равным нейтронному. Таким образом, наведение на фокус е нейтронном и оптическом каналах происходит одновременно.
12
Конструктивно объектив и оборотная система объединены в один оптический узел, который для наведения на фокус необходимо перемещать вдоль оси объектива. При этой операции оптический узел перемещается, как относительно объекта, так и относительно детектора.
Объект располагался на подвижной рамке, которую можно перемещать в двух взаимно перпендикулярных направлениях в перпендикулярной оптической оси объектива плоскости.
Весь процесс наведения на фокус и выбов необходимого фрагмента объекта можно проводить, не нарушая вакуум в приборе.
Все оптические элементы изготовлены из стекла и покрыты методом магнетронного напыления слоем немагнитного сплава 58Ni-Mo.
о
Толщина покрытия (~2ООО а) обеспечивает близкий к единице коэффициент отражения.
Комплекс "Горизонтальный нейтронный микроскоп" был смонтирован на канале очень холодных и ультрахолодных нейтронов реактора ВВР-М ЖЯФ (г. Гатчина).
В качестве детектора в микроскопе был установлен прибор описанный в главе б. Разрешение детектора равно около зоо мкм, что ограничивает полное разрешение всего комплекса на уровне 6 мкм.
Первый тест горизонтального микроскопа был осуществлен со "светящимся" объектом-отверстием. Отверстие было сделано в тонкой (~ю мкм) алюминиевой фольге, покрытой отражающим нейтроны слоем 58Ni-Mo, и имело неправильную форму с размерами примерно 40x50 мкм? С помощью светового канала объект был установлен таким образом, чтобы его изображение формировалось в центральной области детектора. Оказалось, что ширина на половине высоты, предварительно обработанного распределения интенсивности счета, в сечении, проходящем через центр изображения, близка к размеру отверстия [6]. Следовательно, разрешение прибора б лучше 25 шаг.. Таким образом, можно было полагать, что в нейтронном микроскопе с горизонтальной оптической осью было зарегистрировано первое нейтронное изображение.
Вторым опытом явился эксперимент по получению изображений двух горизонтальных щелей шириной 13.5 мкм и 40 мкм [91- Описание этого эксперимента имеется в диссертации СВ. Масаловича.
В опытах с отверстием и щелями использовался детектор с квадрантным анодом.
В экспериментах по получению изображений отверстия и щелей абсолютная скорость счета в максимуме изображений была в несколько раз меньше ожидаемого значения. Причина расхождения, возможно,
13
связана с наличием довольно значительной компоненты незеркального отражения. Последнее, не сильно сказываясь на качестве изображения отверстия и шели, может существенно снизить контраст изображения объекта, имеющего относительно большую площадь прозрачности.
Кроме того, сделанные оценки разрешения прибора являются не вполне корректными, поскольку они основываются на расчетном увеличении микроскопа. Представлялось необходимым осуществить полное экспериментально замкнутое испытание комплекса, то есть, провести прямое измерение нейтронно-оптического увеличения комплекса.
Оба эти обстоятельства заставили поставить опыт по наблюдению изображения периодического тест-объекта (миры), состоящего из чередующихся прозрачных и непрозрачных полос равной ширины. Период миры 66.7 мкм. Полосы располагались горизонтально. При этом гравктэционный хроматизм, если он не был полностью скомпенсирован, должен проявиться максимальным образом. Объект изготовлен методом фотолитографии 58Ni на тонком (140 мкм) стекле. Предварительно было проверено, что эта стеклянная подложка практически не поглощает УХН. К сожалению, в этом опыте интенсивность УХН была снижена примерно ЕДЕое, что ухудшило отношение эффекта к фону.
Тем не менее, удалось получить' изображение [6], которое имеет вполне удовлетворительный контраст (рис. 14). В изображении миры программным образом "вырезаны" области повышенного шума детектора. В этом опыте детектор с квадрантным анодом был заменен на детектор с анодом в виде клиньев и полос. Такой прибор при равном разрешении имеет большую рабочую область и хорошую линейность по полю.
На рис. 15 показана зависимость счета нейтронов от координаты при поперечном сечении изображения миры.
Таким образом, было показано, что диффузное отражение, если оно и существует, не является существенным .препятствием для получения изображений объектов с большой площадью светимости.
Ранее отмечалось, что в горизонтальных схемах увеличение нейтронного изображения должно быть равно обычному оптическому. Опираясь на рис. 15 и зная калибровку детектора, было получено подтверждение этого вывода. Найденное из обработки сечения экспериментальное увеличение раЕНо 47.1+0.2. Таким образом, опыт с мирой экспериментально доказал равенство нейтронного и оптического увеличений в схемах с горизонтальным ходом нейтронных лучей. Одновременно становятся экспериментально замкнутыми сделанные из оштое с отверстием и щелями оценки разрешения, прибора.
В экспериментах не удалось достичь разрешения лучше 17 мкм,
хотя теоретическая оценка равна 6 мкм. Причиной этого могут являться несколько фактов. Остановимся на некоторых кг них:
1. Неправильная сборка микроскопа, в частности неточная установка оборотной системы относительно объектива. Если положение плоскости детектора^можно проконтролировать по световому каналу, то положение оборотной системы не поддается оптическому контролю и может быть установлено только в соответствии с расчетом. Однако как показали расчеты, объяснить несоответствие экспериментального и теоретических разрешений только неправильной сборкой нельзя. Дажэ при достаточно грубой установке, (положение оборотной системы смещено относительно оптимального на 5 мм) теоретическое разрешение все же лучше 7 мкм. Реальная же точность сборки была заметно Еыше.
2. Спектр нейтронов значительно мягче, чем преполагалось. Дело в том, что с уменьшением скорости нейтроноЕ резко увеличиваются геометрические аберрации. Это предположение также отЕегается расчетом. Если е расчете положить, что все нейтроны имеют скорость v = А м/с, раЕную граничной скорости конвертора (более медленные нейтроны вообще не могут быть зарегистрированы), то разрешение оказывается равным ю мкм.
3. Причиной некоторого незначительного ухудшения качества кзо'рзжения мокет быть некоторый достаточно экзотический эффект, имеющий место при отражении нейтронной волны с волновым фронтом произвольной формы. Дело в том, что сдвиг фаз между • падающей и отраженной от поверхности волнами определяется только нормальной компонентой скорости нейтрона и не зависит от ее полного знзченкя. Следовательно, поскольку угол падения различных лучей-нейтронов также различен, то вдоль плоскости отражавшей поверхности имеет место дополнительный, зависящий от угла падения, сдвиг фаз. Таким образом, соотношение между углам: падения и отражения различны для разных лучей. Это, в принципе-, приводит к появлению специфически геометрических хроматических аберраций отражения. Такие аберрации могут иметь место при отражении сферической нейтронной волны от поверхности вещества.
В отличие от ранее рассмотренных аберраций, этот вид искажений возрастает с увеличением скорости нейтрэноЕ и достигает максимума при v = i> . Оценки показывают, что спектральная область, где влияние аберраций отражения значительно, ничтожно мала. Поэтому этот вид искажений существенного влияния на качество изображения не имеет.
4. Заметное влияние на работу микроскопа мохет оказать
вибрация. Б главе 5 показано, что ЕИбрация малой амплитуда (А = 1 мкм) и высокой частоты J1 < v < 1000 Гц) ухудшает разрешение до б 5 1S мкм. В процессе эксперимента были предприняты измерения амплитуды вибраций. Она составила величину . порядка 1 мкм при частотах в десятки герц и падала в области высоких частот. Вибрационная ситуация была оценена как совершенно благополучная, поскольку не был' известен механизм усиления в области высоких частот. Однако, принимая во внимание этот фактор следует, вероятно, проявить большую осторожность при интерпретации результатов измерений уровня вибраций.
5. Частично диффузное отражение. Ранее отмечалось4/ что в экспериментах по получению изображений отверстия и щелей абсолютная скорость счета е максимуме изображений была в несколько раз меньше ожидаемого значения. Вероятной причиной этого является диффузное отражение. По-видимому, в микроскопе нейтроны отражаются как зеркально, так и диффузно, причем, может иметь место и некоторая промежуточная ситуация. Назовем такое отражение частично диффузным. В отличии от чисто диффузного отражения, которое приводит к уменьшению контраста изображения, этот эффект может ухудшить разрешение микроскопа.
Частично диффузное отражение известно в оптике вакуумного ультрафиолета. Причем индикатрисса рассеяния отраженных лучей уширяется с увеличением угла скольжения. Заметим, что в нейтронном микроскопе углы падения на отражающие поверхности объектива близки к нормальному. Поэтому, если этот эффект есть, то в нейтронном микроскопе от должен проявляться максимальным образом.
По-видимому, наиболее вероятными причинами несоответствия теории и эксперимента яеляются вибрация и частично диффузное отражение. Более полный ответ может дать только детальное экспериментальное исследование.
В заключении изложены возможные направления развития работ по нейтронной микроскопии, приведены основные результаты диссертационной работы, сформулированные следующим образом:
1. Разработан метод расчета нейтронно-оптических систем с произвольной ориентацией оптической оси, и сделан теоретический анализ гравитационных аберраций [1-8].
2. Предложен и рассчитан зеркальный апланатический микроскоп для ультрахолодных нейтронов [1]. При увеличении М=25Х, поле зрения s=o.6xo.6 миг для скорости нейтронов и=5.5+б.5 м/с теоретическое разрешение 6=2.2+3.6 мкм. Числовая апертура А=0.5. Рассчитанная схема признана
16
изобретением 12].
3. Предложен и рассчитан зеркальный нейтронный микроскоп с магнитной компенсацией граЕктационных искажений [31. При увеличении М=5ОХ, поле зрения s=o.3*o.3 мм2 для скорости нейтронов t>=4.5+6.0 м/с теоретическое разрешение 6=0.1+0.3 мкм. Числовая апертура А=0.5.
4. Предложен и рассчитан нейтронный микроскоп с горизонтальным ходом лучей и оборотной системой [4]. При увеличении М=47.2*, голе зрения s=0.25x0.25 мм2 для скорости нейтронов и=4.5+6.8 м/с теоретическое разрешение б лучше 6 мкм. Числовая апертура А=0.5. Рассчитанная схема признана изобретением.
5. Создано два низкофоновых позиционно-чувствительных детектора нейтронов с автоматизированным сбором информации [10]. Разрешение приборов лучше зоо мкм, рабочие поверхности равны sI=30 мм^ и S2*45O мм2, соответственно, для первого и второго детектора.
6. Проведены эксперименты по регистрации позиционно-чувствительным детектором УХН двумерных изображений в горизонтальном нейтронном микроскопе [2-3]. Результаты экспериментов подтверждают правильность сделанных автором расчетов.
С завершением настоящей работы, по-видимому, можно утверждать, что период решения физических основ построения нейтронного микроскопа завершон. Дальнейшая работа над прибором будет определяться конкретными заинтересованностями в тех или иных исследованиях.
Результаты, вошедшие в диссертацию, докладывались на ежегодных конференциях ООЯФ ЙАЭ им. И.В. Курчатова (1985,1987,1990,1991), 1 Международной конференции по нейтронной физике (КиеЕ, 1987), Рабочем совещайся по исследованиям в области ядерной физики на реакторе Пик (Гатчина, 1988), Международной конференции Эрнст Аббе (Берлин, 1989), Международном совещании по фундаментальной физике с медленными нейтронами (Франция, Гренобль, 1989).
Автор глубоко признателен А.И. Франку за научное руководство, а также С.С. Арзуманову, СВ. Масаловичу, С.А. Сабельникову в соавторстве с которыми были выполнены все экспериментальные работы и всему коллективу лаборатории нейтронных исследований, где была выполнена эта работа.
Автор благодарен М.М. Русинову, И.А. Карасевой, Ю.В. Кудряшову за полезное сотрудничество при проектировании
17
горизонтального нейтронного микроскопа.
Автор благодарен Т.А. Архиповой, М.К. Смирновой,
М.З. Купцовой, М.Т. Пахомову, Е.В. Турбину за поддержку при создании позиционно-чувствительного детектора.
Автор благодарен А.П. СереЗроЕу за предоставленную возможность работать на пучке УХН реактора ЛИЯФ, а также Б.Г. Ерозолимскому, И.А. Кузнецову, К.В. Степаненко, А.Г. Харитонову, благодаря гостеприимству которых стало возможным проведение нейтронных измерений.
Представленные автором результаты изложены в следующих публикациях:
1. Стрепетов А.Н., Франк А.И. Зеркальный микроскоп с апланатическим объективом для ультрахолодных нейтронов -Письма в ЖТФ, 1986, вып. 2, с. 71-75-
2. А.с. JH297122 СССР, Мкл4 G21K 1/06. [Устройство для получения нейтронного изображения] Стрепетов А.Н., Франк А.И. Опубл. Б.И., 1987, #10, С. 242.
3. СтрепетоЕ А.Н., Франк А.И. Зеркальный нейтронный микроскоп с магнитной компенсацией гравитационных искажений - ЖТФ, 1986, Т. 56, # 9, С. 1775-1785.
4. А.с. #1334182 СССР, Мкл4 G21K 1/06. [Нейтронный микроскоп] -Буцевицкий А.В., Карасева К.А., Русинов М.М., Стрепетов А.Н., Франк А.И. Опубл. Б.К., 1987, #32, С. 204.
5. Карасева И.А., Масалович СВ., Русинов М.М., Стрепетов А.Н., Франк А.И. Нейтронный микроскоп на улътрахолодных нейтронах с горизонтальным ходом лучей - Нейтронная физика: Материалы 1 Международной конференции по нейтронной физике (Киев,1987), М.:ЦНИИатоминфоорм, 1988, т. 1, с. 216-220.
6. Арзуманов С.С, Карасева И.А., Кудряшов Ю.В., Масалович СВ., Русинов М.М., Стрепетов А.Н., Франк А.И. Горизонтальный нейтронный микроскоп: Препринт ИАЭ-4963/14, М.:ИАЭ, 1989. 16с.
7. МасалоЕич СВ., Стрепетов А.Н. Расчет оптических систем, основанных на использовании ультрахолодных нейтронов, с невертикальной осью в гравитационном поле - Препринт ИАЭ-4536/14, М.:ЦНЖатоминформ, 1987, 12с.
8. Rusinov M.M., Karaseva I.A., Frank A.I., Strepetov A.N., Masalovich S.V. The schema оГ the neutron microscope with horizontal oriention of optioal axes. - Abstracts. Ernst Abbe conference, Jena, 21.08.-26.08 1989, p. 45.
9- Арзуманов С.С, Масалович С.С, Сабельников А.А.,
Стрепетов А.Н., Франк А.И. Эксперименты с нейтронным
18

Получить работу