Численный расчет усиления электрического поля в нейтронных ловушках с покрытыми сверхтекучим гелием шероховатыми стенками
- Авторы: Кочев В.Д.1, Могилюк Т.И.2, Костенко С.С.3, Григорьев П.Д.1,4
-
Учреждения:
- Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
- Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук»
- Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики имени Л.Д. Ландау Российской академии наук
- Выпуск: Том 88, № 9 (2024)
- Страницы: 1459–1464
- Раздел: Физика конденсированного состояния вещества
- URL: https://medbiosci.ru/0367-6765/article/view/283426
- DOI: https://doi.org/10.31857/S0367676524090185
- EDN: https://elibrary.ru/OCWAOA
- ID: 283426
Цитировать
Полный текст
Аннотация
Пленка жидкого гелия на поверхности материальных ловушек ультрахолодных нейтронов защищает нейтроны от поглощения стенками ловушек. Используя шероховатость поверхности и электростатическое поле, можно удерживать гелиевую пленку достаточной толщины на всей высоте ловушки. В работе выполнен расчет распределения поля вблизи острия такой шероховатости стенки ловушки и оценено влияние этого поля на удержание гелия.
Ключевые слова
Полный текст
Введение
Для физики элементарных частиц, астрофизики и космологии очень важным параметром является время жизни нейтрона 𝜏n [1–5]. От него зависит процесс первичного нуклеосинтеза после Большого взрыва, а в сочетании с данными измерений спин-электронной асимметрии в экспериментах по распаду поляризованных нейтронов [6–8] можно получить отношение векторной и аксиальной констант связи слабого взаимодействия.
К настоящему времени прецизионные измерения времени жизни нейтрона 𝜏n делают с использованием специальных ловушек (т. н. нейтронных бутылок [9–13]) для ультрахолодных нейтронов (УХН), в которых УХН сверху удерживаются гравитационным полем, а снизу и по бокам – материалом, слабо поглощающим нейтроны и создающим потенциальный барьер 𝑉0. Последние измерения, проведенные с использованием таких ловушек [12], дают значение 𝜏n = 881.5 ± 0.7 (стат.) ± 0.6 (сист.) секунды (здесь и далее приведены также оценки статистической и систематической погрешностей). Наличие у нейтрона магнитного момента позволяет использовать метод магнито-гравитационного захвата УХН [14–19], и последние измерения с использованием этого метода [19] дают 𝜏n = 877.75 ± ± 0.28 (стат.) +0.22/–0.16 (сист.) секунды. Заявленная ошибка этих методов не превышает 1 с, однако полученные значения 𝜏n различаются почти на 4 с, т. е. доверительные интервалы значений, полученных разными методиками, даже не накладываются. Предположительно, это расхождение возникает из-за недооценки потерь УХН в как в материальных, так и в магнитных ловушках. В магнитных ловушках эта недооценка может быть связана с переворотом спина нейтрона в неоднородном магнитном поле , которое в силу условия и неоднородности кроме компоненты вдоль оси 𝑧 обязательно содержит перпендикулярные компоненты, переворачивающие спин. В материальных ловушках ошибки оценки потерь УХН из-за поглощения нейтронов стенками ловушек могут возникнуть из-за шероховатостей стенок, из-за неучтенных примесей, из-за ошибок геометрической экстраполяции, и т. д. Основной альтернативой использованию УХН для измерения 𝜏n является метод пучка холодных нейтронов [20–22], который дает 𝜏n = 887.7 ± 1.2 (стат.) ± 1.9 (сист.) секунды [21], и это значение расходится со значениями, полученными другими методами еще больше, что является известной и до сих пор не разрешенной проблемой.
Скорость утечки нейтронов из материальных ловушек УХН зависит от типа материала, которым покрыты стенки и дно ловушки. На данный момент чаще всего используют масло Fomblin [9–12], которое удерживают на низкой температуре (𝑇 < 90 К) с целью уменьшения неупругого рассеяния нейтронов. Серьезной проблемой является шероховатость поверхности, которая делает невозможным точный расчет вероятности потери УХН при каждом столкновении. Отношение поверхности к объему в материальных ловушках и потери УХН на стенках ловушки можно уменьшить, увеличив размер ловушки, однако дальнейшее увеличение размера ловушек УХН кажется технически сложным и не очень полезным, поскольку основные потери нейтронов происходят при их столкновениях с дном ловушки, а не со стенками. Скорость столкновений нейтронов с дном ловушки определяется кинетической энергией УХН вдоль оси z и не зависит от размера ловушки. Следовательно, точность измерений 𝜏n в традиционных ловушках УХН, по-видимому, достигла своего предела.
Использование сверхтекучего гелия в качестве барьера для нейтронов
Возможным улучшением методики, теоретически позволяющим дальнейшее снижение скорости утечки нейтронов из ловушек УХН является предложенное нами [23–25] покрытие шероховатых стенок ловушки за счет ван-дер-ваальсового притяжения тонкой пленкой жидкого сверхтекучего 4He, который не поглощает нейтроны [26–28]. Главная проблема этой идеи в том, что толщина пленки 4He на боковых стенках слишком тонкая 𝑑He ≈ 10 нм, в то время как глубина проникновения нейтронов в жидкий 4He составляет 33.3 нм. Эта проблема решается подачей разности потенциалов между боковой стенкой ловушки УХН и электродом, что приводит к усилению электрического поля около шероховатостей стенки. В результате происходит притяжение 4He к остриям шероховатостей, и толщина слоя выравнивается (см. рис. 1 в [25]). Искусственно делать шероховатыми и прикладывать электрическое напряжение имеет смысл только к боковым стенкам ловушки УХН, поскольку толщина пленки гелия на дне ловушки определяется только количеством жидкого гелия и может быть сделана произвольной. У обычной материальной ловушки УХН нет верхней крышки, УХН сверху удерживаются силой тяжести. Чтобы избежать потери гелия из-за подъема по стенкам вверх и дальнейшего утекания из ловушки, можно (1) использовать крышку, (2) налить гелий с другой стороны стенок, (3) препятствовать перетеканию гелия по стенкам ловушки. Приложенное электрическое поле и шероховатая поверхность стенки могут задержать гелий, так как его перетекание через острие теперь усложняется как утончением пленки, так и преодолением электростатического притяжения к области высокого поля. Утекание и другие потери гелия из ловушки УХН требуют дальнейшего изучения. Важно, чтобы гелий остался в ловушке за время бета-распада нейтрона 𝜏n ≈ 15 мин.
Рис. 1. Расчетная сетка конечных элементов для пирамид размером 𝑙R = ℎR = 1 мкм. Цветом показано распределение коэффициента усиления электрического поля .
У предложенной конфигурации, однако, есть ряд недостатков. Во-первых, 4He обеспечивает очень малый оптический потенциальный барьер 18.5 нэВ для нейтронов, что значительно меньше барьера 106 нэВ масла Fomblin. Фазовый объем УХН и их плотность в ловушке 4He уменьшается на фактор 13.7 по сравнению с покрытием Fomblin, что увеличивает статистическую ошибку. Однако этот недостаток компенсируется развитием установок, генерирующих нейтроны [29–30]. Во-вторых, требуется очень низкая температура 0.5 K, при которой концентрация пара 4He, неупруго рассеивающего нейтроны, экспоненциально мала (так, энергия испарения одного атома 4He составляет 7.17 К ≈ ≈ 0.62 мэВ). При более высокой температуре пар 4He неупруго рассеивает УХН, придавая им энергию .
Основным источником неупругого рассеяния УХН в ловушке с жидким 4He при температуре ниже 0.5 К являются риплоны – кванты поверхностных волн, приводящие к линейной зависимости скорости рассеяния нейтронов от температуры [31], которая сохраняется даже при сверхнизких температурах. Однако сила взаимодействия нейтронов с риплонами довольно мала, что делает возможным хранение УХН в ловушках, покрытых 4He. Более того, линейная зависимость потерь УХН от их рассеяния на риплонах очень удобна для учета этой систематической ошибки.
В нашей работе [25] были предложены варианты геометрии электрода в ловушке и приведены оценки необходимой для достижения достаточного притяжения 4He разности потенциалов между электродом и ловушкой, ~ 0.5–1.2 кВ в зависимости от выбранной геометрии. Кроме того, было оценено влияние этого электрического поля на дисперсию риплонов. Однако численный расчет и количественные оценки необходимого электрического напряжения для удержания пленки жидкого 4He необходимой толщины в работе [25] были получены только для двумерной искусственной шероховатости стенок в виде периодических треугольных бороздок. В этой работе мы проводим численный расчет для трехмерной искусственной шероховатости стенок в виде периодической сетки из квадратных пирамид. Ожидается, что трехмерная модель шероховатой стенки дает большее усиление электрического поля вблизи острия шероховатостей (т. е. вершины пирамид в нашем случае), чем двумерная искусственная шероховатость. Это может упростить создание ловушек УХН нового типа, необходимых для измерения времени бета-распада нейтрона и для других нейтронных экспериментов.
Эффект усиления электрического поля вблизи вершины острой эквипотенциальной иглы радиусом 𝑟e [32] по сравнению с периодической двумерной шероховатостью анализируется в (27) и (28) нашей статьи [25], а также в обсуждении после этого уравнения. Соответствующий выигрыш дается формулой , где 𝑙R – это период шероховатости, а 𝑟 – расстояние до острия иглы. Из-за перехода от двумерной к трехмерной шероховатости стенки он оказывается значительным и позволяет уменьшить приложенное электрическое напряжение в несколько раз. Однако в реальных экспериментах шероховатость в виде тонких игл, соответствующих нулевому углу вершины, будет слишком хрупкой, поэтому полезен расчет усиления электрического поля вблизи трехмерной шероховатости в виде пирамиды с конечным углом вершины ≳ 45°. Такие пирамиды будут намного менее хрупкими и более устойчивыми как к механическим, так и к электростатическим напряжениям. Ниже приведены результаты такого расчета и их анализ.
численный Расчет усиления электрического поля вблизи шероховатостей стенки
В статье [25] мы аналитически вывели формулу (13) коэффициента усиления электрического поля 𝐸(𝑟)/𝐸0 вблизи треугольного острия шероховатости в двумерном случае:
(1)
где β = arctan (2ℎR / 𝑙R) – угол между боковой стороной треугольной шероховатости и шириной шероховатости 𝑙R; ℎR – высота шероховатости.
В данной работе мы рассматриваем трехмерную модель шероховатой стенки в виде периодичной в двух направлениях эквипотенциальной (φ = 0) сетки из квадратных пирамид, находящейся на расстоянии от плоского электрода (φ = φ0). Параметрами 𝑙R и ℎR задаются, соответственно, как ширина основания и высота пирамиды (см. рис. 1 в [25]). Пирамиды плотно примыкают друг к другу, т. е. 𝑙R также является расстоянием между вершинами пирамид и периодом вдоль обоих направлений вдоль боковой стенки.
Нами было произведено численное решение уравнения Лапласа для электрического потенциала с разностью потенциалов φ0 между шероховатой сеткой и электродом и с периодическими граничными условиями между пирамидами, после чего было найдено распределение электрического поля по объему задачи. Уравнение было решено методом конечных элементов с использованием пакета deal.II [33]. Исходная сетка конечных элементов была сгенерирована с помощью пакета Gmsh [34], пример расчетной сетки показан на рис. 1.
На рис. 2 показана зависимость коэффициента усиления электрического поля 𝐸(𝑟)/𝐸0 от расстояния до острия пирамиды. Высота пирамиды была взята равной ℎR = 1 мкм. Видно, что для острой пирамиды с узким основанием 𝑙R = 1 мкм поле вблизи острия гораздо сильнее, чем для пологой пирамиды с основанием 𝑙R = 10 мкм. Так, на расстоянии 0.025 мкм усиление примерно в 3 и в 1.9 раза соответственно. На расстоянии 0.1 мкм в обоих случаях усиление примерно в 1.5 раза. Пунктирной линии соответствует формула (1), можно заметить, что качественно эффект в двумерном и трехмерном случаях не отличается.
Рис. 2. Усиление электрического поля вблизи острия шероховатости стенки ловушки.
На рис. 3 показан тот же график в двойном логарифмическом масштабе (расстояние 𝑟 нормировано на ширину основания 𝑙R ). Видно, что в обоих случаях зависимость может быть фитирована степенным законом с 𝛼 ≈ 0.5 и 0.2 соответственно. Этот результат согласуется с анализом уравнения Лапласа в схожих граничных условиях (с конусом вместо пирамиды) [35], однако показатель степени 𝛼 оценен ранее не был. Кроме того, в [35] рассматривался единичный конус, а не периодическая система, как в нашем случае.
Рис. 3. Кривые из рис. 2 в двойном логарифмическом масштабе.
Оценим теперь величину электрического поля вдали от шероховатостей 𝐸0, которое требуется для достижения достаточного притяжения 4He к шероховатостям. В ловушке могут удерживаться только нейтроны с кинетической энергией , этому соответствует высота нейтронов над дном «нейтронной бутылки» не более mng ≈ 18 см. На этой высоте электрическое поле (без учета коэффициента усиления, т. е. если считать его однородным) должно быть не меньше 𝐸 ≥ 𝐸∗= 230 кВ∙см–1 [24]. Нас интересует толщина пленки сверхтекучего 4He, достаточная для создания потенциального барьера для нейтронов 𝑑 ≈ 0.1 мкм [23], на которой коэффициент усиления приблизительно равен 1.5, откуда поле вдали от шероховатостей 𝐸0 ≈ 150 кВ∙см–1. Хотя это достаточно сильное поле, оно является теоретически достижимым (на порядок меньше поля диэлектрического пробоя 𝐸max > 1 МВ∙см–1 [36]).
Обсуждение
Мы исследовали, насколько переход от двумерной искусственной шероховатости эквипотенциальной поверхности в виде периодически расположенных треугольных бороздок к трехмерной шероховатости в виде периодически расположенных квадратных пирамид усиливает электрическое поле вблизи вершин пирамид. Двумерная шероховатость соответствует дифракционным решеткам, производство которых уже давно развито [37] и которые доступны для покупки. Трехмерная шероховатость в виде четырехугольных пирамид не сильно сложнее для производства, но все же требует затрат, поэтому переход от двумерной к трехмерной шероховатости стенки обоснован только в том случае, если выигрыш заметен.
Наши расчеты показали, что выигрыш от такого перехода существенен, только если угол вершины пирамиды достаточно мал и расстояние до вершины не слишком велико. Поскольку острая вершина более хрупкая, мы провели расчет конфигурации, когда сторона пирамиды с основанием 𝑙R не меньше высоты пирамиды ℎR, т. е. когда боковые грани пирамиды имеют угол наклона боковой грани β ≤ 63.4°, что соответствует углу вершины грани θ = = π−2 β ≥ 53.2°. Как следует из рис. 2 и 3, даже при таком угле пирамиды значительное усиление электрического поля возникает на расстоянии меньше 0.1 мкм от вершины пирамиды. На расстоянии больше 70 нм от вершины выигрыш из-за перехода от двумерной к трехмерной шероховатости стенки практически отсутствует. Как было показано в работе [23] (см. рис. 4 статьи [23]), для надежной защиты УХН от поглощения стенкой сосуда (для уменьшения скорости поглощения УХН более чем в 100 раз) требуется толщина пленки жидкого 4He более 0.1 мкм. При толщине 70 нм усредненная по энергии нейтронов скорость потерь УХН из-за поглощения стенками сосуда составляет только один порядок величины. Это тоже существенно, поскольку речь идет только о потерях вблизи вершины шероховатостей, в то время как на основной площади поверхности стенки толщина пленки 4He превышает необходимые 0.1 мкм. Кроме того, для удержания пленки необходимой толщины на высоте меньшей чем ℎmax ≈ 18 см (что соответствует максимальной энергии УХН в ловушке ≈ 18.5 нэВ) требуется меньшее электрическое поле. Тем не менее, полученный в результате наших расчетов выигрыш из-за перехода от двумерной к трехмерной шероховатости поверхности стенок УХН оказался меньше ожидаемого. Вероятно, этот выигрыш не стоит усилий по созданию трехмерной шероховатости в виде пирамид вместо двумерной шероховатости в виде более привычной треугольной дифракционной решетки.
Заключение
Предложенное полное покрытие стенок ловушки ультрахолодных нейтронов (УХН) жидким 4He может привести к появлению нового поколения ловушек для ультрахолодных нейтронов с очень долгим временем хранения. Это может значительно улучшить точность измерений времени жизни нейтронов и других экспериментов с ультрахолодными нейтронами. В работе исследуется возможность и необходимые условия для удержания пленки 4He необходимой толщины шероховатостью поверхности и электростатическим полем. Наименьшая толщина пленки гелия возникает вблизи острия, где выигрыш от притяжения Ван-дер-Ваальса гелия к стенкам наименьший. Именно вблизи острия электрическое поле на эквипотенциальной поверхности максимально и может компенсировать уменьшение сил Ван-дер-Ваальса. Наши численные расчеты распределения электрического поля для разной формы острия шероховатости показали, что форма шероховатости в виде треугольной дифракционной решетки почти так же эффективна, как более сложная трехмерная шероховатость в виде периодически расположенных пирамид.
Исследование выполнено за счет гранта Российского научного фонда № 23-22-00312, https://rscf.ru/project/23-22-00312/
Об авторах
В. Д. Кочев
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»
Email: grigorev@itp.ac.ru
Россия, Москва
Т. И. Могилюк
Федеральное государственное бюджетное учреждение «Национальный исследовательский центр «Курчатовский институт»
Email: grigorev@itp.ac.ru
Россия, Москва
С. С. Костенко
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки «Федеральный исследовательский центр проблем химической физики и медицинской химии Российской академии наук»
Email: grigorev@itp.ac.ru
Россия, Черноголовка
П. Д. Григорьев
Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего образования «Национальный исследовательский технологический университет «МИСИС»; Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт теоретической физики имени Л.Д. Ландау Российской академии наук
Автор, ответственный за переписку.
Email: grigorev@itp.ac.ru
Россия, Москва; Черноголовка
Список литературы
- Abele H. // Progr. Part. Nucl. Phys. 2008. V. 60. No. 1. P. 1.
- Ramsey-Musolf M.J., Su S. // Phys. Reports. 2008. V. 456. No. 1. P. 1.
- Dubbers D., Schmidt M.G. // Rev. Mod. Phys. 2011. V. 83. No. 4. P. 1111.
- Wietfeldt F.E., Greene G.L. // Rev. Mod. Phys. 2011. V. 83. No. 4. P. 1173.
- Gonzalez-Alonso M., Naviliat-Cuncic O., Severijns N. // Progr. Part. Nucl. Phys. 2019. V. 104. P. 165.
- Liu J., Mendenhall M.P., Holley A.T. et al. // Phys. Rev. Lett. 2010. V. 105. No. 18. Art. No. 181803.
- Märkisch B., Mest H., Saul H. et al. // Phys. Rev. Lett. 2019. V. 122. No. 24. Art. No. 242501.
- Sun X., Adamek E., Allgeier B. et al. // Phys. Rev. C. 2020. V. 101. No. 3. Art. No. 035503.
- Serebrov A.P., Varlamov V.E., Kharitonov A.G. et al. // Phys. Rev. C. 2008. V. 78. No. 3. Art. No. 035505.
- Arzumanov S., Bondarenko L., Chernyavsky S. et al. // Phys. Lett. B. 2015. V. 745. Art. No. 79.
- Cеребров А.П., Коломенский Е.А., Фомин А.К. и др. // Письма в ЖЭТФ. 2017. Т. 106. № 10. С. 599; Serebrov A.P., Kolomenskiy E.A., Fomin A.K. et al. // JETP Lett. 2017. V. 106. No. 10. P. 623.
- Serebrov A.P., Kolomenskiy E.A., Fomin A.K. et al. // Phys. Rev. C. 2018. V. 97. No. 5. Art. No. 055503.
- Pattie R. ., Callahan N.B., Cude-Woods C. et al. // EPJ Web Conf. 2019. V. 219. Art. No. 03004.
- Huffman P.R., Brome C.R., Butterworth J.S. et al. // Nature. 2000. V. 403. No. 6765. P. 62.
- Leung K.K.H., Geltenbort P., Ivanov S. et al. // Phys. Rev. C. 2016. V. 94. No. 4. Art. No. 045502.
- Steyerl A., Leung K.K.H., Kaufman C. et al. // Phys. Rev. C. 2017. V. 95. No. 3. Art. No. 035502.
- Ezhov V.F., Andreev A.Z., Bazarov B.A. et al. // JETP Lett. 2018. V. 107. No. 11. P. 671.
- Pattie R.W., Callahan N.B., Cude-Woods C. et al. // Science. 2018. V. 360. No. 6389. P. 627.
- Gonzalez F.M., Fries E.M., Cude-Woods C. et al. // Phys. Rev. Lett. 2021. V. 127. No. 16. Art. No. 162501.
- Nico J.S., Dewey M.S., Gilliam D.M. et al. // Phys. Rev. C. 2005. V. 71. No. 5. Art. No. 055502.
- Yue A.T., Dewey M.S., Gilliam D.M. et al. // Phys. Rev. Lett. 2013. V. 111. No. 22. Art. No. 222501.
- Hirota K., Ichikawa G., Ieki S. // Progr. Theor. Exp. Phys. 2020. V. 2020. No. 12. Art. No. 123C02.
- Grigoriev P.D., Dyugaev A.M. // Phys. Rev. C. 2021. V. 104. No. 5. Art. No. 055501.
- Григорьев П.Д., Дюгаев А.М., Могилюк Т.И., Григорьев А.Д. // Письма в ЖЭТФ. 2021. Т. 114. № 8. С. 560; Grigoriev P.D., Dyugaev A.M., Mogilyuk T.I., Grigoriev A.D. // JETP Lett. 2021. V. 114. No. 8. P. 493.
- Grigoriev P.D., Sadovnikov A.V., Kochev V.D., Dyugaev A.M. // Phys. Rev. C. 2023. V. 108. No. 2. Art. No. 025501.
- Golub R., Jewell C., Ageron P. et al. // Z. Phys. B. Cond. Matter. 1983. V. 51. No. 3. P. 187.
- Bokun R.C. // Sov. J. Nucl. Phys. 1984. V. 40. No. 1. P. 287.
- Aлфименков В.П., Игнатович В.К., Межов-Деглин Л.П. и др. // Препринт ОИЯИ. № 3-2009-197. Дубна, 2009.
- Aлексеев И.Е., Белов С.Е., Ершов К.В. // Изв. РАН. Сер. физ. 2022. T. 86. № 9. С. 1315; Alekseev I.E., Belov S.E., Ershov K.V. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2022. V. 86. No. 9. P. 1088.
- Григорьев С.В., Коваленко Н.А., Павлов К.А. и др. // Изв. РАН. Сер. физ. 2023. T. 87. № 11. С. 1526; Grigoriev S.V., Kovalenko N.A., Pavlov K.A. et al. // Bull. Russ. Acad. Sci. Phys. 2023. V. 87. No. 11. P. 1561.
- Grigoriev P.D., Zimmer O., Grigoriev A.D., Ziman T. // Phys. Rev. C. 2016. V. 94. No. 2. Art. No. 025504.
- Florkowska B., Wlodek R. // IEEE Trans. Electr. Insul. 1993. V. 28. No. 6. P. 932.
- Arndt D., Bangerth W., Davydov D. et al. // J. Comput. Math. Appl. 2021. V. 81. P. 407.
- Geuzaine C., Remacle J.F. // Int. J. Numer. Meth. Eng. 2009. V. 79. No. 11. P. 1309.
- Marchetti S., Rozzi T. // IEEE Trans. Antennas Propag. 1990. V. 38. No. 9. P. 1333.
- Ito T.M., Ramsey J.C., Yao W. et al. // Rev. Sci. Instrum. 2016. V. 87. No. 4. Art. No. 045113.
- Bourgin Y., Jourlin Y., Parriaux O. et al. // Opt. Express. 2010. V. 18. No. 10. P. 10557.
Дополнительные файлы
