РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В УСТАНОВКЕ ПО НАКОПЛЕНИЮ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ Текст научной статьи по специальности «Физика»

РАСЧЕТ ТЕПЛОВЫХ ПОТОКОВ В УСТАНОВКЕ ПО НАКОПЛЕНИЮ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ

Ефимов В.Б.

Институт физики твердого тела РАН, Черноголовка, Россия, victor_efimov@yahoo.co.uk

Проблема накопления ультра-холодных нейтронов (УХН) является одной из фундаментальных задач нейтронной физики. Возможность увеличения плотности УХН с тепловой энергией ~ мК в экспериментальном объеме позволит проводить измерения по поиску электрического дипольного момента нейтрона. Другой возможный экспериментальный результат такого подхода — это измерение с высокой точностью времени жизни нейтрона [1].

Разрабатываемые в настоящее время источники УХН имеют несколько ступеней тепловой защиты рабочей камеры и термализации нейтронов. В рассматриваемой схеме вводится еще один этап охлаждения нейтронов -последовательная термализация нейтронов в сверхтекучем гелии-4. При этом холодные нейтроны проникают через стенку камеры с гелием и выходят из нее, а ультра-холодные отражаются, поэтому возможен эффект накопления УХН до плотности, определяемой временем хранения в ловушке. Время хранения УХН определяется несколькими процессами: временем жизни нейтрона, процессом взаимодействия со нейтрона от стенок и временем взаимодействия УХН с возбуждениями в сверхтекучем гелии, которое сильно зависит от температуры сверхтекучего гелия. Снижение температуры с 1.15 К до 0.8 К увеличивает время взаимодействия с ротонами на порядок и дает оценку для времени жизни УХН в гелии ¿№-600 сек.

Достижение поставленной температурной задачи возможно с использованием откачки 3Не, но технически камеры термализующего 4Не и откачки 3Не разнесены на расстояние в несколько метров, что при тепловых потока к сверхтекучему гелию после всех систем тепловой защиты минимально в -20 Вт может представлять сложную теплофизическую проблему. Перенос тепла в сверхтекучем гелии может проходить по трем механизмам: баллистический перенос тепла фононами, но в интересующем нас температурном диапазоне пробеги фононов существенно меньше размеров теплопровода (для тестовых экспериментов D-1 мм) и противоток нормальной и сверхтекучей компонент. В зависимости от скорости этого противотока такое течение может быть ламинарным или турбулентным и так как плотности теплового потока в реальной установке будут больше 50 мВт/см2, то это характерно для турбулентного развития вихревой системы [2]. В работе мы оценили вклад различных механизмов в перенос тепла в зависимости от размеров системы. Оценки показывают, что при модельных экспериментах с диаметром теплопровода со сверхтекучим гелием в 1 мм вклад ламинарного течения в общий результат градиента температуры будет на порядок меньше турбулентного сопротивления (1 мК/м для 1.0 К и 35 мК/м для 0.8 К и для трубки в 2 мм в 4 раза меньше), что нужно рассматривать при проведения тестовых экспериментов как экспериментальную ошибку и учитывать при масштабировании результатов измерения к размерам реальной установки. Литература

1. Серебров А.П. // Вест. Российской академии наук. - 2009 - Т. 79. - С. 23-35.

2. Ефимов В.Б. // УФН. - 2023 - Т. 193. - № 1. - 63.