Устройство для формирования моноэнергетических нейтронных пучков низких энергий
Устройство предназначено для формирования моноэнергетических нейтронных пучков из газа ультрахолодных нейтронов (УХН) и может быть использовано на любом источнике УХН с широким спектром по энергии. Устройство включает камеру удержания ультрахолодных нейтронов с входным и выходным отверстиями, установленное с возможностью перемещения внутри камеры удержания средство взаимодействия с нейтронами, включающее полиэтиленовый элемент, причем для формирования моноэнергетических пучков устройство снабжено подключенным к выходному отверстию камеры удержания выводящим нейтроны каналом (в рабочем положении он должен быть расположен вертикально), имеющим выходное окно из алюминиевой фольги, средство взаимодействия с нейтронами выполнено в виде полиэтиленового диска-поглотителя, дно камеры удержания ультрахолодных нейтронов выполнено с искусственной макрошероховатостью поверхности, стенки камеры удержания ультрахолодных нейтронов и стенки выводящего нейтроны канала покрыты жидким фторополимером. 1 н.п. ф-лы, 2 илл.
Предложенное техническое решение, полезная модель, предназначено для формирования моноэнергетических нейтронных пучков из газа ультрахолодных нейтронов (УХН), в частности, для формирования моноэнергетических нейтронных пучков ускорением нейтронов в поле тяжести при падении их в вертикальном нейтроноводе с жидкостными зеркальными стенками. Устройство может быть эффективно использовано на любом источнике УХН с широким спектром по энергии. Потребность в пучках моноэнергетических нейтронов низких энергий высока и обусловлена активно развивающимися исследованиями по применению холодных и ультрахолодных нейтронов для ядерной физики и в нейтронно-физических исследованиях твердого тела.
Задача получения монохроматических нейтронных пучков низких энергий обычно решалась применением дорогостоящих время - пролетных селекторов с механическими прерывателями, которые устанавливались на горизонтальных или вертикальных нейтроноводах реакторов. Устройства такого типа описаны, например, в работах [1, 2]. Недостатком устройств такого типа является сравнительно низкое энергетическое разрешение выделяемых пучков. Так спектрометр, описанный в [2], имеет разрешающую способность по энергии порядка 20% для нейтронов с скоростью в интервале (1-100) м.с.-1
Известно устройство [3] для получения моноэнергетических пучков в диапазоне энергий УХН (скорость нейтронов от 0 до 7 м.с-1) на основе интерференционного фильтра, выделяющего из изотропного потока УХН нейтроны с заданной параметрами фильтра компонентой скорости нейтронов. Таким образом, интерференционный фильтр пропускает нейтроны не с заданной энергией, а с определенной компонентой скорости нейтронов по направлению к поверхности фильтра. Поэтому применение фильтра требует дополнительной коллимации выделенного потока УХН для получения моноэнергетического пучка, что приводит к потере интенсивности. Кроме того, для изменения энергии нейтронов необходимо изготовление нового фильтра, что возможно только для ограниченного набора энергий нейтронов. При этом формирование пучков интерференционными фильтрами реально только в ограниченном диапазоне энергий УХН. (масштаба 10 -7 эВ.)
Также, известно техническое решение SU 1083793, МПК G01T 3/00 "УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ РАСПРЕДЕЛЕНИЯ ПОТОКА УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ ВДОЛЬ НЕЙТРОВОДА".
Устройство для определения распределения потока ультрахолодных нейтронов вдоль нейтроновода, содержащее нейтроновод и детектор нейтронов, отличающееся тем, что, с целью повышения точности определения распределения потока нейтронов, оно снабжено цилиндром из ферромагнитного материала с высокой граничной энергией, который размещен в нейтроноводе, диском, изготовленным из водородосодержащего материала с нулевой граничной энергией и прикрепленным к торцу цилиндра, магнитом, снабженным средством перемещения, помещенным возле цилиндра и образующим с ним замкнутый магнитный контур, при этом детектор нейтронов расположен вне нейтроновода с возможностью перемещения относительно него. Причем указанный диск изготовлен из полиэтилена.
Однако, предложенное решение не формирует моноэнергетическую линию, не все нейтроны с энергией большей mgh (где m - масса нейтрона, g - ускорение свободного падения, h - высота), успевают достигнуть поглотителя и покинуть камеру, поскольку для поглощения необходимо, чтобы вертикальная компонента скорости нейтрона после какого-то соударения оказалась достаточной для подъема на высоту h. Соответственно, не обеспечено получение моноэнергетических пучков нейтронов, как ультрахолодного диапазона, так и более высоких скоростей (диапазон очень холодных нейтронов с энергией больше 2.0×10-7 эВ). В этом диапазоне устройство не работает
Наиболее близким к заявляемому устройству, является решение SU 1074260 МПК G01T 3/00, G01T 1/36, «УСТРОЙСТВО ДЛЯ ОПРЕДЕЛЕНИЯ ЭНЕРГЕТИЧЕСКОГО РАСПРЕДЕЛЕНИЯ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ, НАКОПЛЕННЫХ В СОСУДЕ».
Устройство содержит сосуд хранения, снабженный входным и выходным патрубками с заслонками и запирающей заслонкой, детектор ультрахолодных нейтронов, присоединенный к выходному патрубку, и шток, введенный внутрь сосуда, причем устройство снабжено детектором тепловых нейтронов, помещенным внутри сосуда хранения и заключенным в контейнер, на котором установлен нагреватель ультрахолодных нейтронов, при этом контейнер соединен со штоком,
причем в качестве нагревателя ультрахолодных нейтронов использован слой полиэтилена.
Однако, известное решение имеет следующие недостатки.
Устройство не формирует моноэнергетическую линию, не все нейтроны с энергией большей mgh, успевают достигнуть поглотителя и покинуть камеру, поскольку для поглощения необходимо, чтобы вертикальная компонента скорости нейтрона после какого-то соударения оказалась достаточной для подъема на высоту h. Поэтому формируемый спектр имеет примесь нейтронов с энергией большей mgh. Для уменьшения этой примеси необходимо увеличение времени пребывания нейтронов в объеме устройства. Однако увеличение времени пребывания приводит к большему поглощению нейтронов при ударах о стенки и уменьшению интенсивности получаемого потока.
Современные источники УХН на реакторах и ускорителях обеспечивают спектр потока УХН в интервале (0-2×10 -7) эВ. Устройство обеспечивает формирование спектров только в этом диапазоне энергий. Однако для большого количества экспериментов необходимы моноэнергетические пучки нейтронов, как ультрахолодного диапазона, так и более высоких скоростей (диапазон очень холодных нейтронов с энергией больше 2×10-7 эВ). В этом диапазоне устройство не работает.
Технической задачей предложенного решения является формирование моноэнергетической линии, чтобы все нейтроны с энергией большей mgh, успевали достигнуть поглотителя и покинуть камеру, получение моноэнергетических пучков нейтронов, как ультрахолодного диапазона, так и более высоких скоростей (диапазон очень холодных нейтронов с энергией больше 2.0×10-7 эВ).
Указанная техническая задача обеспечена использованием предложенной совокупности существенных признаков.
Устройство для формирования моноэнергетических нейтронных пучков низких энергий, включающее камеру удержания ультрахолодных нейтронов с входным и выходным отверстиями, установленное с возможностью перемещения внутри камеры удержания средство взаимодействия с нейтронами, включающее полиэтиленовый элемент, причем, оно дополнительно снабжено подключенным к выходному отверстию камеры удержания выводящим нейтроны каналом, имеющим выходное окно из Аl-фольги, средство взаимодействия с нейтронами выполнено в виде полиэтиленового диска-поглотителя, дно камеры удержания ультрахолодных нейтронов выполнено с искусственной макрошероховатостью поверхности, стенки камеры удержания ультрахолодных нейтронов и стенки выводящего нейтроны канала покрыты жидким фторополимером.
Описание предложенного решения
Указанные недостатки отсутствуют в предлагаемом устройстве для формирования моноэнергетических пучков УХН или очень холодных нейтронов методом ускорения нейтронов сверхмалых энергий в поле тяжести Земли.
Устройство поясняется графически.
На фиг.1 представлена схема устройства для формирования моноэнергетических нейтронных пучков ускорением нейтронов в поле тяжести при падении их в вертикальном канале с жидкостными зеркальными стенками.
На фиг.1 позициями обозначены:.
1 - патрубок источника УХН;
2 - входной нейтроновод;
3 - входное регулируемое отверстие;
4 - камера удержания УХН;
5 - шток диска-поглотителя;
6 - диск-поглотитель;
7 - выходное регулируемое отверстие;
8 - слой сферических шариков для создания макрошероховатости дна камеры;
9 - вертикальный канал;
10 - выходное окно из алюминиевой фольги.
Как показано на фиг.1, устройство состоит из входного нейтроновода 2, подсоединяемого к патрубку 1 источника УХН, камеры 4 удержания УХН с входным 3 и выходным 7 регулируемыми отверстиями, перемещаемого полиэтиленового диска-поглотителя 6 и вертикального (в рабочем положении, при использовании устройства) канала 9 для ускорения нейтронов в поле тяжести, снабженного выходным окном 10 из алюминиевой фольги. Устройство работает следующим образом. УХН с широким спектром по энергии поступают в виде нейтронного газа через входное отверстие 3 в камеру удержания 4 нейтронов. Двигаясь в камере удержания, нейтроны испытывают множество соударений с ее стенками, прежде чем попадут в выходное отверстие 7. Поэтому в камере удержания, после многократных отражений от стенок и изменения направления движения остаются только нейтроны с небольшой энергией в интервале от 0 до 
Е<mgH, где H - высота диска-поглотителя относительно дна камеры удержания. Эти нейтроны не могут достигнуть диска. Нейтроны с более высокой энергией, попадая на полиэтиленовый диск, неупруго рассеиваются в нем, становятся тепловыми и уходят из системы. Изменяя положение диска по высоте H, можно изменять ширину Е стартового спектра нейтронов, попадающих через выходное отверстие в вертикальный ускорительный канал.
На фиг.2 в более крупном масштабе представлена схема камеры удержания для формирования стартового спектра УХН.
Изогнутыми линиями на фиг.2 обозначены параболические траектории нейтронов. Камера снабжена двумя диафрагмами на входном и выходном патрубках. Изменением отверстий диафрагм можно изменять входной и выходной поток УХН. Поверхность камеры удержания покрыта жидким фторополимером в виде тонкого вязкого слоя. Фторополимер обеспечивает малый коэффициент поглощения нейтронов при соударениях со стенками камеры (вероятность примерно 3×10-5 при одном соударении), вследствие чего нейтроны длительное время остаются в объеме, прежде чем поглотятся в диске или вытекут из него через отверстия диафрагм. На нижней поверхности камеры создан слой с макрошероховатостью поверхности. Слой представляет собой сферические шарики (железную или свинцовую дробь), покрытые вязким фторополимером. Слой предназначен для непрерывного и случайного изменения направления скорости нейтронов при отражении от дна камеры. При этом вероятность того, что энергия нейтрона окажется сосредоточенной в вертикальной компоненте его скорости существенно возрастает. Постановка слоя является существенной особенностью устройства, поскольку при высокой зеркальности стенок камеры отраженный нейтрон не меняет вертикальную составляющую скорости. Этот эффект приводит к тому, что нейтроны с энергией большей Е, но недостаточной для подъема к диску вертикальной компонентой скорости, могут попасть в выходное отверстие. Макрошероховатость дна камеры подавляет этот эффект. Изменяя входное и выходное отверстие камеры можно добиться нужной степени очистки выходного потока УХН от нейтронов с энергией большей, чем Е.
В ускорительном канале нейтроны, падая в поле тяжести Земли и пройдя путь, определяемый длиной канала Н, получают дополнительную кинетическую энергию mgH и выходят из выходного патрубка 7 через разделительную фольгу узконаправленным пучком с энергией E=mgH и энергетическим размытием E.<<mgH. Угловая расходимость пучка уменьшается с увеличением длины канала, поскольку вертикальная компонента скорости нейтрона нарастает при падении, а горизонтальная сохраняется. На каждый 1 метр длины канала нейтрон увеличивает свою энергию на 10-7 эВ.
Ключевым элементом формирователя является вертикальный ускорительный канал со стенками, обладающими высокой зеркальностью. В предлагаемом устройстве вертикальный ускорительный канал может быть выполнен из произвольного материала без специальной и дорогостоящей процедуры обработки его внутренней поверхности (анодно-механическое полирование и др.) до нужного класса чистоты поверхности. Степень шероховатости материала внутренней поверхности самого канала не имеет значения. Зеркальность его стенок обеспечивается тем, что внутренняя поверхность канала покрыта жидким фторополимером, например YL VAC18/8. Данный полимер - один из класса фторозамещенных жидких фторополимеров, обладающий низким давлением насыщенных паров (10-8 торр), малым коэффициентом поглощения нейтронов при отражении (3×10 -5) и достаточно большой граничной энергией (1,05×10 -7 эВ). Вязкий фторополимер при нанесении на поверхность любого металла создает гладкий зеркальный слой, обеспечивающий равенство углов падения и отражения нейтронов при ударах о стенки канала. Фторополимер легко наносится на поверхность металла.
Зеркальность стенок канала обеспечивает сохранение горизонтальной компоненты скорости нейтрона в процессе падения. Последнее является очень важным, поскольку при диффузном отражении нейтрон, набравший большую энергию, может покинуть канал. Это происходит, когда значительная часть энергии нейтрона перераспределяется в горизонтальную компоненту скорости нейтрона. Если при этом нормальная к поверхности в точке падения компонента скорости превышает граничную скорость материала стенок канала, но нейтрон поглощается в стенке. Когда вероятность диффузного отражения высока, то падающий поток нейтронов сильно ослабляется по длине канала. Гладкий слой жидкого полимера из-за своего высокого поверхностного натяжения устойчив и обеспечивает сохранение горизонтальной компоненты скорости нейтронов при каждом столкновении со стенкой. В этом случае нейтрон не покидает пространство канала в процессе падения. Рост энергии нейтрона происходит только за счет увеличения вертикальной компоненты скорости нейтрона. Энергия нейтронов на выходе из такого ускорительного канала определяется только его длиной. Так, при Н=10 см и длине канала Н=5 м, энергия выводимого пучка будет составлять 5×10-7 эВ, относительное энергетическое разрешение 2%, скорость нейтронов 10±0.15 м/с.
Пример технической реализации.
Описанное устройство было неоднократно использовано с ускоряющими каналами различной длины в Российскоv Научноv Центре «Курчатовский Институт». Источниками УХН являлись реакторы ИР-8 и высокопоточный реактор Института Лауэ-Ланжевена. Сформированные с помощью описанного устройства нейтронные моноэнергетические пучки применялись для исследования процессов диффузионного распространения холодных нейтронов в неоднородных средах, измерения полных сечений, сечений неупругого рассеяния и для других нейтронно-физических задач.
Так, для измерения сечений неупругого рассеяния на источнике УХН реактора ИР-8 данное устройство было выполнено в виде секционированного вертикального нейтроновода диаметром 8 см из нержавеющей стали с полной длиной 4 м. Стенки канала были покрыты фторополимером YL VAC18/8. Камера для формирования стартового спектра УХН, выполненная из нержавеющей стали и тоже покрытая YL VAC18/8, имела диаметр 30 см и позволяла формировать начальный стартовый спектр УХН с энергией от нуля до (5-10)×10 -9 эВ. В камере использовался полиэтиленовый диск диаметром 28 см. Для создания макрошероховатости на дне камеры применялась свинцовая дробь диаметром 3 мм. Устройство позволяло получать при различных длинах вертикального нейтроновода (0.5 м, 1.0 м, 1,5 м, 2.0 м, 3,0 м, 4,0 м) энергетические пучки с размытием 5×10-9 эВ и энергией соответственно (0.5×10 -7 эВ, 1.0×10-7 эВ, 1.5.10-7 эВ, 2.0×10-7 эВ, 3.0×10-7 эВ, 4.0×10-7 эВ).
Предложенное устройство может быть использовано на действующих источниках УХН исследовательских реакторов, где ведутся исследования с ультрахолодными и холодными нейтронами по изучению процессов их взаимодействия с веществом: ПИЯФ (г.Гатчина), ОИЯИ (г.Дубна), NIST (США), PSI (Швейцария), ILL (Франция).
Источники информации
[1] A. Steyerl. Nucl. Instr. and Meth. 101, 295 (1972).
[2] А.А.Антонов и др. Краткие сообщения по физике. ФИАН., 
10, (1977), с.10.
[3] А.И.Франк и др. Сообщения ОИЯИ, Р3-2004-207, Дубна, 2004
Устройство для формирования моноэнергетических нейтронных пучков низких энергий, включающее камеру удержания ультрахолодных нейтронов с входным и выходным отверстиями, установленное с возможностью перемещения внутри камеры удержания средство взаимодействия с нейтронами, включающее полиэтиленовый элемент, отличающееся тем, что оно дополнительно снабжено подключенным к выходному отверстию камеры удержания выводящим нейтроны каналом, имеющим выходное окно из алюминиевой фольги, средство взаимодействия с нейтронами выполнено в виде полиэтиленового диска-поглотителя, дно камеры удержания ультрахолодных нейтронов выполнено с искусственной макрошероховатостью поверхности, стенки камеры удержания ультрахолодных нейтронов и стенки выводящего нейтроны канала покрыты жидким фторополимером.
