Накопитель холодных нейтронов
COLD NEUTRON STORAGE

Настоящее изобретение относится к нейтронной физике, в частности, методам повышения плотности нейтронов в заданном объеме.
Увеличение плотности нейтронов важно для повышения статистической точности при исследовании фундаментальных явлений, таких, например, как осцилляции нейтрон-антинейтрон и нейтрон-зеркальный нейтрон.
Известен способ накопления нейтронов в тороидальной магнитной ловушке (В.В. Владимирский, ЖЭТФ, 39, 1062, I960.). В ловушке для удержания нейтронов используется магнитное поле, что не позволяет его использовать при изучении таких явлений как преобразование нейтронов в антинейтрон или зеркальный нейтрон.
Известен магнитный накопитель нейтронов (И.М. Матора, авторское свидетельство 341091, заявлено 20. XI. 1970, опубликовано 05.VI. 1972, Бюллетень №18, G21k 3/00). Накопитель представляет собой кольцевую магнитную ловушку в виде свернутого в кольцо магнитного нейтроновода. В накопителе нейтроны удерживаются магнитным полем, величина которого возрастает у стенок.
Известно устройство (прототип) для накопления от импульсного источника ультрахолодных нейтронов (УХН) в ловушке с материальными стенками (А.В. Антонов, А.И. Исаков, М.В. Казарновский, В.Е. Солодилов, Письма в ЖЭТФ, том 10, стр. 380-385, 1969). Устройство содержит импульсный источник нейтронов, водородсодержащий замедлитель, механический быстродействующий затвор, ловушку УХН. В замедлителе быстрые нейтроны замедляются. Из поверхностного слоя замедлителя испускаются импульсно УХН. В момент импульса открывается затвор ловушки и УХН входят в ловушку. Между импульсами затвор закрыт, что препятствует выходу УХН из ловушки. В результате, УХН накапливаются в ловушке, то есть, плотность УХН с течением времени возрастает.
Технической задачей является повышение плотности холодных нейтронов от импульсного источника в накопителе.
Техническая результат достигается за счет того, что введен второй замедлитель нейтронов, нейтроноводный канал имеет прямоугольное сечение 4 и окружен внешней боковой 5, верхней 10 и нижней 11 зеркально отражающими стенками; затвор 7 является частью боковой стенки 5; первый замедлитель комнатной температуры 2 расположен вблизи источника нейтронов 1, второй замедлитель 8 расположен в вакуумной камере 3 вплотную к затвору 7, обращенная к затвору 7 поверхность имеет вогнутую цилиндрическую форму, повторяющую форму внешней боковой стенки. Второй замедлитель по сравнению с первым имеет более низкую температуру, например, жидкого азота или жидкого гелия.
На рис. 1 показано сечение накопителя горизонтальной плоскостью:
1 - источник нейтронов
2 - первый замедлитель
3 - вакуумная камера
4 - нейтроноводный канал
5 - боковая материальная внешняя стенка нейтроноводного канала
6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов
7 - затвор
8 - второй замедлитель
9 - траектория нейтрона в нейтроноводном канале
На рис. 2 показано сечения накопителя вертикальной плоскостью в зоне затвора и второго замедлителя:
3 - вакуумная камера
4 - нейтроноводный канал
6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов
7 - затвор
8 - второй замедлитель
10 - верхняя материальная стенка нейтроноводного канала
11 - нижняя материальная стенка нейтроноводного канала
На рис. 3 показано сечение накопителя вертикальной плоскостью вне зоны затвора и второго замедлителя:
3 - вакуумная камера
4 - нейтроноводный канал
5 - боковая материальная внешняя стенка нейтроноводного канала
6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов
10 - верхняя материальная стенка нейтроноводного канала
11 - нижняя материальная стенка нейтроноводного канала
Быстрые нейтроны, испускаемые импульсным источником попадают в замедлитель 2. В замедлителе нейтроны замедляются до тепловой энергии. Тепловые нейтроны из замедлителя 2 проникают в вакуумную камеру и попадают во второй замедлитель 8. Замедлитель 8 находится при более низкой температуре, чем замедлитель 2. В результате, в замедлителе 8 образуются уже холодные нейтроны. Холодные нейтроны через открытый в момент импульса затвор попадают в нейтроноводный канал 4. В нейтроноводном канале 4 нейтроны в промежутках времени между импульсами источника распространяются, отражаясь от боковой 5, верхней 10 и нижней 11 стенок. С внутренней стороны нейтроноводного канала материальная стенка не нужна. Здесь в вакууме существует воображаемая граница 6 (показана штрих - пунктирной линией на рисунках), до которой нейтроны доходят при отражении от внешней боковой стенки.
Существенными и отличительными признаками являются нейтроноводный канал прямоугольного сечения и три его окружающие зеркально отражающие нейтроны стенки. Это верхняя, нижняя и внешняя боковая стенки. В горизонтальной плоскости отражение нейтронов происходит только от одной внешней стенки. В вертикальной плоскости отражение происходит от верхней и нижней стенок.
Существенным и отличительным признаком является затвор, который является частью боковой цилиндрической стенки. В момент прохождения импульса нейтронов от источника в нейтроноводный канал затвор открыт.Во время между импульсами нейтронов затвор закрыт и нейтроны не вытекают из нейтроноводного канала и накапливаются в нем с течением времени.
Существенными признаками является наличие двух замедлителей, установленных в разных местах и находящихся при разной температуре. Один замедлитель расположен вблизи источника нейтронов, что обеспечивает большой телесный угол его видимости из источника, а потому, большой поток нейтронов. Этот замедлитель довольно толстый, порядка 50 мм. Замедлитель находится при комнатной температуре. Нейтроны в нем замедляются до тепловой энергии 300 K. При этих энергиях нейтроны не ослабляются значительно при прохождении стенки вакуумной камеры и попадают во второй замедлитель. Второй замедлитель достаточно тонкий (1-3 мм) и находится при низкой температуре, например, жидкого азота или жидкого гелия. Этот замедлитель находится в вакууме вблизи затвора (вблизи боковой стенки). Обращенная к затвору поверхность замедлителя является, как и боковая стенка, цилиндрической, повторяющей форму внешней боковой стенки. Таким образом, источник холодных нейтронов - второй замедлитель, имеет форму отражающей стенки накопителя. В результате, поток с холодного источника эффективно (без потерь) преобразуется в поток отражаемых и накапливаемых нейтронов.
Физическая сущность предложения прежде всего состоит в создании адекватных кольцевому накопителю цилиндрических источника холодных нейтронов, роль которого выполняет размещенный в вакууме вблизи боковой стенки второй замедлитель, и затвор, а также использовании двух замедлителей при различных температурах.
Технический результат состоит в повышении плотности нейтронов до значения, определяемого соотношением для фактора выигрыша плотности η
0
s
d
1
2
sh
s
с
-1
-1
-1
-1
η=N/N=(T/[τ+(με+ετТ)τ],
0
s
d
sh
с
1
a
sh
a
2
sh
a
sh
a
где N - плотность нейтронов в накопителе от одного импульса, N - стационарная плотность в накопителе, T - период действия источника нейтронов, τ≈880 с - постоянная времени распада нейтрона, τ - время открытого состояния затвора, τ - время пробега между столкновениями со стенками, μ - вероятность поглощения нейтрона в стенках, ε=(S-S)/S, ε=S/S, S - площадь поверхности затвора, S - площадь поверхности трех стенок накопителя, включая затвор.
d
1
2
sh
s
s
макс
1
2
sh
s
1
c
-1
-1
3
-1
-5
-4
3
Максимальное значение η, достигаемое при τ >> (με+ετT) и при значении 1/T=10 Гц (проектируемый в Дубне новый источник ИБР-3), равно η=8.8×10. В реальном случае με>> ετT, ε≈0.999, τ=0.1 с и μ≈10-10 получим для фактора увеличения плотности значение в диапазоне (4.8-8.3)×10.