УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ ХОЛОДНЫХ И УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ
DEVICE FOR PRODUCING COLD AND ULTRACOLD NEUTRONS

Изобретение относится к области управления пучками частиц при помощи отражения от движущегося зеркала и может быть использовано для получения холодных и ультрахолодных нейтронов.
Известно устройство для получения холодных и тепловых нейтронов, реализованное в виде водяного замедлителя нейтронов, находящегося при комнатной температуре (https://ru.wikipedia.org/wiki/Замедление_нейтронов). Замедлитель имеет толщину порядка 5 см. В замедлителе устанавливается максвелловский спектр нейтронов, в котором доля холодных и ультрахолодных нейтронов мала.
Известно устройство для получения холодных и ультрахолодных нейтронов, где замедлитель охлажден до более низкой, например, например, азотной или гелиевой температуры (А.П. Серебров, Разногласие между методом хранения ультрахолодных нейтронов и пучковым методом при измерении времени жизни нейтрона, Успехи физических наук, т. 189, вып. 6, стр. 635, 2019 г.). Однако охлаждение замедлителя большого объема требует затрат большой тепловой мощности. Учитывая, что выход холодных и ультрахолодных нейтронов из-за их захвата и нагрева происходит из тонкого слоя толщиной в несколько миллиметров, используют два замедлителя: один толстый при комнатной температуре и второй тонкий, охлаждение которого требует меньшей мощности, при низкой температуре. Холодные и ультрахолодные нейтроны извлекают из тонкого замедлителя.
Альтернативным устройством для получения холодных и ультрахолодных нейтронов является система зеркал, где нейтроны отражаются от движущегося в направлении пучка нейтронов зеркала.
В качестве прототипа выбрано именно это устройство, предназначенное для получения ультрахолодных нейтронов (А.В. Антонов, Д.Е. Буль, М.В. Казарновский, Письма в ЖЭТФ, т. 9, вып. 5, стр. 307, 1969 г.).
В устройстве - прототипе нейтроны падают на отражатели, выполненные в виде изогнутых сферических нейтроноводов (Фиг. 1), закрепленные на вращающемся колесе. При вращении колеса часть зеркал движется в направлении пучка нейтронов.
гр
После ряда отражений в отражателе нейтроны разворачиваются на 180°, и из их скорости вычитается удвоенная скорость зеркала, в результате чего скорость нейтронов уменьшается до значения v<6 м/с и они переходят в область ультрахолодных нейтронов.
Недостатками прототипа являются небольшой поток холодных или ультрахолодных нейтронов, а также сложность перестройки основанных на способе устройств при необходимости использования другого спектра начальной скорости нейтронов от источника и получения нужного спектра конечной скорости замедленных нейтронов.
гр
гр
Т
Т
4
-6
1/2
Небольшой поток нейтронов обусловлен тремя обстоятельствами. Первое, это небольшая приемная площадь отражателя. Второе, это небольшой используемый интервал скорости тепловых нейтронов, имеющий некую граничную скорость v, что соответственно дает очень малую часть потока тепловых нейтронов, равную 2(v/v)≈2×10, где v=(2kT/m) - тепловая скорость нейтронов, Т - температура нейтронов, m - масса нейтрона. Третье, это использование многократного отражения, что ослабляет поток за счет диффузного рассеяния на шероховатостях и не идеальности кривизны зеркал, а также за счет захвата атомными ядрами поверхности зеркал. Потери нейтронов из-за рассеяния и поглощения нейтронов растут с увеличением числа отражений при увеличении разности начальной и конечной скорости нейтронов.
Техническими задачами являются увеличение потока холодных или ультрахолодных нейтронов и расширение реализуемых интервалов начальной и конечной скорости (энергии) нейтронов.
Технический результат достигается за счет того, что вылетающие из источника нейтроны отражают от движущейся слоистой структуры. Структуру выполняют в виде системы следующих друг за другом периодических структур с уменьшающимся пространственным периодом в направлении от поверхности. Отражатели нейтронов шарнирно, с возможностью вращения вокруг своей оси, присоединены к кронштейнам, расположенным на выносных спицах. Как вариант исполнения отражатели нейтронов имеют плоскую отражающую поверхность.
Существенным и отличительным признаком является использование слоистой структуры.
Существенным и отличительным признаком является так же то, что слоистую структуру выполняют в виде системы следующих друг за другом периодических структур с уменьшающимся пространственным периодом в направлении от поверхности. От совокупности периодических структур реализуется Брэгговское отражение нейтронов в широком интервале изменения скорости нейтрона.
Существенным и отличительным признаком является то, что отражатели вращаются относительно собственных осей синхронно с вращением колеса.
Существенным и отличительным признаком является то, что отражатели нейтронов имеют плоскую отражающую поверхность. Описание фигур
m
m
гр
n
гр
n
гр
n
2
2
-4
На изображенной на Фиг. 1. схеме установки нейтроны падают слева на коаксиальные полусферические зеркала, вращающиеся по кругу с радиусом ρ. Символом R обозначен радиус полусфер. Символом δ обозначено расстояние между зеркалами: δ=R*(v/v). Нейтроны разворачиваются на 180° только если угол падения на зеркала α<(v/v). Для выбранных выше параметров v=6 м/с и v=300 м/с этот угол равен: Ω=4*10.
Фиг. 2. Структура дифракционного отражателя, содержащего слои с положительным сечением когерентного рассеяния (Ni) и отрицательным сечением когерентного рассеяния (Ti). Величина перепада потенциала напрямую влияет на коэффициент отражения нейтронов от такой многослойной структуры.
Фиг. 3. График зависимости коэффициента отражения нейтронов R(v) - ось Y, от скорости нейтронов v - ось X, для показанной на Фиг. 2 периодической слоистой структуры при величине периода равной 5 нм. Подробно показана структура пика для первого порядка отражения.
Фиг. 4. График зависимости коэффициента отражения нейтронов R(v) - ось Y от скорости нейтронов v - ось X. для показанной на Фиг. 2 периодической слоистой структуры при величине периода равной 5 нм. Показана величина коэффициента отражения для первого, второго и третьего порядков отражения нейтронов от слоистой структуры.
Фиг. 5. Зависимость коэффициента отражения нейтронов R(v) - ось Y от скорости нейтронов v - ось X от слоистой структуры, содержащей три периода. Видно значительное уширение диапазона скоростей нейтронов, которые отражаются от такой структуры.
р
гр
n
р
n
На изображенной на Фиг. 6. схеме установки, нейтроны падают слева на плоские дифракционные зеркала, расположенные на спицах колеса, вращающегося по часовой стрелке с круговой частотой ω. После отражения от зеркала нейтроны в лабораторной системе координат останавливаются. Если очередное зеркало, стоящее на пути потока нейтронов, отклонится от вертикальной оси на угол, больший, чем θ=v/2v>10 мрад, то нейтроны, отразившиеся от зеркала, будут иметь горизонтальный угол, больший, чем 2θ. При скорости падающих нейтронов v=300 м/с их вертикальная скорость будет больше, чем 6 м/с и они перестанут быть ультрахолодными. Поскольку для разворота скорости нейтронов на 180° требуется всего одно отражение от дифракционного зеркала, то этот способ получения ультрахолодных нейтронов дает значительный выигрыш в интенсивности по сравнению с отражением нейтронов от полусферических зеркал. Видно, что плоские дифракционные зеркала не позволят получить в накопителе значительную плотность ультрахолодных нейтронов, так они не фокусируют поток отраженных нейтронов на вход ловушки.
Фиг. 7. Устройство, реализующее заявленный способ получения холодных и ультрахолодных нейтронов с креплением плоских зеркал к кронштейну, закрепленному на спицах колеса.
Фиг. 8. Устройство, реализующее заявленный способ получения холодных и ультрахолодных нейтронов с шарнирным креплением параболических дифракционных зеркал к кронштейну, позволяющее сфокусировать УХН на входную щель ловушки. (1) - система вращения зеркал, (2) - входная щель ловушки для УХН.
Физическая сущность данного предложения состоит в том, что от периодических структур реализуется так называемое Брэгговское отражение. На Фиг. 2. показан пространственный профиль потенциала взаимодействия нейтронов с периодической структурой, в которой слои попеременно имеют положительный +U1 и отрицательный -U2 потенциалы. Для примера в качестве элементов, из которых состоят слои периодической структуры, взяты никель с положительным потенциалом и титан - с отрицательным.
При движении периодической структуры со скоростью Vr в направлении распространения нейтронов со скоростью Vb, скорость нейтронов относительно зеркала будет V=Vb-Vr. Такой нейтрон будет отражаться от периодической структуры, если ее период равен d=nh/2mV, где h - постоянная Планка, m - масса нейтрона, n - порядок отражения нейтронов. Как видно, отражается ряд нейтронов, имеющих скорость V=(2m/h)nd. В лабораторной системе координат нейтроны будут замедлены, соответствующий ряд замедленных скоростей есть Vf=2V-Vb=(4m/h)nd-Vb. Возьмем для примера d=1 нм и n=1-3, тогда в системе двигающего зеркала имеем ряд длин волн λ=2, 1, 2/3 нм и ряд скоростей V=200, 400, 600 м/с. Пусть скорость структуры 150 м/с. Тогда для начальной скорости нейтронов от источника имеем Vb=350, 550, 750 м/с и скорости замедленных нейтронов Vf=50, 250 и 450 м/с. Как видно, подбирая d и Vr можно легко подстраиваться под спектр нейтронов из источника и получать замедленные нейтроны в необходимом интервале скорости.
На Фиг. 3 приведена зависимость коэффициента отражения нейтронов R(v) для периодической структуры Ni/Ti с периодом равным Т=5 нм.
На Фиг. 4 приведена та же зависимость R(v), но в большем масштабе скоростей, так что на графике видна интенсивность отражения нейтронов не только для первого, но и для второго и третьего порядков отражения.
Как видно с увеличением скорости V коэффициент отражения нейтронов уменьшается, то есть, доля замедленных нейтронов для более высокой скорости становится меньше. В этой связи, для повышения выхода замедленных нейтронов, в заявке предложено слоистую структуру выполнить в виде системы из N периодических структур с отличающимся значением d. Причем величина d уменьшается для каждой последующей структуры в направлении от поверхности в глубину отражателя. В этом случае более энергичные нейтроны отражаются от периодической структуры, расположенной глубже (дальше от поверхности отражателя). В результате, мы будем иметь N сильных отражений первого порядка (n=1). Следует сказать, что на настоящем техническом уровне удается по сравнению с интервалом полного отражения увеличить интервал V в 12.5 раз, при том, что коэффициент отражения уменьшается только от 1 до 0.5. В этом случае расширение полосы скорости нейтронов приводит к увеличению потока замедленных нейтронов на порядок.
На Фиг. 5 в качестве примера приведена зависимость R(v) для Ni/Ti структуры, состоящей из трех периодических структур с конечным числом периодов.
В трех периодических структурах, если считать от поверхности, период Т и число периодов n составляют 4.9 нм и 23, 4.7 нм и 32, 4.5 нм и 60 нм, соответственно. Видно, что в случае трех периодических структур по сравнению с одной (Фиг. 4) ширина интервала скорости нейтронов увеличилась в 2 раза с 1 м/с до 2 м/с. При этом, максимум коэффициента отражения практически не изменился. Таким образом, с увеличением количества периодических структур в отражателе до трех интенсивность нейтронов возросла в 2 раза.
Периодические структуры надо поместить на вращающееся колесо, Фиг. 6. Для того чтобы, получить требуемую (например, 150 м/с) линейную скорость вращения зеркал, расположенных на колесе, зеркало, при радиусе колеса ρ=1 м, должно вращаться с частотой:
ω=v/ρ=150 радиан/с, f=ω/2π=22.8 Гц.
Зеркало, только часть из своего периода по времени способно производить ультрахолодные нейтроны. Это связано с тем, что зеркало при своем движении выходит из области падающего потока нейтронов.
n
Оценим вероятность найти нейтроны в диапазоне скоростей 300 м/с<v<306 м/с по формуле
-13
3
8
2
12
Член, стоящий перед интегралом мы уже вычисляли, он равен 10, величина экспоненты в данном случае равна 0.3, член 47πvΔv в данном случае равен: 4*3*9*10*6*10=6.5*10. В целом эта вероятность довольно-таки велика и равна: Р=0.2.
2
2
-2
Пусть по азимуту, на окружности у нас расположено 12 плоских зеркал, подвешенных шарнирно на кронштейне, Фиг. 7, каждое из которых отражает нейтроны так, что они становятся ультрахолодными в течение времени, пока их угол с вертикалью меньше θ<π/2. Площадь каждого зеркала пусть составляет 100 см, в то время как площадь поперечного сечения нейтронного потока равна 1 м. Тогда, отношение площади зеркала к площади нейтронного потока будет равно 10, в области нейтронного потока будет одновременно находиться 3 зеркала из 12, так что общий геометрический фактор G, будет равен:
-2
-3
G=(l/4)*10=2.5*10.
t
-3
-4
Общая же вероятность получить ультрахолодные нейтроны путем их отражения от движущегося зеркала равна P=0.2*2.5*10=5*10. Для полного использования отраженного потока нейтронов в случае плоских зеркал, диаметр входного окна ловушки должен быть меньше диаметра зеркал. В противном случае надо использовать фокусировку нейтронов на входном окне ловушки, то есть надо использовать изогнутые, параболические зеркала.
На Фиг. 8. показан возможный способ шарнирного крепления изогнутых дифракционных зеркал к кронштейну, закрепленному на спице колеса. В любой момент времени каждое из нескольких зеркал, фокусирует отраженные нейтроны на входную щель ловушки, предназначенной для накопления УХН. В случае, если реактор работает в импульсном режиме, входное окно ловушки должно открываться для падающих нейтронов только на этот промежуток времени.