НЕЙТРОННЫЙ ГЕНЕРАТОР С ЭНЕРГЕТИЧЕСКИМ СПЕКТРОМ НЕЙТРОНОВ, ПОВТОРЯЮЩИМ СПЕКТР АТМОСФЕРНОГО НЕЙТРОННОГО ИЗЛУЧЕНИЯ

Устройство относится к генераторам нейтронного излучения с использованием ускорителей заряженных частиц и служит для формирования нейтронного пучка с заданным энергетическим и временным распределением (спектром).
Необходимость в таких пучках диктуется широким кругом научных и прикладных задач (исследование свойств ядерного вещества, переработка оружейных делящихся материалов и высокоактивных отходов ядерной энергетики, испытаний надежности радиоаппаратуры и т.п.).
Устройство генератора нейтронного излучения с использованием ускорителя состоит из собственно ускорителя заряженных частиц любого типа (линейного, циклического, электростатического и т.п.), который является источником ускоренных высокоэнергетичных частиц: электронов, протонов, дейтонов и т.п. Эти ускоренные частицы тем или иным способом доставляются к нейтронообразующей мишени, в качестве которой используется некоторый объем того или иного вещества (Li, Pb, W и т.п.).
В результате ядерного взаимодействия ускоренных частиц с веществом мишени она становится источником нейтронного излучения, параметры которого зависят от энергии и временных характеристик налетающих частиц, а также вещества и геометрии мишени. Такие генераторы нейтронного излучения широко используются во многих научно-исследовательских центрах мира, имеющих ускорители заряженных частиц, и служат для различных исследовательских и прикладных задач.
В качестве примера укажем на некоторые из них:
1. LANSCE-WNR, Лос-Аламосская национальная лаборатория, США, на протонном линейном ускорителе на энергию 800 МэВ [1,].
2. Устройство PSI-PIF, на протонном ускорителе PSI с энергией 600 МэВ [2].
3. Нейтронный генератор, ТSL, Упсала, Швеция, на циклотроне Custaf Werner 180 МэВ
[3].
4. n-TOF, ЦЕРН, Женева, на ускорителе PS с энергией 20 ГэВ [4].
5. Нейтронная мишень - подкритическая сборка, Дубна, Россия на ускорителе фазотрон 600 МэВ [5].
6. Нейтронный генератор в центре КЭК, Япония, на протонном синхротроне с энергией 12 ГэВ [6].
7. ГНЕЙС, г. Гатчина, Ленинградская область, Россия на синхроциклотроне 1000 МэВ [7,8].
8. IPNS-1, Аргона, США на синхротроне с энергией 500 МэВ [9].
Непосредственно, предполагаемое устройство относится к генераторам нейтронного излучения с использованием ускорителя заряженных частиц и служит для формирования нейтронного пучка со спектром международного стандарта JEDEC, повторяющим энергетический спектр нейтронов околоземного пространства.
Необходимость в таком нейтронном излучении и соответствующем источнике нейтронов возникает при испытании надежности разрабатываемой и эксплуатируемой радиоаппаратуры в авиации и космонавтике, состоящей из изделий микро и наноэлектроники. Одним из основных условий их успешного использования является способность длительное время надежно функционировать в радиационных полях космического пространства и верхних слоев атмосферы. В настоящее время нормативные акты России и стандарты ведущих стран мира включают обязательные испытания радиационной стойкости радиоэлектронной аппаратуры, используемой в авиационной и космической технике, в том числе и относительно воздействия потоков нейтронов космического пространства.
Международный нормативный документ «JEDEC STANDARD» (Measurement and Reporting of Alpha Particles and Terrestrial Cosmic Ray-Jnduced Soft Errors in Semiconductor Devices» [10] предписывает проводить испытания электронных радиоизделий для авиа и космического использования в потоках нейтронов со спектром, подобным атмосферному спектру нейтронов. Особенность потоков нейтронов космического пространства заключается в крайне широком энергетическом спектре частиц, простирающемся от низких энергий вплоть до энергий 1000 МэВ. За «эталон» в «JEDEC STANDARD» принят спектр нейтронов над городом Нью-Йорк [10]. Вид этого спектра в лагарифмическом по обеим осям масштабе изображен на Фигуре 3а.
Единственный в мире испытательный стенд, где реализован подобный спектр нейтронов в диапазоне энергий 0.1-750 МэВ, создан в Лос-Аламосской национальной лаборатории, США, установка LANSCE - WNR, где и проводят испытания радиоаппаратуры авиа и космические фирмы США и Европы. Облучение электроники в таком пучке нейтронов в течение 1 часа эквивалентно 100 годам эксплуатации в условиях полета самолета.
Несмотря на большое количество устройств нейтронных генераторов, приведенных выше, нам не известно ни одного другого примера реализации нейтронного пучка со спектром JEDEC, а известные нам генераторы используются для различных других научно-исследовательских целей [2,4,6,7,8,9,].
Тем не менее, потребность в испытании авиарадиоаппаратуры в нейтронных полях достаточно актуальна и в соответствии со стандартом JEDEC далеко не удовлетворяется, в том числе и потому, что число ускорителей с необходимой энергией ≥1000 МэВ единицы. Поэтому, некоторые авиационные фирмы ограничиваются испытанием радиоаппаратуры в нейтронных полях, с ограниченным по энергии спектром. Такие испытания проводятся, например, на нейтронном генераторе в Уппсале, Швеция с использованием циклотрона на энергию 180 МэВ [3].
-2
В качестве аналога выбран нейтронный генератор ГНЕЙС, используемый для исследования нейтронных сечений атомных ядер в диапазоне 10эв-100 МэВ [7,8]. В основе устройства-аналога лежит генератор нейтронов, впервые предложенный знаменитым физиком Альварецом в 1938 г.[11]. В таком генераторе нейтронообразующая мишень устанавливается внутри вакуумной ускорительной камеры на конечном радиусе ускорителя. Протоны в ускорителе набирают энергию и, увеличивая свой радиус, попадают на мишень, генерируя поток нейтронов.
Устройство-аналог состоит из источника ускоренных протонов-ускорителя типа синхроциклотрон с энергией протонов-100МэВ. Внутри ускорительной вакуумной камеры ускорителя находится двойная нейтронообразующая система, состоящая из свинцовой и полиэтиленовой мишеней. На этом же радиусе расположен электростатический дефлектор. Пластины дефлектора подсоединены к блоку питания. Из камеры ускорителя выходит нейтроновод, ось которого проходит через центр полиэтиленовой мишени по касательной к орбите ускоренных протонов. Нейтроновод проходит через коллиматор в стене здания и заканчивается в помещении стенда для работ на нейтронном пучке.
Устройство-аналог работает следующим образом. Ускоренные протоны в нужный момент времени отклоняются от плоскости орбиты в вертикальном направлении при помощи электростатического дефлектора и попадают на свинцовую мишень. Образовавшиеся в ней нейтроны попадают на мишень из полиэтилена, в результате взаимодействия с которой энергетический спектр нейтронов трансформируется и приобретает вид необходимый для цели исследований. Часть из этого потока нейтронов направляется к стенду исследований при помощи нейтроновода и коллиматора в защитной стене здания ускорителя. Ось нейтроновода и коллиматора
проходит через центр полиэтиленовой мишени, которая и является собственно генератором нейтронного излучения с энергетическим спектром малоэнергетичных, (вплоть до «тепловых») нейтронов, необходимых для исследования. Временная структура нейтронного пучка представляет собой одиночные импульсы очень малой длительности и не регулируется.
Устройство-аналог обладает некоторыми конструктивными признаками, которые совпадают с признаками заявляемого изобретения и имеют общие с заявляемым устройством узлы и детали: нейтронообразующую мишень, дефлектор, нейтроновод, коллиматор.
Однако устройство-аналог нейтронного генератора в той конструктивной конфигурации не предназначено и не может быть непосредственно использовано для формирования нейтронного пучка с энергетическим спектром, повторяющим спектр атмосферного нейтронного излучения, а также для регулирования его временной структуры.
Единственный в мире нейтронный генератор с таким спектром реализован в Лос-Аламосской национальной лаборатории, США, на установке LANSCE-WNR [1]. Он взят нами за прототип.
Устройство-прототип состоит из источника ускоренных протонов - протонного линейного ускорителя LAMPF/WNR, нейтронообразующей мишени из вольфрама, расположенной вне ускорителя на расстоянии ~100 м от выводного «окна» ускорителя, и тракта транспортировки протонного пучка к мишени, состоящего из системы квадрупольных фокусирующих линз, поворотных магнитов и устройств контроля параметров протонного пучка. Мишень, являясь источником радиоактивного излучения, требует обязательной радиационной защиты, поэтому находится в отдельном бетонном помещении - боксе, в стене которого находится коллиматор. Ось коллиматора составляет определенный угол а к оси тракта транспортировки протонного пучка к мишени. Величина угла а рассчитывается или определяется экспериментально.
Для очистки нейтронного пучка от побочных частиц между мишенью и коллиматором поставлен электромагнит-сепаратор, отклоняющий все побочные частицы от коллиматора. За коллиматором находится стенд для проведения испытаний и исследований на нейтронном пучке.
Устройство прототип работает следующим образом.
Выведенные из ускорителя протоны с энергией ~750 МэВ направляются по тракту транспортировки протонов к нейтронообразующей мишени. В результате
взаимодействия налетающих протонов с веществом мишени она становится источником потока нейтронного излучения, имеющего анизотропное угловое распределение по энергии вылетающих нейтронов. Из этого потока нейтронов формируется нейтронный пучок следующим образом.
Под определенным углом к оси налетающего на мишень протонного пучка ставится коллиматор, отбирающий пучок нейтронов необходимого геометрического сечения и энергетического распределения. Этот пучок направляется к стенду с испытательной аппаратурой и мониторирующими приборами для его использования.
Важно отметить, что при взаимодействии налетающих протонов с мишенью, в ней образуются и вылетают кроме нейтронов различные побочные элементарные частицы: протоны, мезоны, электроны и др. Поставленный между мишенью и коллиматором электромагнит-сепаратор отклоняет все эти частицы от оси коллиматора, производя очистку нейтронного пучка от побочных частиц. Для защиты от радиоактивного излучения, исходящего от мишени, используется бетонная защита, а сама мишень помещается в отдельный толстостенный бетонный бокс.
Сформированный таким образом нейтронный пучок, повторяющий спектр атмосферного нейтронного излучения, имеет также и временную структуру, параметры которой в непосредственной близости от мишени обусловлены временными параметрами работы ускорителя, эта временная структура не может быть изменена или трансформирована без изменения режима работы ускорителя.
Недостатками устройства - прототипа являются:
1. Отсутствие возможности регулировки временной структуры нейтронного пучка.
2. Сложность самого устройства нейтронного генератора, заключающаяся в необходимости использования дорогостоящего и громозного оборудования для тракта транспортировки протонного пучка к нейтронообразующей мишени, электромагнита-сепаратора, который используется для очистки нейтронного пучка от примесных частиц, вылетающих из мишени, и обязательной радиационной защиты мишени в виде толстостенного бетонного бокса, а также неэффективность использования, заключающаяся в том, что при работе с нейтронным генератором невозможна одновременная, параллельная работа с протонным пучком ускорителя.
Задача изобретения - обеспечение возможности регулировки временной структуры нейтронного пучка, энергетический спектр которого повторяет спектр атмосферных нейтронов, упрощение устройства и повышение эффективности его использования.
Временная структура пучка является одним из важных параметров нейтронного пучка, а необходимость его регулировки обусловлена следующими причинами. Заметим, что в генерируемом нейтронном пучке в каждый момент времени имеются нейтроны всех энергий спектра: от «тепловых» до максимально-возможных 1000 МэВ. Измерение спектра, то есть селектирование нейтронов по энергии и подсчет их количества в пучке-является сложной физико-технической задачей. Существуют различные способы такого измерения [12-14]. Эффективность использования того или иного способа зависит от измеряемого интервала энергий и временной структуры пучка. При работе с нейтронными пучками возникают разнообразные задачи исследований, решения которых требует различных временных структур.
Рассмотрим некоторые из них.
Например, при проведении измерений энергетического спектра пучка нейтронов или его сертификации эффективным способом измерения энергии является времяпролетная методика, а оптимальным временным режимом - режим компрессии (одиночной вспышки).
При выяснении причин отказов и механизмов повреждения в полупроводниковой аппаратуре оптимальным является проведение исследований в режиме on line (реальное время), при котором необходим временной режим растяжки пучка с сохранением его микроструктуры.
При испытании аппаратуры на интегральные нагрузки оптимальным является временной режим непрерывного пучка без микроструктуры, обеспечивающий равномерную загрузку испытываемой электронной аппаратуры.
Поставленная задача решается тем, что в нейтронном генераторе с энергетическим спектром нейтронов, повторяющим спектр атмосферного нейтронного излучения, включающим протонный ускоритель, нейтронообразующую мишень и коллиматор, новым является то, что использован циклический ускоритель протонов, нейтронообразующая мишень расположена внутри вакуумной камеры ускорителя выше или ниже плоскости конечной орбиты ускоренных протонов, а между нейтронообразующей мишенью и колллиматором расположен вакуумированный нейтроновод, причем ось нейтроновода и коллиматора проходит через центр нейтронообразующей мишени под углом в 32° относительно касательной к конечной орбите ускоренных протонов, и введен электростатический дефлектор, установленный на конечной орбите ускоренных протонов, пластины которого подсоединены к многофункциональному источнику, отклоняющее напряжение которого регулируется по
амплитуде, форме, длительности и частоте, обеспечивая регулировку временной структуры нейтронного пучка.
Сущность предполагаемого изобретения поясняется фигурой 1(а,б), (а - схема устройства, вид сверху; 6 - схема наведения ускоренного протонного пучка на нейтронообразующую мишень), где:
1 - циклический ускоритель, например, типа синхроциклотрон
2 - генератор ВЧ-ускоряющего напряжения
3 - конечная орбита протонов, ускоренных до необходимой энергии
4 - сгусток ускоренных протонов, вращающийся по орбите 3
5 - вакуумная камера ускорителя
6 - направление оси выводимых из ускорителя протонов для использования их в различных других физических экспериментах
7 - нейтронообразующая мишень
8 - электростатический дефлектор
9 - многофункциональный источник питания и управления дефлектором
10 - коллиматор нейтронного пучка
11 - стена здания радиационной защиты ускорителя
12 - помещение-стенд с испытываемой аппаратурой
13 - глушитель-ловушка нейтронного пучка
14 - условное изображение направления магнитного поля ускорителя В,
15 - ось направления нейтронного пучка
16 - нейтроновод
17 - касательная к орбите 3 в точке центра мишени 7
α=32° - угол между осью нейтронного пучка 15 и касательной 17 к орбите протонов 3. На фигуре 2. показаны временные структуры нейтронного пучка вблизи мишени,
где введены обозначения:
Т - период следования макроимпульсов нейтронного пучка.
t - длительность макроимпульсов нейтронного пучка, длительность растяжки
τ - длительность микроимпульсов нейтронного пучка.
θ - период следования микроимпульсов нейтронного пучка. На фиг.3 показаны: а) эталонный спектр стандарта JEDEC [10], б) спектр нейтронов, полученных в Лос-Аламосе, США (прототип), в) спектр нейтронов, полученный при помощи реализации заявленного устройства в ПИЯФ РАН с использованием синхроциклотрона на энергию протонов 1000 МэВ.
Предлагаемое устройство (фиг.1) состоит из циклического ускорителя протонов, например, типа синхроциклотрон 1. В ускорителе имеется ВЧ генератор 2, напряжение от которого подается на ускоряющую дуантную систему (на схеме не показана). Ускоряющая дуантная система находится в вакуумной камере 5, в которой и происходит ускорение протонов. 3 - это конечная орбита ускоренных протонов с максимальной энергией (1000 МэВ). По этой орбите 3 и вращается сгусток ускоренных протонов 4. На радиусе этой орбиты 3 установлен электростатический дефлектор 8, пластины которого находятся выше и ниже плоскости орбиты 3. На этом же радиусе установлена нейтронообразующая мишень из свинца 7, также выше (или ниже) плоскости орбиты 3. Таким образом, ни дефлектор 8, ни мишень 7 не препятствуют свободному вращению сгустка ускоренных протонов 4. Пластины дефлектора 8 подсоединены к многофункциональному блоку питания и управления дефлектором 9.
Из камеры ускорителя 5 выходит нейтроновод 16 (вакуумированная труба), по которому летят нейтроны, образовавшиеся в мишени 7. Вакуумирование нейтроновода исключает нежелательное рассеяние нейтронов на воздухе. Ось нейтроновода 15 проходит через центр мишени 7 и составляет угол α=32° с касательной 17 к конечной орбите 3. Нейтроновод проходит через коллиматор 10, расположенный в стене 11 радиационной защиты ускорителя и заканчивается в помещении стенда 12, где проводятся работы на нейтронном пучке. 13 - глушитель-ловушка нейтронного пучка.
Предлагаемое устройство работает следующим образом. Циклический ускоритель 1 ускоряет протоны до необходимой энергии ~ 1000 МэВ при помощи генератора ВЧ-ускоряющего напряжения 2. (Ускоряющая система на схеме не показана). Ускоренный сгусток протонов 4 вращается в медианной плоскости магнитного поля ускорителя по конечной орбите 3 внутри вакуумной камеры 5. (Заметим, что при работе ускорителя на какой-либо другой физический эксперимент протонный пучок выводится из ускорителя по направлению оси 6. Именно на продолжение этой оси и располагают нейтронообразующую мишень в прототипе и всех других известных аналогичных прототипу устройствах нейтронных генераторов).
В заявляемом устройстве нейтронообразующая мишень 7 находится внутри ускорительной камеры 5 самого ускорителя и располагается на радиусе орбиты 3, но выше (или ниже) плоскости орбиты 3.
Наведение сгустка ускоренных протонов 4 на мишень 7 осуществляется электростатическим дефлектором 8. В нужный момент, когда сгусток 4 достигает предельной энергии и вращается по конечной орбите 3, на пластины дефлектора подается импульс напряжения нужной полярности, амплитуды, формы длительности и
частоты и сгусток протонов 4 получает импульс отклонения в вертикальном направлении, в результате чего сгусток попадает на торец мишени 7. Работа дефлектора 8 и подача на его пластины соответствующего импульса напряжения осуществляется при помощи многофункционального блока питания и управления 9, синхронизованного с работой ускорителя и положением протонного сгустка 4 на орбите 3 известным способом [15]. В результате взаимодействия ускоренного сгустка протонов с веществом мишени 7 она становится источником нейтронного излучения в области телесного угла 4π.
Из полученного нейтронного излучения формируется нейтронный пучок со спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов при помощи нейтроновода 16 и коллиматора 10, ось которых 15 проходит через центр мишени 7 под определенным углом α=32° к касательной 17 орбиты 3.
Геометрия и материал мишени, а также угол направления нейтронного пучка α=32°, определяющие форму энергетического спектра пучка нейтронов при энергии налетающих протонов 1000 МэВ, выбирались методом расчета и экспериментальной проверки.
Нейтронный пучок в непосредственной близи от мишени в устройстве-прототипе, а так же в других аналогичных устройствах нейтронных генераторов с использованием ускорителя имеет прерывисто-импульсную временную структуру, показанную на фигуре 2а. Такая структура обусловлена принципами работы ускорителей заряженных частиц и параметрами ускоренного протонного сгустка, что и является недостатком известных устройств. Эта временная структура нейтронного пучка непосредственно вблизи от мишени устройства-прототипа характеризуется следующими параметрами:
Т - период следования макроимпульсов нейтронного пучка, длительность которого определяется периодом циклической работы самого ускорителя и не регулируется. (Для большинства ускорителей на большие энергии 1/Т=2-200 Гц).
θ - период следования микроимпульсов нейтронного пучка, длительность которого определяется параметрами ВЧ и магнитной систем самого ускорителя и не регулируется. (Для большинства ускорителей на большие энергии 1/θ=5-10 МГц.)
t - длительность макроиспульсов нейтронного пучка. Длительность - t определяется режимом импульсной работы ускорителя.
τ - длительность микроимпульсов протонного пучка. (Для большинства ускорителей на большие энергии τ≈1-10 нc).
В предполагаемом устройстве временная структура нейтронного пучка изменяется и регулируется так же при помощи дефлектора 8 путем подачи на его пластины отклоняющего напряжения разной амплитуды, формы, длительности и частоты, поступающего от многофункционального источника питания и управления дефлектором 9. Эти разные отклоняющие напряжения по разному воздействует на сгусток протонов 4, который либо весь сразу, либо по частям (порциями) отклоняется и ударяется в торец мишени 7. В результате чего и изменяется временная структура нейтронного пучка.
В предлагаемом устройстве временная структура нейтронного пучка регулируется в широких пределах, а многофункциональный блок питания дефлектора 9 имеет несколько временных режимов работы.
Перечислим эти режимы.
- Режим временной компрессии нейтронного пучка (фиг.) 26.
Временная последовательность импульсов нейтронного пучка представляет собой последовательность одиночных импульсов длительностью τ, следующих с любыми интервалами между ними. (Для большинства ускорителей на большие энергии τ≈1-10 нc).
Этот режим осуществляется следующим образом. В нужный момент, когда сгусток 4 подходит к пластинам 8, на них подается импульс напряжения нужной полярности от многофункционального источника питания 9 и сгусток протонов 4 получает импульс отклонения в вертикальном направлении, в результате чего через оборот сгусток полностью попадает на мишень 7. Этот импульс должен иметь достаточно большую амплитуду ~100-150 кВ и крутой передний фронт ~10-100 нc. В этом режиме источник питания 9 синхронизован с работой ускорителя и азимутальным положением сгустка протонов 3 на орбите 4 известным способом [15,16,17].
- Режим многократных импульсов нейтронного пучка, когда в каждом макроимпульсе содержится заданное количество микроимпульсов: 2,3,...N, (фиг.) 2в.
Этот режим осуществляется следующим образом. С уменьшением амплитуды импульса, от источника 9, подаваемого на пластины дефлектора 8 вышеописанным способом, не все протоны из сгустка 4 сразу попадают на торец мишени 7. Вращающийся сгусток протонов периодически проходя между пластинами дефлектора 8, периодически получает импульсы отклонения в вертикальном направлении, в результате чего при каждом обороте только часть протонов из сгустка 4 попадает на мишень 7. В этом режиме отклоняющий импульс имеет прямоугольную форму длительностью t и регулируемую амплитуду.
- Режим растяжки (фиг.) 3г.
Длительность макроимпульсов нейтронного пучка t соизмерима с периодом Т. Макроимпульс почти полностью заполнен микроимпульсами пучка длительностью τ.
Этот режим осуществляется следующим образом. На пластины дефлектора 8 от источника питания 9 подается прямоугольный радиоимпульс с частотой заполнения, равной средней частоте свободных вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке 4. Под воздействием вертикальной составляющей электрического поля пластин дефлектора 8 все протоны в сгустке 4 подвергаются резонансной когерентной раскачке в вертикальном направлении, вследствие чего постепенно попадают на мишень 7. Длительность растянутого нейтронного пучка t регулируется путем изменения амплитуды радиоимпульса. Заметим, что частоты свободных вертикальных бетатронных колебаний протонов в сгустке 4 несколько отличаются друг от друга, вследствие чего протоны подвергаются различной степени такой резонансной раскачки [16,17]. Для исключения этого явления в радиоимпульс вводится модуляция частоты заполнения, что позволяет изменять степень воздействия резонансной раскачки на протоны в сгустке, имеющие разные собственные частоты и тем самым менять форму растянутого нейтронного пучка. Таким способом осуществляется изменение длительности растяжки нейтронного пучка в пределах 0,01 Т≤t≤Т.
- Режим непрерывного нейтронного пучка без временной микроструктуры (фиг.) 3д.
Длительность микроструктуры нейтронного пучка τ обусловлена угловой протяженностью сгустка протонов 4 в азимутальном направлении и частотой его обращения по орбите 3. В свою очередь угловая протяженность сгустка протонов - 4 обусловлена параметрами ВЧ ускоряющей системы ускорителя и принципом автофазировки. (Для большинства больших ускорителей ΔΨ=1°-10°, τ=1-10 нс).
При выключении ВЧ ускоряющего напряжения в момент времени, когда сгусток 4 находится на конечной орбите 3, прекращается процесс увеличения энергии протонов, протоны теряют фазовую устойчивость, а сам сгусток под действием кулоновского взаимодействия между протонами начинает «расплываться» по азимуту и превращается во вращающийся тор протонов. Время «расплывания» составляет 10-100 периодов синхротронных колебаний протонов в сгустке. (Для большинства больших ускорителей это время 50-500 нc). Воздействуя на такой вращающийся тор протонов при помощи подачи на пластины дефлектора 8 импульса отклоняющего напряжения или радиоимпульса описанными выше способами, получаем непрерывный пучок нейтронов без временной микроструктуры [16,17].
Возможность широкой регулировки временной структуры выгодно отличает предложенное устройство от прототипа и аналогичных ему устройств, где такая регулировка отсутствует.
Таким образом, в предполагаемом устройстве нейтронного генератора с энергетическим спектром, повторяющим спектр атмосферного нейтронного излучения, реализована возможность регулировки и оптимизации его временной структуры, что выгодно отличает его от прототипа и всех аналогичных ему устройств.
Отметим также другие преимущества предполагаемого изобретения по сравнению с прототипом, а именно упрощение устройства и повышение эффективности.
- Необходимым элементом устройства-прототипа, а так же всех без исключения аналогичных ему устройств является тракт транспортировки протонов к нейтронообразующей мишени. Тракт обычно имеет длину от 10 до 100 метров и представляет собой систему из квадрупольных фокусирующих линз, магнит-корректоров и поворотных электромагнитов и оборудован контролирующими устройствами, следящими за параметрами протонного пучка. Мощность электропитания тракта 10-100 кВт.
В предлагаемом устройстве тракт транспортировки не требуется и отсутствует как таковой. Функцию доставки протонного пучка к мишени 7 выполняет электростатический дефлектор 8, сравнительно маломощное и известное радиотехническое устройство, который отклоняет ускоренный протонный пучок в вертикальном направлении.
- При взаимодействии ускоренных протонов с веществом мишени кроме нейтронов в ней образуются и вылетают различные побочные элементарные частицы: протоны, мезоны, электроны и др. Поэтому в устройстве-прототипе и во всех без исключения аналогичных ему устройствах используется магнит-сепаратор, осуществляющий очистку пучка нейтронов от побочных частиц. Сепаратор обычно представляет собой постоянный двухполюсный электромагнит с диаметром полюса ~ 0,5-1 м и мощностью электропитания 5-20 кВт.
В предлагаемом устройстве использование вышеописанного сепаратора не требуется, он отсутствует как таковой. Его функцию выполняет электромагнит самого ускорителя 1, магнитное поле 14 которого отклоняет все побочные частицы от оси нейтронного пучка 15 и они не попадают в коллиматор 10.
- В устройстве-прототипе и других аналогичных ему устройствах циклический ускоритель используется не только для получения нейтронного пучка, но и для физических и прикладных исследований на протонном пучке. Причем работа
возможна только на одном из них. Как правило, нейтронный и протонный пучки имеют свои тракты транспортировки и свои направления осей протонных и нейтронных пучков. Переход с одного направления на другое осуществляется перестройкой режима работы трактов и отклоняющего раздаточного электромагнита, с помощью которого протонный пучок, направляется к различным экспериментальным установкам.
В предлагаемом устройстве переключения с одного направления на другое, т.е. с направления 15 нейтронного пучка на направление 6 работы с протонным пучком, осуществляется практически мгновенно при помощи дефлектора 8 и его управления. Причем, возможна одновременная, параллельная работа как по направлению 15, так и направлению 6, т.е. на два физических эксперимента одновременно с протонным и нейтронными пучками. Такая работа осуществляется включением-выключением работы дефлектора 8 при любой наперед заданной последовательности чередования импульсов протонного и нейтронного пучков [15], что повышает эффективность его работы на пучках ускорителя.
Таким образом, все перечисленные преимущества выгодно отличают предлагаемое устройство от прототипа и всех известных аналогичных ему устройств.
Устройство прошло испытание в ПИЯФ РАН. Источник ускоренных протонов - циклический ускоритель типа синхроциклотрон. Параметры синхроциклотрона. [18]:
Энергия-1000 МэВ
Диаметр полюса - 685 мм.
Зазор между полюсами - 50 см
Вес - 8000 т.
Мощность питания - 1МВт.
Частота ускорения - 30-13 МГц.
Параметры ускоренного протонного пучка.
13
Интенсивность - 1,8 10 протон/с.
Размеры пучка (сгустка) - по радиусу - 20 см, по вертикали - 4 см, по азимуту - 30°
Частота оборотов сгустка - 13 МГц
Длительность сгустка - 10 нc
Частота следования импульсов - 50-60 гц.
Параметры нейтронообразующей мишени и нейтронного пучка
Материал мишени - свинец
3
Размеры 5×20×40 см
14
Поток нейтронов в угле 4π - 9 10 н/с
Параметры дефлектора
Ширина пластин - 20 см
Длина пластин - 1,5 м
Расстояние между пластинами - 7 см
Испытательный стенд
2
Площадь стенда 30×45 м
Длина пролетной базы - 35-50 м.
Количество нейтроноводов - 5
1
2
3
4
5
Углы осей нейтроноводов - α=28° α=30° α=32° α=34° α=36°
Диаметр нейтроноводов - 300мм
Коллиматоры латунные и стальные
Диаметр коллиматора - 100 мм
Нейтронные  ловушки-гасители из стали и бетона.
Параметры нейтронного пучка вблизи мишени
Период следования макроимпульсов Т=20 нс.
Длительность макроимпульсов, длительность растяжки t=10 нс-20 мс.
Длительность микроимпульсов τ=8-15 нс
Длительность «одиночной вспышки» нейтронов - 8 нс.
Параметры многофункционального блока питания и управления дефлектором - 9.
Амплитуда напряжения на дефлекторе:
Импульсная - до 120 кВ, длительность 12 нс.
Прямоугольная - до 300 в, длительность до 20 мс.
Радиоимпульс на дефлекторе:
амплитуда до 300 в.
частота заполнения - 4,2 М Гц
девиация частоты заполнения - до 10%, 420 кГц.
период модуляции - 0,2-5 мс.
Блок 9 синхронизован с циклами работы ускорителя по частоте и фазе ВЧ ускоряющего напряжения на дуанте.
Формирование нейтронного пучка с энергетическим спектром, повторяющим спектр атмосферных нейтронов проведено следующим образом. Между ускорителем и
1
5
стеной здания по касательной к орбите проложено веерообразно пять нейтроноводов, которые позволяют отбирать нейтроны летящие из мишени под разными углами α÷α.
Управление работой дефлектора 8 осуществлялось известным способом. Блок питания 9 синхронизован с работой ускорителя и положением сгустка протонов 4 по энергии и углу вращения.
Выбор материала мишени и ее размеров, а также угла отбора вылета нейтронов из мишени а проводился методом компьютерного расчета по программам ядерного взаимодействия протонов и нейтронов с веществом. Регистрация параметров нейтронов на стенде и измерение его энергетического спектра велись известными способами,
8
8
На Фиг.3в показан спектр полученных нейтронов в ПИЯФ РАН. Для сравнения здесь же приведен спектр стандарта JEDEC (Фиг.3а) и спектр, полученный в Лос-Аламосе США (Фиг.) 36. Как видно, отличие не превышает ~ 5%. Полученные спектры отнормированы на JEDEC STANDARD. Для спектра 3б коэффициент равен 10, а для спектра 3в-5×10.
В таблице проведено сравнение предлагаемого устройства с лучшим в мире устройством для этой цели прототипом LANSCE-WNR, Лос Аламос, США [1].
Таблица
Источник протонов
LAMPF/WNR
СЦ ПИЯФ
Энергия протонов - МэВ
800
1000
Частота работы, Гц
200
50
Интенсивность протонов на мишень 1/с
-
1,8 10<sup>13</sup>
Поток нейтронов на 4π н/с
20 10<sup>14</sup>
910<sup>14</sup>
Интенсивность нейтронов на стенде, н/с см<sup>2</sup>
1,7 10<sup>5</sup>
10<sup>5</sup>
Вещество мишени
вольфрам
свинец
Время облучения в минутах эквивалентное 10 годам полета самолета
6
12
Регулировка временной структуры
нет
есть
Из таблицы следует, что энергетические параметры, полученного в ПИЯФ РАН нейтронного пучка, принципиально не отличаются от полученного в США на установке LANSCE-WNR [1]. Однако имеется возможность регулировки временной структуры нейтронного пучка.
В ПИЯФ ведутся работы по организации стенда испытаний на нейтронном пучке, повторяющем спектр атмосферных нейтронов и соответствующем международному стандарту JEDEC для испытаний авиационной и космической радиоаппаратуры России и Европы. Готовится научная публикация в международный журнал "NIM".
Источники информации
1. P.W.Lisowski, C.D.Bowman, G.J.Russell and S.A.Wender, «The Los Alamos National Laboratory Spallation Neutron Sourses» Nucl. Sci. and Engineering 106, 208 (1990).
2. W.B.Fischer, Physica В 234-236, (1997), 1202-1208.
3. A.V.Prokofiev, L.O.Andersson, T.Bergmark et al. «Fnew neutro facility for single-event effect testing» The Svedberg Laboratory, Uppsala University, Box 533, S-751 21 Uppsala, Sweden. H.Conde et al. NIM, A 292 (1990), р. 121.
4. CERN n TOF Facility (Peerformance Report). CERN/INTC-0-011; INTC-2002-037; CERN-SL-2002-053 ЕСТ. Geneva, 31 January. 2003.
C.Rubbia et al. «A high resolution spallation driven facility at the CERN PS to measure neutron cross-sections in the interval from 1 ev to 250 MeV» CERN report CERN/LHC/98-02,1998.
5. В.Н.Швецов, С.Breeders, И.С.Головин и др. «Подкритическая сбора в Дубне» (ПСД). Доклад на международной научно-технической конференции «Исследовательские реакторы в 21 веке», 20-23 июня, 2006 г.
6. S.Meigo, H.Takada, N.Shigyo et al. «Measurements of Neutron Spectra Produced froma Jhick Jungsten Target Bombarded with 0,5-and 1,5-GeV Protons», Nucl. Sci and Technologi, Sup.2, p.1252-1255, August 2002.
7. Н.К.Абросимов, Г.З.Борухович, А.В.Куликов и др. «Нейтронный спектр по времени пролета на базе синхроциклотрона ЛИЯФ им. Б.П.Константинова АН СССР». Нейтронная физика (Материалы III Всесоюзной конференции по нейтронной физике. Киев, 9-13 июня 1975 г.) М. ЦНИИ Атоминформ, 1976, т.6, с.221-226.
8. N.K.Abrosimov, G.Z.Boruchovich, A.B.Laptev et al. «Neutron time-of-flight spectrometer GNEIS at the Gatchina 1 GeV proton synchrocyclotron» Nucl.Jnstr.Meth, 1985, V.A242, p.121-133.
9. J.M.Garpenter et al. Proceedings of the ICANS-VIII-Meeting of the Jntemational Collaboration on Advanced Neutron soursec, 8-12 July 1985. Ed.G.C. Stirling, Rutherford Appleton Laboratory Report RAL-85-110, November 1985.
10. JEDEC Standart. Measurements and Reporting of Alpha Particlis and Terrestrial Cosmik Ray-Jnduced Soft Errors in Semiconducter Devices. JESD 89, August 2001.
11. К.Н.Мухин «Введение в ядерную физику», М., Атомиздат, 1965, стр.339.
12. А.И.Абрамов, Ю.А.Казанский, Е.С.Матусевич.
«Основы экспериментальных методов ядерной физики». М.Атомиздат, 1970 г., (Глава 12 Спектрометрия нейтронов, с.395-456).
13. В.А.Григорьев, А.А.Колюбин, В.А.Логинов «Электронные методы ядерно-физического эксперимента» М., Энергоатомиздат, 1988 г.
14. J.A.Harvey «Experimental neutron resonance cpectros copy», Academic Pres, N.Y. and London, 1970 (Обзор методов нейтронной спектроскопии).
15. Р.П. Девятериков, А.В.Куликов, В.В.Лавров, Г.Ф.Михеев «Система управления синхроциклотрона ФТИ АН СССР». Труды II Всесоюзного совещания по ускорителям заряженных частиц, т.II, 1972, с.234-236.
16. А.А.Коломенский «Физические основы методов ускорения заряженных частиц». Изд. Московского университета, 1980.
17. А.А.Коломенский, А.М.Лебедев «Теория циклических ускорителей», М., Физматгиз, 1962.
18. N.K.Abrossimov, G.F.Mikheev, G.A.Riabov. «PNPI Sinchrocyclotron in 2002-2006».
PNPI XXXV, «Main Scientific Activity 2002-2006», Gatchina, 2007, p.6-21.