ПОВЕРХНОСТЬ. РЕНТГЕНОВСКИЕ, СИНХРОТРОННЫЕ И НЕЙТРОННЫЕ ИССЛЕДОВАНИЯ, 2015, № 3, с. 5-10
УДК 621.039.83
СПЕКТРЫ НЕЙТРОНОВ ПРЯМЫХ ПУЧКОВ ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫХ КАНАЛОВ ИМПУЛЬСНОГО ИСТОЧНИКА ИН-06 ИНСТИТУТА ЯДЕРНЫХ ИССЛЕДОВАНИЙ РАН
© 2015 г. А. А. Алексеев*, Р. А. Садыков, В. С. Литвин, Е. С. Клементьев, С. Н. Аксенов, Д. Н. Трунов, Н. М. Соболевский, С. Ф. Сидоркин, Э. А. Коптелов
Институт ядерных исследований РАН, 117312 Москва, Россия *E-mail: alexeev@inr.ru Поступила в редакцию 07.06.2014 г.
В Институте ядерных исследований РАН (г. Троицк) введен в эксплуатацию импульсный нейтронный источник ИН-06 (spallation source). Измерены спектры нейтронов прямых пучков экспериментальных каналов импульсного источника, предназначенного для исследований конденсированных сред, наносистем и функциональных материалов. Сравнение расчетных и экспериментальных нейтронных спектров показывает их хорошее совпадение. Приводятся данные по плотности нейтронных потоков при заданных параметрах работы линейного ускорителя протонов, являющегося драйвером нейтронного источника ИН-06.
Ключевые слова: источник нейтронов, нейтронная дифракция, малоугловое рассеяние нейтронов, нейтронная рефлектометрия, нейтронный спектрометр.
DOI: 10.7868/S0207352814120026
ВВЕДЕНИЕ
В настоящее время возможности технологического прорыва все в большей степени связывают с ожидаемыми результатами междисциплинарных и мультидисциплинарных научных исследований и разработок. Для реализации комплексного подхода к созданию новых технологий создаются крупные исследовательские кластеры, обладающие необходимой экспериментальной базой и оборудованием. Как правило, такие многоцелевые лаборатории группируются вокруг крупных (существующих или создаваемых) установок мирового уровня.
Особое место среди исследовательских центров нового поколения занимают реализуемые в настоящее время или проектируемые крупные комплексы на базе сильноточных ускорителей протонов с мощностью в пучке порядка нескольких мегаватт. Эти ускорители являются драйверами нейтронных источников, в которых, в отличие от ядерных реакторов, нейтроны генерируются не в реакциях деления, а в реакциях скалывания (spallation process) — каскадно-испарительных ядерных процессов в мишени из тяжелого металла (вольфрам, свинец, ртуть). При отключении ускорителя производство нейтронов останавливается, что обеспечивает высокую степень экологической безопасности таких источников нейтронов.
Импульсные источники нейтронов обладают рядом преимуществ перед стационарными источ-
никами, что значительно расширяет возможности применения нейтронных методов исследования. Достоинства импульсных нейтронных источников оказали влияние на формирование отчетливой тенденции к увеличению их значимости в качестве центров нейтронных исследований при общем сокращении числа источников непрерывной генерации нейтронов (рис. 1).
30 25 20 -15 -10 -5 -0
_
f Pulsed \ Continuous
3
—I-1-1-1-
1997 2002 2007 2012 2017
Рис. 1. Оценка изменения числа доступных базовых нейтронных источников в странах Организации экономического сотрудничества и развития (OECD) и России. Приводится число установок в различные годы.
Рис. 2. Общий вид импульсного источника нейтронов ИН-06: 1 — бокс 1-го источника нейтронов; 2 — бокс 2-го источника нейтронов; 3 — шибера ; 4 — колодцы диаметром 0.9 м для установки дополнительного экспериментального оборудования ; 5 — нейтроноводы диаметром 0.2 м; 6 — защита; 7— промежуточные хранилища газовых баков и ампул (модулей) нейтронного источника и ловушки пучка ; 8 — протонные пучки ; 9 — помещение и оборудование специальной вентиляции; 10 — широкоапертурный канал; 11 — дифрактометрическая установка "ДИАС"; 12 — нейтрон-но-физическая установка "Геркулес"; 13 — многофункциональный спектрометр МНС; 14 — рефлектометр "Горизонт"; 15 — дифрактометр монокристаллов "Кристалл"; 16 — канал спектрометра нейтронного рассеяния прямой геометрии (проект); 17 — канал дифрактометра малоуглового рассеяния (проект).
В России имеются несколько импульсных нейтронных источников 8раПаИоп-типа. Источник тепловых нейтронов ИН-06 [1], источник эпитепловых и тепловых нейтронов РАДЭКС [2], а также 100-тонный спектрометр по времени замедления нейтронов в свинце СВЗ-100 [3] были созданы в составе Нейтронного комплекса ИЯИ РАН на базе линейного сильноточного ускорителя протонов.
Импульсный источник нейтронов ИН-06 предназначен для осуществления исследований как в области конденсированных сред, так и в области ядерной физики. Вопросы, связанные с конструкцией и принципами работы ИН-06, отражены подробно в публикациях [4—6]. Следует отметить, что благодаря такой конструктивной особенности ИН-06, как наличие двух мишенных боксов в одном блоке биологической защиты, возможно проведение работ по изучению ядерной трансмутации долгоживущих продуктов деления и электроядерного способа производства энергии [7, 8].
Важнейшими характеристиками любого нейтронного источника являются спектр вылетающих из каналов нейтронов и плотность потока нейтронов. Эти данные закладываются в расчеты установок, по ним происходит оптимизация параметров создаваемых установок. Исследованию этих характеристик и посвящена данная статья.
ИСТОЧНИК НЕЙТРОНОВ И ПРИНЦИПЫ РАБОТЫ
Принципиальная схема созданного импульсного нейтронного источника ИН-06 представлена на рис. 2. В настоящее время используется бокс первого источника. В нем размещена водоохлаждае-мая вольфрамовая мишень с верхним и нижним водяными замедлителями. Схема мишенного модуля показана на рис. 3. Мишень представляет собой набор пластин из чистого вольфрама (содержание примесей 0.05%), между которыми имеются зазоры размером 0.7 мм, предназначенные для протока теплоносителя (воды) для охлаждения пластин. Мишенный блок расположен в специальной алюминиевой корзине, которая размещена в алюминиевом баке. Основное предназначение бака — уменьшение фона в нейтроноводных каналах. От бака, через биологическую защиту, в экспериментальный зал отходят семь нейтроноводных каналов. Расположение каналов представлено на рис. 2.
Нейтроны генерируются в мишени при взаимодействии высокоэнергетичного импульсного пучка протонов от линейного ускорителя с тяжелыми ядрами мишени в результате каскадно-испари-тельного процесса. Доля каскадных нейтронов с энергией больше 14.5 МэВ составляет ~8%, средняя энергия испарительных нейтронов ~2.5 МэВ. Для получения потоков тепловых и эпитепловых
нейтронов, являющихся основой для исследования конденсированных сред, в состав мишени входят, как было указано выше, верхний и нижний водяные замедлители. Верхний водяной замедлитель толщиной 5 см оптимизирован для получения максимального потока тепловых нейтронов, а нижний, толщиной ~3 см, предназначен для работы с эпитепловыми нейтронами. Важно отметить, что для уменьшения фона более быстрых нейтронов, а также гамма-квантов нейтроно-водные каналы "смотрят" только на замедлитель и не "видят" мишень. На верхний замедлитель "смотрят" каналы I, Н,У1,УН, а на нижний — каналы III, IV, V.
ПРЯМЫЕ НЕЙТРОННЫЕ ПУЧКИ ИСТОЧНИКА ИН-06
Получаемые потоки нейтронов используются для различных исследований в области физики конденсированного состояния, наноструктур, других разделов фундаментальной и прикладной науки. Для постановки экспериментов необходимо знать характеристики нейтронных потоков в каждом канале — спектр и плотность потока вылетающих нейтронов. Расчеты характеристик нейтронных каналов были выполнены ранее [9]. Проведенные эксперименты дали результаты, которые представлены ниже. Исследовались нейтронные каналы, относящиеся к одному из двух мишенных комплексов.
Нейтронная мишень (■-мишень)
Вход и выход теплоносителя (Н2О)
Защитная пробка с каналом для прохода теплоносителя
Верхний замедлитель
Активная зона (■-пластины)
Нижний замедлитель
ДЕТЕКТОРЫ И СИСТЕМА РЕГИСТРАЦИИ
Рис. 3. Схема мишенного узла ИН-06.
В качестве детекторов нейтронов использовались цилиндрические счетчики СНМ-20, наполненные газообразным трифторидом бора BF3, обогащенным изотопом 10В. Детекторы регистрировали нейтроны, вылетающие из нейтроноводов ИН-06. Нейтрон захватывался ядром бора с последующим делением на ядро лития и трития. Электрический сигнал от детектора попадал в предусилитель и далее на временной кодировщик, который фиксировал момент регистрации нейтрона относительно синхронного импульса линейного ускорителя, привязанного к моменту попадания протонного пучка на мишень источника ИН-06. Информация с временного кодировщика передавалась в ЭВМ, где происходило ее накопление [10].
ВРЕМЯ-ПРОЛЕТНАЯ МЕТОДИКА ОПРЕДЕЛЕНИЯ НЕЙТРОННЫХ СПЕКТРОВ
Спектры нейтронов определялись с помощью время-пролетной методики. Зная расстояние от мишени до детектора (пролетную базу) и время, за которое нейтрон преодолевает это расстояние,
можно определить энергию нейтрона и его длину волны.
В процессе эксперимента регистрирующей аппаратурой фиксировались и накапливались интервалы времени от синхронного импульса ускорителя до момента регистрации нейтрона детектором. Полученный результат представлен на рис. 4. Так выглядит первичный спектр нейтронов прямого пучка. Пользуясь этими данными, можно получить спектр в зависимости от длины волны нейтрона (рис. 5) и от энергии нейтрона (рис. 6). С использованием время-пролетной методики будет проводиться подавляющая часть экспериментов на физических установках, которыми оснащается импульсный источник нейтронов ИН-06.
РЕЗУЛЬТАТЫ. СРАВНЕНИЕ С РАСЧЕТНЫМИ ДАННЫМИ
Проведены измерения спектров на выходе каналов нейтронного источника ИН-06, где расположены установки "Кристалл", "Геркулес", "Горизонт".
0 4000 8000 12000 16000
Интервал времени от синхроимпульса до момента регистрации нейтрона, мкс
Рис. 4. Первичный спектр нейтронов в функции интервала времени от синхроимпульса до момента регистрации. Установка "Кристалл".
3000 г
2500 -
о
сл1000
2000 -
1500
500
0 1 2 3 4 5 6 Длина волны нейтронов, А
Рис. 5. Спектр нейтронов как функция длины волны нейтрона на канале установки "Кристалл".
3000 г
2500 -
2000
1500 -
о
сл1000
500
1 10 100 1000 1000010000
Для дальнейшего прочтения статьи необходимо приобрести полный текст. Статьи высылаются в формате PDF на указанную при оплате почту. Время доставки составляет менее 10 минут. Стоимость одной статьи — 150 рублей.