НЕЙТРОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР Российский патент 1997 года по МПК G01N23/204 

Изобретение относится к устройствам, предназначенным для исследования атомной динамики веществ в конденсированном состоянии с помощью неупругого некогерентного рассеяния медленных нейтронов.

Изобретение дает возможность постановки новых задач, традиционно считавшихся недоступными для нейтронных методов из-за отсутствия достаточного количества исследуемого материала. К ним относятся исследования вещества при высоких давлениях в алмазных наковальнях, изучение веществ синтезированных в экстремальных условиях, исследование небольших количеств высокоактивных облученных веществ, веществ, сильнопоглощающих тепловые нейтроны (гелий-3, соединения бора, кадмия, самария), биологических объектов и т.д.

Известен нейтронный спектрометр NERA-PR [1]состоящий из зеркального нейтроновода с апертурой 50х160 мм²,держателя образца, фильтра, анализатора и детектора, установленный на импульсном реакторе ИБР-2. Прибор имеет большую пролетную базу реактор-образец (≈ 109 м), что обеспечивает хорошее энергетическое разрешение 5%
Недостатком этого прибора является то, что исследуемый образец должен быть объемом в несколько десятков см³.

Наиболее близким к предлагаемому является нейтронный спектрометр КДСОГ-М [2] состоящий из входного коллиматора с максимальным сечением окна 120х160 мм², держателя образца, фильтра, анализатора, коллиматора, детектора и системы набора и обработки информации, установленный также на реакторе ИБР-2. Пролетная база реактор-образец у этого прибора составляет ≈ 30 м, что ухудшает энергетическое разрешение до 15% но дает возможность работать с образцами объемом в несколько см³.

Недостатком прототипа является невозможность проводить измерения на образцах объемом менее одного см³.

Технический результат изобретения данное устройство при уровне энергетического разрешения 15% позволяет работать с образцами размером в несколько мм³. Получение искомой информации может быть достигнуто путем снижения фонового излучения, а также путем увеличения светосилы прибора за счет регистрации всего излучения, рассеянного образцом под данным углом.

Технический результат достигается тем, что предложен нейтронный спектрометр, состоящий из входного коллиматора, держателя образца, фильтра, анализатора, выходного коллиматора, детектора, системы контроля положения образца, системы набора и обработки информации, причем фильтр, анализатор, коллиматор и детектор выполнены кольцевыми в виде замкнутых систем расположенных соосно падающему пучку нейтронов в плоскостях, перпендикулярных к направлению падающего пучка нейтронов, а размер выходного отверстия входного коллиматора составляет 1,0-1,1 поперечного размера образца.

Кроме того, держатель образца закреплен соосно на входном коллиматоре.

В спектрометре обеспечивается жесткая коллимация падающего на образец нейтронного пучка строго в соответствии с размером образца (коллимация первичного пучка нейтронов осуществляется на длине 4 м с помощью последовательно сходящихся коллиматоров, выполненных из различных поглощающих нейтроны и гамма-излучение материалов: сталь, свинец, борированный полиэтилен, кадмий; последняя секция коллиматора сменная с коническим каналом от 30 мм до нескольких мм в диаметре), что позволяет снизить фоновое излучение за счет уменьшения доли нейтронов, прошедших мимо образца. Кольцевой фильтр, кольцевой анализатор и кольцевой детектор расположены в плоскостях, перпендикулярных к направлению падающего пучка нейтронов, что позволяет увеличить светосилу прибора за счет регистрации рассеянных нейтронов в большом телесном углу.

На фиг. 1 показана принципиальная схема прибора в плане; на фиг. 2 то же, вид сбоку.

Нейтронный спектрометр содержит входной коллиматор 1, держатель образца 2, кольцевой фильтр 3, состоящий из n блоков пиролитического графита, кольцевой анализатор 4, состоящий из n пластин пиролитического графита, кольцевой коллиматор 5, кольцевой детектор 6, состоящий из n гелиевых счетчиков, систему контроля положения образца 7 теодолит ТБ-3 и систему набора и обработки информации 8, содержащую временной анализатор в системе КАМАК и РС АТ-286.

Нейтронный спектрометр смонтирован внутри защиты от фона реактора, которая представляет собой замкнутый цилиндрический объем, соосный пучку падающих нейтронов. На внутренней поверхности защиты закреплен кольцевой детектор 6. Кольцевые фильтр 3, анализатор 4 и коллиматор 5 размещены на общей платформе, которая опирается на торцевую поверхность защиты и которая с помощью микрометрических винтов отъюстирована соосно и перпендикулярно падающему пучку. В центре платформы имеется отверстие, где располагается образец в соответствующих условиях: наковальнях для создания высокого давления, криостате или нагревателе.

Нейтронный спектрометр работает следующим образом.

Импульсный поток нейтронов из замедлителя реактора, проходя через входной конусный коллиматор 1, выполненный из различных поглощающих материалов (с выходным сечением в несколько мм², в соответствии с размером образца), попадает на образец, где происходит изменение энергии нейтронов. Держатель образца 2 имеет две степени свободы, что позволяет отъюстировать образец относительно выходного окна коллиматора с точностью до 0,1 мм. Положение образца проверяется системой контроля положения образца 7 теодолитом ТБ-3. Энергетический анализ рассеянных на образце нейтронов осуществляется кольцевым анализатором 4, используя брегговское отражение. Для подавления отражений высших порядков применяется кольцевой фильтр 3, расположенный перед анализатором. Отраженные анализатором нейтроны, пройдя кольцевой коллиматор 5, регистрируются счетчиками кольцевого детектора 6. Энергетическое распределение интенсивности рассеяния фиксируется в процессе измерения временным анализатором в системе КАМАК. По окончании эксперимента эта информация по каналу прямой связи передается в память PC AT-286. На ЭВМ реализована система обработки информации 8, позволяющая суммировать спектры, снятые всеми n счетчиками. Таким образом, регистрируются практически все нейтроны, рассеянные под определенным углом (в данном случае 90^o), что более чем на порядок увеличивает светосилу прибора по сравнению с существующими спектрометрами, в которых регистрируется небольшая доля рассеянного под данным углом излучения (менее 5% ). Дальнейшее усовершенствование прибора может быть достигнуто за счет увеличения числа углов, под которыми одновременно происходит анализ энергии рассеянных нейтронов.

Источники информации
1. Proceedings of the Twelfth Meeting of the International Collaboration on Advanced Neutron Sources ICANS-XII 24-28 May 1993, Abington, U.K. Volume 1, pp. 89-96 Editors: U. Steigenberger, T. Broome, G. Rees, A. Soper
2. Г. Балука и др. Спектрометр обратной геометрии КДСОГ-М на реакторе ИБР-2. Сообщение ОИЯИ Р13-84-242, Дубна, 1984.

Использование: исследование атомной динамики вещества с помощью неупругого некогерентного рассеяния медленных нейтронов. Сущность изобретения: устройство позволяет исследовать образцы размером несколько мм³ при уровне энергетического разрешения не ниже 15% и представляет собой нейтронный спектрометр, состоящий из входного коллиматора, держателя образца, фильтра, анализатора, коллиматора, детектора, системы контроля положения образца, системы набора и обработки информации. Фильтр, анализатор, коллиматор и детектор выполнены кольцевыми в виде замкнутых систем, расположенных соосно падающему пучку нейтронов, в плоскостях перпендикулярных к направлению падающего пучка нейтронов. Размер отверстия входного коллиматора составляет 1,0-1,1 поперечного размера образца, при этом держатель образца закреплен соосно на входном коллиматоре. 1 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Нейтронный спектрометр, содержащий входной коллиматор, держатель образца, фильтр, анализатор, коллиматор, детектор и систему набора и обработки информации, отличающийся тем, что дополнительно введена система контроля положения образца, а фильтр, анализатор, коллиматор и детектор выполнены кольцевыми в виде соосных замкнутых систем, расположенных соосно падающему пучку нейтронов в плоскостях, перпендикулярных направлению падающих нейтронов, а размер выходного отверстия входного коллиматора составляет 1,0 1,1 поперечного размера образца. 2. Спектрометр по п.1, отличающийся тем, что держатель образца закреплен соосно на входном коллиматоре.