КАПИЛЛЯРНАЯ НЕЙТРОННО-ОПТИЧЕСКАЯ СИСТЕМА Российский патент 2008 года по МПК G21K1/02 

Изобретение относится к области оптики нейтронов и предназначено для получения пучков тепловых нейтронов различной конфигурации, применяемых для исследования внутренней структуры и элементного состава материалов, в том числе и в микрообъектах, нейтронной терапии и пр.

Известны капиллярные рентгенооптические системы (КРОС) (патенты РФ №№2210126, 2182735), которые в настоящее время широко используются в фундаментальных и прикладных исследованиях, а также в коммерческих приборах. Это связано с технологическими достижениями в изготовлении поликапиллярных линз (КЛ), с одной стороны, и наличием доступных, в том числе и по стоимости, острофокусных рентгеновских трубок различных типов - с другой.

Капиллярные нейтронно-оптические системы (КНОС) используются существенно реже, несмотря на то, что нейтроноводы для получения пучков тепловых нейтронов длиной до 100 м широко применяются на современных исследовательских атомных реакторах. В этих сложных и дорогих устройствах, также как в КРОС и КНОС, используется принцип полного внешнего отражения тепловых нейтронов от внутренней поверхности нейтроноводов. Теория этих процессов разработана достаточно полно (И.И.Гуревич, Л.В.Тарасов. «Физика нейтронов низких энергий». М.: Наука, 1965, стр.607).

Сложность эффективного использования КНОС связана с двумя основными факторами:

- фактор первый: «точечных» источников тепловых нейтронов в природе не существует. Источниками таких нейтронов являются замедлители, которые имеют размеры, превосходящие длины замедления нейтронов исходного энергетического спектра в материале замедлителя. Это ограничивает плотности потоков тепловых нейтронов на поверхности замедлителей, и, кроме того, формируемый спектр наряду с медленными нейтронами содержит нейтроны более высоких энергий, а также жесткое фотонное излучение;

- фактор второй: физические свойства нейтронов и рентгеновского излучения, а также процессы их взаимодействия с веществом существенно отличаются друг от друга. Во много раз отличаются и количественные характеристики этих взаимодействий, и их соотношения. В результате этого сами КЛ существенно более прозрачны как для тепловых, так и для нейтронов более высоких энергий, а также жесткого фотонного излучения, чем для рентгеновского излучения.

Оба этих фактора приводят к тому, что целенаправленное формирование потоков тепловых нейтронов требуемой конфигурации при помощи КНОС сопровождается образованием гало (пятна фоновых излучений, превосходящего ожидаемые размеры формируемого пучка) как прошедших не по капиллярам тепловых нейтронов, так и нейтронов более высоких энергий, а также жесткого фотонного излучения. Соотношение их интенсивностей определяется как спектральным составом излучения источника нейтронов, так и характеристиками используемых КЛ, а также конструкцией КНОС в целом. Наиболее сильно эти явления проявляются при формировании сфокусированных пучков нейтронов.

Получение пучков тепловых нейтронов различной геометрической конфигурации, достаточной интенсивности (для их практического использования) и с малым вкладом других видов излучений является актуальной проблемой современной экспериментальной нейтронной физики. Решение этой проблемы с помощью КНОС позволит расширить возможности фундаментальных и прикладных исследований с нейтронами, повысить эффективность использования дорогостоящих источников нейтронов и экспериментального оборудования, уменьшить габариты экспериментальных установок и их радиационных защит, удешевить их изготовление за счет использования коммерческих оптомеханических и других изделий, используемых в рентгеновской физике, и, кроме того, существенно улучшить фоновые условия проводимых исследований и их радиационную безопасность.

Известна КНОС, предназначенная для работы в касательном канале ядерного реактора - прототип - (G.I.Borisov, M.A.Kumakhov, Poly-capillary lens for neutrons. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 529 (2004), 129-133). КНОС предназначена для получения сфокусированного пучка тепловых нейтронов и состоит из установленных соосно оптической оси системы основных частей:

1 - источника нейтронов в виде цилиндра из бериллия, расположенного в касательном канале ядерного реактора напротив его активной зоны;

2 - входного коллиматора с цилиндрическим отверстием диаметром 10 мм и длиной 660 мм, ограничивающего, но не исключающего, попадание нейтронов в КЛ под углами, превосходящими критический угол отражения тепловых нейтронов от внутренних стенок капилляров;

3 - волнового оптического устройства в радиационной защите в виде полуКЛ, цилиндрическая часть которой направлена в сторону источника нейтронов, обеспечивающей изменение траектории движения тепловых нейтронов за счет их полного внешнего отражения от стенок капилляров с целью направления их в фокус КЛ;

4 - выходного коллиматора с отверстием в виде усеченного конуса, ограничивающего попадание в область фокуса КНОС тепловых нейтронов, прошедших не по капиллярам, надтепловых нейтронов и жесткого фотонного изучения, прошедших сквозь КНОС или рассеянных в нем.

Недостатками этой КНОС являются:

- наличие гало тепловых нейтронов, флюенс которого существенно превосходит флюенс нейтронов в фокусном пятне КЛ, что не позволяет, например, использовать ее для создания нейтронных микроскопов и нейтронных дифрактометров для исследования малых объектов, а также в нейтронной радиографии и медицине;

- существенное уменьшение отношения флюенса тепловых нейтронов в фокусном пятне КЛ к полному флюенсу тепловых нейтронов, формируемых КНОС, в сравнении со значением этой характеристики в исходном пучке нейтронов, что ухудшает фоновые условия экспериментов.

Перечисленные недостатки не позволяют в полной мере реализовать ожидаемые преимущества КНОС, указанные выше.

Техническим результатом, на которое направлено изобретение, является получение пучков тепловых нейтронов различной конфигурации с минимальным гало фоновых излучений, что позволит расширить функциональные возможности использования КНОС при снижении габаритов установок, повышении их радиационной безопасности.

Для достижения указанного результата предложена капиллярная нейтронно-оптическая система, состоящая из установленных соосно оптической оси системы источника нейтронов, входного коллиматора, поликапиллярной линзы (КЛ), выходного коллиматора, при этом входная часть КЛ, направленная на источник нейтронов, выполнена в виде полуКЛ с действительным фокусом, расположенным между входной частью КЛ и источником нейтронов, отверстие входного коллиматора выполнено в виде двух усеченных конусов, малые основания которых совпадают и расположены в фокальной плоскости входной части КЛ, радиус R отверстия входного коллиматора, примыкающего к источнику нейтронов, равен радиусу источника нейтронов, радиус r₁ основания входного коллиматора, примыкающего к КЛ, равен радиусу входной части КЛ.

Кроме того, f₁ - фокусное расстояние входной части КЛ выбирают из соотношения:

где

R - радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к источнику нейтронов

r₁ - радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к КЛ,

θ_кр. - критический угол отражения нейтронов данной энергии от стенок капилляров КЛ,

L₁ - расстояние от источника нейтронов до входной части КЛ.

На фиг.1-6 даны различные варианты выполнения КНОС, где

1 - источник нейтронов - дно экспериментального канала ядерного реактора,

2 - входной коллиматор КНОС,

3 - поликапиллярная линза КЛ,

4 - радиационная защита,

5 - выходной коллиматор.

На фиг.7 показаны экспериментальные результаты измерения разрешения КНОС, полученные методом ножа из кадмия, кривая А - прототип, Б - данное изобретение.

КНОС состоит из:

- источника нейтронов 1, представляющего собой, например, дно цилиндрического экспериментального канала реактора;

- входного коллиматора 2, отверстие в котором представляет собой два соосных усеченных конуса с совпадающими малыми основаниями. Ось входного коллиматора направлена в центр источника нейтронов. Радиус R отверстия входного коллиматора 2, примыкающего к источнику нейтронов 1, равен радиусу источника нейтронов, радиус r₁ отверстия входного коллиматора, примыкающего к КЛ 3, равен радиусу входной части КЛ.

На практике нейтронные коллимирующие 2 и 5 системы изготавливают в виде цилиндрических секций. Секции изготавливают из различных материалов (например, композитных материалов, в том числе, используя разделенные изотопы), поглощающих различные виды излучений исходного спектра пучка нейтронов. Длину секций уменьшают при уменьшении в них радиусов отверстий. Такие коллимирующие системы уменьшают количество всех видов излучений, попадающих во входные отверстия капилляров, в результате рассеяния на ее стенках. В КНОС рассеянное на стенках излучение попадает в отверстия капилляров под углами, превышающими критические углы отражения.

Поликапиллярная линза (КЛ) 3 установлена в радиационной защите 4. Входная часть КЛ представляет собой полуКЛ с действительным фокусом, расположенным между КЛ и источником нейтронов. Оси входной части КЛ 3 и входного коллиматора совпадают.

Фокусное расстояние f₁ входной части КЛ равно высоте конуса входного коллиматора, примыкающего к КЛ.

Выходная часть КЛ 3 и установленный за ней выходной коллиматор 5 могут быть выполнены различным образом в зависимости от конкретных требований к характеристикам пучка тепловых нейтронов.

Минимальное фокусное расстояние входной части КЛ - f₁ определяется из выражений (1), (2) и (3) (фиг.1):

где ρ₁=θ_кр.f_1,мин., откуда (1), (2)

где R - радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к источнику нейтронов, равный радиусу источника нейтронов;

r₁ - радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к КЛ, равный радиусу входной части КЛ;

ρ₁ - радиус наименьшего отверстия входного коллиматора;

θ_кр. - критический угол отражения тепловых нейтронов от стенок капилляров КЛ.

(Для энергии тепловых нейтронов 0,025 эВ θ_кр.=2·10^-3 радиан);

L₁ - расстояние от источника нейтронов до входной части КЛ.

При f₁=f_1,мин. все тепловые нейтроны и все другие виды излучений, вылетевшие из источника нейтронов 1 и прошедшие через наименьшее отверстие входного коллиматора 2, попадают только на входное отверстие КЛ 3 и только под углами к осям капилляров, не превосходящими критический угол отражения нейтронов от их стенок. Однако при этом плотность потока всех видов излучений не постоянна на поверхности входного отверстия КЛ и на его периферии равна половине максимального значения в центре входного отверстия КЛ. Эта геометрия является оптимальной для получения наиболее высокого отношения эффект - фон, но не оптимальной для получения максимального флюенса тепловых нейтронов, создаваемого КНОС. Здесь и далее эффектом именуется флюенс только тепловых нейтронов в расчетных геометрических размерах формируемого пучка КНОС, все остальные виды излучений, создаваемых КНОС, включая и тепловые нейтроны, именуются фоном.

Максимальное фокусное расстояние входной части КЛ 3 - f_1,макс. определяется из выражений (4), (5) и (6) (фиг.2):

где ρ₁=θ_кр.f_1,макс., откуда (4), (5)

При f₁=f_1,макс. все тепловые нейтроны и все другие виды излучений, вылетевшие из источника нейтронов и прошедшие через наименьшее отверстие входного коллиматора 2, попадают на поверхность входной части КЛ 3 под углами к осям капилляров, не превосходящими критический угол отражения нейтронов от их стенок. Но, кроме этого, все виды излучений попадают и на стенки конуса входного коллиматора, примыкающего к входной части КЛ. Рассеянное излучение всех видов со стенок этого конуса может попадать на входную часть КЛ под углами, превосходящими критический угол. При этом плотность потока всех видов излучений на поверхности КЛ максимальна и постоянна. Эта геометрия оптимальна для получения максимального флюенса тепловых нейтронов в расчетных геометрических размерах пучка формируемого КНОС, но не наибольшего отношения эффект - фон.

Очевидно, что при f₁≥f_1,макс. уменьшается отношение эффект - фон при сохранении эффекта. При f₁≤f_1,мин. уменьшается эффект при сохранении отношения эффект - фон. Таким образом, диапазон приемлемых значений f₁ определяется системой неравенств (7):

При f₁, определяемым выражением (8) (фиг 1 и 2):

фокусное расстояние входной части КЛ не зависит от θ_кр., т.е. не зависит от энергии (или длины волны) нейтронов в тепловом спектре. Это значение f₁ удобно использовать для управления размерами выходного фокусного пятна ρ₂ фокусирующих КНОС в соответствии с выражением:

при этом изменяется и спектр тепловых нейтронов, формируемый КНОС. Этот метод в сочетании с соответствующим выбором геометрических характеристик КЛ можно использовать для формирования пучков «холодных» или «горячих» нейтронов из исходного теплового спектра.

Таким образом, технический результат достигается за счет того, что минимальный радиус отверстия ρ₁ входного коллиматора КНОС равен радиусу фокусного пятна входной части КЛ, что существенно сокращает флюенсы всех видов излучений источника нейтронов, попадающих в КЛ, в сравнении с прототипом. При этом все виды излучений, вылетевшие из источника нейтронов и прошедшие через минимальное отверстие входного коллиматора, попадают в КЛ под углами, не превосходящими критический угол θ_кр., однако входная часть КЛ захватывает и отклоняет от первоначальной траектории только тепловые нейтроны. Это означает, что количество тепловых нейтронов, прошедших по капиллярам КЛ, практически не уменьшается в сравнении с прототипом. Таким образом, входной коллиматор представляет собой «квазиточечный» источник тепловых нейтронов для входной части КЛ. Кроме того, при линейных размерах входной части КНОС, удовлетворяющих системе уравнений (7), углы между осью входной части КНОС и направлениями траекторий всех видов излучений достигают наибольших возможных значений. Что существенно повышает эффективность поглощения всех видов излучений, не прошедших по капиллярам КЛ, в радиационной защите 4, окружающей КЛ и выходной коллиматор 5, и сокращает флюенсы излучений всех видов, рассеянных в самой КЛ.

В таблице 1 даны экспериментальные результаты измерения следующих физических характеристик фокусирующей КНОС - прототипа с выходным фокусным расстоянием КЛ f₂=95 мм и фокусирующей КНОС, изготовленной в соответствии с формулой изобретения, с выходным фокусным расстоянием КЛ f₂=105 мм, где:

F_th - флюенс тепловых нейтронов в фокусе КНОС, соответствующий мощности реактора 1 МВт;

К - отношение флюенса тепловых нейтронов в фокусе КЛ к флюенсу тепловых нейтронов в гало;

Q - отношение флюенса тепловых нейтронов в фокусе КЛ к флюенсу нейтронов с энергией более 0,4 эВ (* - в скобках приведено известное значение Q для исходного пучка нейтронов);

Т - трансмиссия КЛ, определяемая как отношение флюенса тепловых нейтронов в фокусе КЛ к полному флюенсу тепловых нейтронов, попавших во входные отверстия КЛ под углами меньшими критического угла отражения θ_кр. к оси капилляров КЛ.

Таблица 1КНОСF_th, К, отн.ед..Q, отн.ед.Т, %Прототип4,3·10⁴0,280,45 (2,5)*13Изобретение5,1·10⁴9,16,7(2,5)*15

Из экспериментальных данных следует, что в пучке нейтронов реактора прототип КНОС, помимо фокусного пятна, формирует гало тепловых нейтронов, флюенс которого в 3,6 раза превосходит флюенс тепловых нейтронов в фокусе КНОС. КНОС, изготовленная в соответствии с формулой изобретения, в 32 раза увеличивает отношение эффект - фон для тепловых нейтронов, в 15 раз увеличивает отношение эффект - фон для тепловых и надтепловых нейтронов. При этом измеряемый флюенс тепловых нейтронов в фокусе КЛ и ее трансмиссия не уменьшились, а несколько увеличились.

На фиг.7 представлены результаты измерения разрешения прототипа КНОС (кривая А) и КНОС с входным коллиматором, соответствующим формуле изобретения (кривая Б), методом «ножа». При этом измерялась интенсивность мгновенного фотонного излучения, возникающего при пересечении фокального пятна пластиной из кадмия в направлении, перпендикулярном оси КНОС. Площадь фокуса, создаваемая КНОС-прототипом, в 4,8 раза превосходит площадь КНОС, изготовленную в соответствии с формулой изобретения.

В настоящее время можно изготовить КЛ различной геометрии (например, патент US №5744813, публикация от 28.04.98). В зависимости от конфигурации выходной части КНОС может выполнять различные функции:

- формирование сфокусированного пучка тепловых нейтронов (фиг.3). КНОС на фиг.3 соответствует минимальному фокусному расстоянию входной части КЛ. Эта функция КНОС представляет наибольший интерес и наиболее сложна для реализации. Для этого выходная часть КЛ должна иметь действительный фокус с требуемым радиусом ρ₂=θ_кр.f₂, где f₂ - фокусное расстояние выходной части КЛ (фиг.3). Отверстие в выходном коллиматоре 5 изготавливают в виде усеченного конуса с высотой, равной f₂.

Ось выходного коллиматора совпадает с осью выходной части КЛ. Радиус основания конуса коллиматора 5, примыкающего к КЛ, здесь и далее во всех случаях равен радиусу выходной части КЛ - r₂. Радиус второго основания конического отверстия выходного коллиматора 5 в фокальной плоскости КЛ превосходит ρ₂. Это необходимо для подавления фонов, связанных с взаимодействием тепловых нейтронов сфокусированного пучка со стенками отверстия выходного конического коллиматора;

- формирование цилиндрического пучка тепловых нейтронов (фиг.4). В этом случае ρ₂=r₂=θ_кр.f₂. Отверстие выходного коллиматора 5 в этом случае представляет собой цилиндр. Формируемый пучок между выходом из КЛ и ее фокусом представляет собой цилиндр с радиусом r₂ и длиной f₂ (фиг.4). При этом плотность потока тепловых нейтронов в цилиндрической части пучка имеет максимально возможное значение. Однако максимальный угол между направлением траекторий нейтронов и осью КНОС составляет 2θ_кр.. Все требования к выходной части КЛ и выходному коллиматору аналогичны описанным выше (см. фиг.3);

- формирование квазипараллельных пучков тепловых нейтронов с минимальным углом расхождения (фиг.5). В этом случае фокусное расстояние выходной части КЛ-f₂=∞. При этом максимальный угол между направлением траектории нейтронов и осью КНОС равен θ_кр.. Для получения максимального флюенса тепловых нейтронов отверстие выходного коллиматора 5 должно представлять собой усеченный конус, малое основание которого совпадает с выходным отверстием КЛ, а плоский угол при вершине конуса несколько превышает 2θ_кр.;

- отклонение пучка нейтронов от первоначального направления. В этом случае выходная часть КЛ представляет собой цилиндр, изогнутый, например, в пределах упругих деформаций (фиг.6). При этом ось выходного коллиматора совпадает с осью выходной цилиндрической части.

Во всех приведенных типах КНОС концы выходных коллиматоров и исследуемые должны быть разделены так называемыми рабочими расстояниями КНОС - Δf₂ или ΔL₂, которые определяются конфигурацией экспериментального оборудования.

Кроме того, линейные размеры основных частей КНОС должны удовлетворять критериям:

где L - расстояние от источника нейтронов до исследуемого объекта. Таким образом, КНОС должны соответствовать геометрии экспериментального оборудования и используемого пучка нейтронов.

Приведенные примеры КНОС не исчерпывают все варианты применения изобретения.

КНОС по размерам и используемым материалам существенно отличаются от КРОС. Их длина может достигать нескольких метров при полном весе десятки и сотни килограммов. В таблице 2 приведены характерные геометрические размеры (в мм) фокусирующей КНОС, соответствующей формуле изобретения, для работы с экспериментальными каналами исследовательского реактора.

Таблица 2r₁f₁,_мин.f_1,макс.r₂f₂Δf₂RL_КЛL₁L4,73444873,6105155020046955000

В данном случае размеры источника нейтронов R определяются диаметрами экспериментальных каналов определенного исследовательского реактора, а расстояние от источника нейтронов до исследуемого объекта L - реальными размерами экспериментального оборудования.

Таким образом, предлагаемая КНОС может быть использована с различными источниками нейтронов, например нейтронными генераторами, исследовательскими ядерными реакторами различной мощности, ускорителями, что позволяет расширить область ее применения, при этом она позволяет получать пучки необходимой конфигурации, что делает возможным ее широкое применение для нейтронных аналитических микроскопов, дифрактометров, в нейтронной радиографии, нейтронной терапии злокачественных новообразований.

Капиллярная нейтронно-оптическая система (КНОС) состоит из установленных соосно оптической оси системы источника нейтронов, входного коллиматора, поликапиллярной линзы (КЛ), выходного коллиматора, при этом входная часть КЛ, направленная на источник нейтронов, имеет действительный фокус, расположенный между входной частью КЛ и источником нейтронов, отверстие входного коллиматора выполнено в виде двух усеченных конусов, малые основания которых совпадают и расположены в фокальной плоскости входной части КЛ, радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к источнику нейтронов, равен радиусу источника нейтронов, радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к КЛ, равен радиусу входной части КЛ. Технический результат: получение пучков тепловых нейтронов различной конфигурации с минимальным гало фоновых излучений, расширение функциональных возможностей КНОС при снижении габаритов установок, повышение их радиационной безопасности. 2 табл., 7 ил.

Капиллярная нейтронно-оптическая система, состоящая из установленных соосно оптической оси системы источника нейтронов, входного коллиматора, поликапиллярной линзы (КЛ), выходного коллиматора, отличающаяся тем, что входная часть КЛ, направленная на источник нейтронов, имеет действительный фокус, расположенный между входной частью КЛ и источником нейтронов, при этом фокусное расстояние входной части КЛ выбирают из соотношения:

где

R - радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к источнику нейтронов;

r₁ - радиус отверстия входного коллиматора, примыкающего к КЛ;

θ_кр. - критический угол отражения нейтронов данной энергии от стенок капилляров КЛ;

L₁ - расстояние от источника нейтронов до входной части КЛ,

отверстие входного коллиматора выполнено в виде двух усеченных конусов, малые основания которых совпадают и расположены в фокальной плоскости входной части КЛ, радиус R отверстия входного коллиматора, примыкающего к источнику нейтронов, равен радиусу источника нейтронов, радиус r₁ отверстия входного коллиматора, примыкающего к КЛ, равен радиусу входной части КЛ.