ПРЕРЫВАТЕЛЬ НЕЙТРОННОГО ПУЧКА Российский патент 2019 года по МПК G21K1/93 

.

Изобретение относится к области нейтронной физики.

Рассеяние нейтронов широко используется при проведении современных физических исследований на реакторах, в частности, с использованием нейтронной рефлектометрии.

В результате измерений получают зависимость интенсивности рассеянного пучка от переданного импульса I(Q), где , λ - длина волны нейтрона, θ - угол скольжения.

При время-пролетных нейтронных измерениях с постоянным углом скольжения θ в для диапазона длин волн λ=λ_min÷λ_max можно получить соответствующий диапазон по переданному импульсу Q=Q_min÷Q_max.

В состав нейтронного рефлектометра при проведении время-пролетных измерений на нейтронных источниках с постоянным во времени нейтронным потоком должен входить прерыватель нейтронного пучка.

Известен простой однодисковый прерыватель пучка нейтронов (чоппер) с одним или несколькими окнами, описанный в ряде работ (см. [1, 2]).

1. Ю.А. Александров, Э.И. Шарапов, Л. Чер. Дифракционные методы в нейтронной физике. - М., Энергоиздат, 1981 г.

2. Ю.В. Никитенко, В.Г. Сыромятников. Рефлектометрия поляризованных нейтронов. - М., Физматлит, 2013 г.

Принцип работы однодискового прерывателя заключается в следующем. Диск прерывателя выполнен из материала, поглощающего нейтроны. Вблизи края диска вырезано одно или несколько окон. Диск вращается с большой скоростью. Перед прерывателем установлена диафрагма, ограничивающая пучок по ширине. При прохождении окна диска прерывателя вблизи диафрагмы возникает короткий нейтронный импульс, т.е. через окно прерывателя за малый промежуток времени проходит поток нейтронов, имеющих широкое распределение по длинам волн и, соответственно, по скоростям. Следовательно, при движении к детектору этот короткий нейтронный импульс значительно уширяется. Прерыватель создает такие кратковременные нейтронные импульсы через равные промежутки времени.

После рассеяния нейтронов на образце и регистрации их детектором с использованием временного анализа можно получить спектр нейтронов, т.е. зависимость интенсивности нейтронного потока от длины волны нейтрона.

Спектр «белого» нейтронного пучка I(λ), поступает на вход рефлектометра установки, работающего по времени пролета. В таком рефлектометре используются нейтроны в широком диапазоне длин волн λ=λ_min÷λ_max. Нейтроны с длинами волн λ>λ_max не используются в рефлектометре. Они образуют длинноволновый хвост спектра. Времена пролета расстояния L нейтронами с длинами волн λ_min и λ_max равны и , соответственно. Здесь L - расстояние от прерывателя до детектора или время-пролетная база. Промежуток времени между нейтронными вспышками равен τ₀. Он определяется соотношением где n - количество окон в диске, ν - частота вращения диска прерывателя. Для того, чтобы не было перемешивания нейтронов от соседних вспышек необходимо выполнение соотношения

Если в пучке есть нейтроны, образующие длинноволновый хвост спектра, т.е. нейтроны с длинами волн λ>λ_max, тогда это неравенство не будет выполняться, что приведет к явлению «рецикличности» («frame overlap»). В этом случае будет иметь место перемешивание нейтронов от соседних вспышек. При этом полученный нейтронный спектр будет искаженным. Его нельзя использовать. Таким образом, нейтроны с длинами волн λ>λ_max, необходимо убрать из пучка. Для этой цели часто используют зеркальный фильтр («frame overlap mirrors») - как систему для выведения из пучка, падающего на образец, нейтронов с длинами волн, превышающими максимальную длину волны, используемую при время-пролетных измерениях. Это система нейтронных зеркал, установленная в пучке таким образом, чтобы нейтроны с длинами волн λ>λ_max отразились и затем поглотились, а нейтроны в рабочем диапазоне длин волн λ=λ_min÷λ_max прошли через эту систему без отражения и с наименьшими потерями. Такой зеркальный фильтр имеет значительные размеры, очень сложен в настройке, что является первым недостатком однодискового прерывателя.

Разрешение по длине волны Δλ для однодискового прерывателя, определяется соотношением

Δλ - величина постоянная для всего рабочего диапазона длин волн λ=λ_min÷λ_max для однодискового прерывателя. Следовательно, относительное разрешение по длине волны - величина переменная, т.к. зависит от длины волны в спектре.

В результате время-пролетных измерений, как уже отмечалось выше, получаем зависимость интенсивности от переданного импульса I(Q). Относительное разрешение по переданному импульсу определяется соотношением:

Второе слагаемое здесь постоянная величина, т.к. Δθ и θ - постоянные величины, а - величина переменная, как уже отмечалось выше. Поэтому - величина переменная по всему спектру, и это обстоятельство в значительной мере затрудняет обработку и анализ, получаемых при измерениях время-пролетных спектров. Это является вторым недостатком однодискового прерывателя.

Коэффициент пропускания Т нейтронного потока через однодисковый прерыватель определяется соотношением:

где n - количество окон в диске прерывателя; d и d₀ - ширина окна диска и ширина диафрагмы перед прерывателем, соответственно; R - радиус диска. Рассмотрим соотношение (4). Разность λ_max-λ_min задается необходимым для проведения исследований диапазоном по переданному импульсу Q=Q_min÷Q_max. Этот диапазон при постоянном угле θ подразумевает использование широкого диапазона длин волн λ=λ_min÷λ_max, т.е. при этом разность λ_max-λ_min велика. Поэтому светосила прерывателя определяется одним параметром - величиной требуемого разрешения по длине волны Δλ, т.к. величина коэффициента пропускания Т мала и не превышает 0.01. Это является третьим недостатком однодискового прерывателя.

Известен двухдисковый прерыватель (чоппер), предложенный Ван Веллом и описанный им в работах [3, 4]:

3. A.A. van Well. Double disk chopper for neutron time-of-flight experiments. - Physica B180&181 (1992) 959.

4. A.A. van Well, H. Fredrikze. On the resolution and intensity of a time-of-flight neutron reflectometer. - Physica В 357 (2005) 204.

Этот прерыватель состоит из двух дисков, имеющих одинаковый радиус. На каждом диске вблизи его края прорезано по одному окну одинаковой ширины и высоты. При работе оси окон развернуты друг относительно друга на небольшой угол, равный угловой ширине окна.

Диски установлены жестко на одном валу, который вращается с большой угловой скоростью. При работе диски устанавливаются со смещением друг относительно друга на расстояние L₀ вдоль оси пучка. Ширина нейтронного импульса линейно растет с ростом длины волны для всех длин волн, удовлетворяющих неравенству

где: D - ширина окон в дисках, ν - частота вращения дисков, R - радиус дисков, λ₀ - предельная длина волны, при которой ширина нейтронного импульса максимальна.

Следовательно, для этого прерывателя относительное разрешение по длине волны не зависит от длины волны, т.е. это есть величина постоянная по всему спектру и задается соотношением:

где L - время-пролетная база рефлектометра. Это соотношение справедливо для всех длин волн, т.е. не зависит от длины волны, если λ<λ₀. Таким образом, здесь устраняется один из недостатков однодискового прерывателя, когда относительное разрешение по длине волны - величина переменная, т.к. зависит от длины волны в спектре.

Однако, в такой конструкции прерывателя отсутствует возможность изменения относительного разрешения по длине волны при время-пролетных измерениях с широким спектром длин волн.

Низкая светосила или небольшой коэффициент пропускания пучка через прерыватель, и необходимость использования зеркального фильтра «frame overlap mirrors» для устранения длинноволнового хвоста спектра, характерные для однодискового прерывателя также являются недостатками этого устройства.

Известен прерыватель, используемый в составе установки одного из самых современных нейтронных рефлектометров FIGARO (Институт Лауэ-Ланжевена, Гренобль, Франция). В работе [5] описан данный рефлектометр, включая прерыватель, который рассмотрен в качестве прототипа.

5. R.A. Campbell, Н.Р. Wacklin, I. Sutton, R. Cubitt, and G. Fragneto. FIGARO: The new horizontal neutron reflectometer at the ILL. - Eur. Phys. J. Plus 126 (2011) 107.

Данный прерыватель представляет собой сложную и протяженную конструкцию, состоящую из четырех простых одинаковых по размеру дисков с одним окном в каждом диске, выполненном из материала поглощающего нейтроны. Этот прерыватель также содержит систему для выведения из пучка, падающего на образец нейтронов с длинами волн, превышающими максимальную длину волны, используемую при время-пролетных измерениях. По краю каждого диска имеется по одному окну, которые имеют одинаковую высоту и ширину и обеспечивают прохождение пучка нейтронов при вращении дисков. Диски расположены последовательно вдоль оси пучка, на определенных расстояниях друг от друга, причем из четырех дисков одновременно работают только два соответствующих диска. Частоты и фазы вращения дисков синхронизованы так, что эта выбранная пара дисков работала как один двухдисковый прерыватель Ван Велла, когда на одном валу установлены и жестко закреплены два диска с окнами одинаковой ширины. Диски вращаются с одной частотой, и окна дисков развернуты на угол равный угловой ширине окна диска. Вращение остальных двух дисков синхронизовано так, что они совершенно не препятствуют прохождению нейтронов через их окна. Выбор пары дисков в этой системе определяется для конкретного время-пролетного измерения требуемым относительным разрешением по длине волны , которое может меняться в диапазоне. . Этот выбор зависит от решаемой физической задачи в данном измерении.

Это разрешение линейно зависит от расстояния между дисками согласно соотношению (6). При малом имеют высокое разрешение, но низкую интенсивность нейтронного потока на выходе из прерывателя. При высоком , напротив, имеют низкое разрешение по длине волны, но большую интенсивность. Из анализа работы данного прерывателя можно сделать заключение, что эта система формирования спектра в данной установке сложна и громоздка.

Преимуществом этого прерывателя перед вторым аналогом является возможность изменения относительного разрешения по длине волны при время-пролетных измерениях с широким спектром длин волн за счет установки 4-х дисков, работающих попарно.

У прототипа также остаются недостатки, свойственные аналогам: сложная система зеркального фильтра для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают максимальную длину волны, и низкий коэффициент пропускания пучка через данный прерыватель, т.е. низкая светосила.

Сложность установки - прототипа заключается в ее протяженности вдоль оси пучка и в необходимости проведения специальной юстировки системы зеркального фильтра перед началом работы.

Технический эффект заключается в упрощении конструкции прерывателя и его эксплуатации, в повышении коэффициента пропускания нейтронного потока или в увеличении светосилы, вследствие создания возможности формирования нейтронного спектра произвольной ширины и в заданном диапазоне длин волн.

Задача заключается в изменении конструкции с тем, чтобы устранить явление рецикличности более простым путем и увеличить коэффициент пропускания пучка через прерыватель (или увеличить светосилу).

Технический эффект достигается за счет того, что в известном прерывателе нейтронного пучка, содержащем диски, выполненные из материала, поглощающего нейтроны, и установленные последовательно и соосно вдоль оси пучка с возможностью синхронизированного вращения, а также систему для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают максимальную длину волны, причем на краю каждого диска выполнено по одному окну, эти окна имеют одинаковую высоту и обеспечивают прохождение пучка нейтронов при вращении дисков, новым является то, что прерыватель содержит три диска, в каждом из которых выполнено более одного окна, расположенных по окружности диска на одинаковом расстоянии друг от друга, причем все диски установлены с возможностью обеспечения фиксированных заданных углов между осью окна одного диска и осями окон двух других дисков, и третий диск выполнен с возможностью изменения ширины его окон, кроме того, между дисками введены пластины из нейтронопоглощающего материала, расположенные вблизи всех окон дисков перпендикулярно плоскости дисков, закрепленные на них, причем пластины и третий диск совместно образуют систему для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают максимальную длину волны.

Новым также является то,

- что третий диск для обеспечения возможности изменения ширины его окон выполнен из двух одинаковых частей; или на окнах третьего диска выполнены шторки из нейтронопоглощающего материала,

- диски для обеспечения их вращения установлены на одном валу; или диски установлены на отдельных валах.

Из источников патентной и научно-технической информации подобное устройство не выявлено.

Заявляемые конструктивные признаки устройства позволили исключить сложную и протяженную систему зеркального фильтра для устранения длинноволнового хвоста в прототипе и заменить эту систему более простыми узлами - это специальная конструкция третьего диска в прерывателе и нейтронопоглощающие пластины на дисках; достигнуты новые возможности формирования нейтронного спектра произвольной ширины и в заданном диапазоне длин волн, устранены причины, свойственные прототипу, не позволяющие достигнуть увеличения коэффициента пропускания нейтронного потока через прерыватель. Все это в совокупности позволяет увеличить коэффициент пропускания нейтронного потока через прерыватель, уменьшить время измерения и упростить обработку спектров.

На фиг. 1 представлена схема заявляемого прерывателя нейтронного пучка в трех видах: (а - вид сверху, б - вид сбоку, в - вид спереди): 1 - диафрагма, 2 - 1-й диск прерывателя, 3 - окно 1-го диска прерывателя, 4 - 2-й диск прерывателя, 5 - окно 2-го диска прерывателя, 6 - 3-й диск прерывателя, 7 - окно 3-го диска прерывателя, 8 - поглощающая пластина, 9 - двигатель, вращающий диски прерывателя, 10 - вал двигателя. Все окна одинаковой высоты и расположены по окружности дисков на одинаковом расстоянии друг от друга.

На этой фигуре показано по два окна в каждом диске. Количество наборов окон в дисках больше одного и зависит от решаемой физической задачи.

Диски - 2, 4, 6 имеют один диаметр R и установлены параллельно друг другу на расстояниях L₀₁ (между 1-ми 2-м дисками) и L₀₂ (между 2-м и 3-м дисками), жестко закреплены на одном валу 9 двигателя 10, либо на разных валах. Диски выполнены из материала, поглощающего нейтроны. Каждый из дисков установлен с возможностью обеспечения фиксированных заданных углов между осью окна одного диска и осями окон двух других дисков, т.е. диски на валу могут быть повернуты, а значит, и развернуты оси окон относительно друг друга. После достижения нужного угла между осями окон положение дисков фиксируется на валу.

Ширины 1-го, 2-го и 3-го окна равны d, d₂₁ и d₂, соответственно. Ширина окна конструктивно меняется только в 3-м диске перед проведением время-пролетных измерений (см. ниже). Все окна дисков одинаковы по высоте. Сдвиги начальных краев окон 2-го и 3-го дисков относительно начального края окна 1-го диска равны d₂₀ и d₁₁, соответственно. Сдвиг конечного края окна третьего диска относительно начального края окна 1-го диска равен d₁. Данные сдвиги получают путем поворота дисков на небольшие углы ϕ_i, определяемые из простого соотношения ϕ_i=d_i/R, где R - радиус дисков. Ширина диафрагмы перед прерывателем равна d₀. Пластины 8, выполненные из нейтронопоглощающего материала, закреплены на дисках перпендикулярно их поверхностям вблизи окон и перекрывают их размеры.

На фиг. 2 представлена подробная схема расположения всех окон и поглощающих пластин в заявляемом трехдисковом прерывателе нейтронного пучка.

Перед началом каждого из время-пролетных измерений определенного участка спектра необходимо настроить прерыватель.

Для этого для требуемого спектрального диапазона λ=λ_min÷λ_max, необходимо перед этими измерениями установить соответствующую ширину окна 7 третьего диска - 6 и развернуть диски (2, 4) таким образом, чтобы оси окон 3, 5, 7 были повернуты на соответствующие углы друг относительно друга. При вращении дисков прерывателя во время измерений данная конфигурация должна быть неизменной. Поэтому диски жестко фиксируются на валу - 9. Если диски находятся на разных валах, то их движение должно быть соответствующим образом синхронизовано.

Из условия проведения время-пролетных измерений без рецикличности соотношение (1) необходимо рассмотреть как равенство. При этом можно найти предельное число окон n в прерывателе, при котором еще нет рецикличности:

Между дисками, вблизи окон, перпендикулярно плоскостям дисков закреплены на дисках пластины 8, выполненные из нейтронопоглощающего материала. Пластины 8 между дисками вблизи их окон, как метла, при поглощении убирают из прошедшего пучка самые длинноволновые нейтроны с λ>>λ_max. Это необходимо для того, чтобы эти нейтроны не прошли через окна 2-го и 3-го дисков при последующих нейтронных импульсах и не создали рецикличность. Параметры краев окна 3-го диска, обозначенные буквами «а» и «б», определяют величины граничных длин волн λ_min и λ_max в спектре пучка, прошедшего через прерыватель. Таким образом, пластины из нейтронопоглощающего материала и третий диск образуют систему для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают максимальную длину волны.

Используя параметры прерывателя, представленные на фиг. 1 при d₂₀=d после преобразований можно написать соотношения для величин λ_min, λ_max и их разности:

где ν и R - частота вращения и радиус дисков прерывателя, соответственно.

Как следует из выражений (8) и (9), при одинаковых параметрах ν, R, L₀₁, L₀₂, d, d₀ минимальная длина волны λ_min определяется параметром d₁₁, задающим край «а» окна 3-го диска, а максимальная длина волны λ_max определяется параметром d₁, задающим край «б» этого же окна. Таким образом, изменяя параметры окна 3-го диска d₁ и d₁₁ можно изменять величины λ_min и λ_max независимо друг от друга. Но, если ширина окна 3-го диска d₂ не изменяется при изменении других параметров этого окна (d₁ и d₁₁), то, как следует из (9) не меняется и разность λ_min-λ_max. В частном случае, если проводить время-пролетные измерения для ряда последовательных поворотов третьего диска относительно первого на малые углы при постоянном d₂, то можно просканировать выбранным спектральным интервалом Δλ=λ_max - λ_min весь спектр!

Таким образом, с помощью предлагаемого прерывателя можно не только выводить из пучка хвост длинноволновых нейтронов с λ>λ_max, но и формировать нейтронный спектр заданной ширины и в заданном диапазоне нейтронных длин волн - что не решено в прототипе Количество комплектов окон в дисках предлагаемого прерывателя больше одного и зависит от решаемой конкретной физической задачи.

Для предлагаемого прерывателя, относительное разрешение по длине волны не зависит от длины волны, т.е. это есть величина постоянная по всему спектру и задается соотношением:

где L - длина время-пролетной базы рефлектометра. Это соотношение справедливо при d₂₀=d для длин волн

На фиг. 3 представлена диаграмма «время-расстояние», которая описывает движение нейтронов между дисками внутри предлагаемого трехдискового прерывателя. Дугами отмечены ширины нейтронных импульсов, прошедших через окно 2-го диска для длин волн λ_min, λ_max, λ₀. Пунктирные линии соответствуют нейтронам λ_min и λ_max, которые не проходят через окно 3-го диска прерывателя. Как следует из рисунка, все нейтроны с длиной волны λ₀, прошедшие через окно 1-го диска проходят и через окно 2-го диска, но затем поглощаются в материале 3-го диска, т.к. λ_max<λ₀. Ширина нейтронного импульса, прошедшего через прерыватель, ограничена интервалом, границы которого отмечены буквами «а» и «б», т.е. шириной третьего окна, которая может регулироваться.

Регулировка ширины третьего окна и параметров его краев «а» и «б» перед каждым время-пролетным измерением может осуществляться также с помощью поглощающих шторок, установленных на каждом окне третьего диска. На фиг. 4а, б, в представлена еще одна из возможных конструкций третьего диска прерывателя. Он составлен из двух одинаковых частей для обеспечения возможности изменения ширины его окон. Каждая из его частей 3-1 (фиг. 4а) и 3-2 (фиг. 4б), имеет по одному окну шириной w. Следует отметить, что количество окон должно быть не меньше двух, а на фиг. 4 показано по одному окну для упрощения. Диски выполнены из поглощающего материала и установлены соосно на одном валу на минимальном расстоянии друг от друга. Эти диски сближаются друг с другом и разворачиваются друг относительно друга на небольшой угол, так что результирующая ширина полученного окна может быть меньше w. Кроме того, ось полученного окна В должна быть дополнительно развернута относительно оси окна А первого диска на определенный угол (фиг. 4в). При этом края полученного окна обозначены буквами «а» и «б». Эти края окна 3-го диска также показаны на фиг. 1. Параметры краев этого окна, в соответствии с выражениями (8) и (9), задают минимальную и максимальную длину волны в спектре пучка, прошедшего через прерыватель. После вышеописанного соединения двух дисков 3-1 и 3-2, полученная их конфигурация фиксируется и прерыватель готов для время-пролетных измерений в интервале длин волн λ=λ_min÷λ_max. Такая конструкция 3-го диска позволяет автоматизировать процесс изменения результирующей ширины окна 3-го диска и разворота оси этого окна относительно оси окна 1-го диска при неподвижном прерывателе перед каждым время-пролетным измерением. Если диски 3-1 и 3-2 установить на независимые валы с соответствующими приводами и синхронизировать их вращение, то установку эффективной ширины окна 3-го диска и разворот оси этого окна относительно оси окна 1-го диска можно проводить автоматически без остановки прерывателя. Можно также использовать два вала для независимого вращения 1-го и 2-го дисков, причем вращения этих дисков должны осуществляться с одинаковой частотой и быть синхронизированы между собой и третьим диском.

Соотношение для спектрального коэффициента пропускания нейтронного потока через трехдисковый прерыватель для случая одинаковых ширин окон 1-го и 2-го дисков (т.е. d₂₁=d, см., фиг. 1) и поворота оси окна 2-го диска относительно оси окна 1-го диска на ширину окна этих дисков (т.е. d₂₀=d, см., фиг. 1) получено в следующем виде для соответствующих диапазонов длин волн λ и длины волны λ₀:

Величины λ₁ и λ₂ определены из соотношений:

На фиг. 5 представлен график спектральной зависимости коэффициента пропускания Т(λ) нейтронного пучка через предлагаемый прерыватель, полученный с использованием выражений (12) - (16).

Рассмотрим работу заявляемого прерывателя нейтронного пучка.

Пучок нейтронов с широким диапазоном длин волн (скоростей) проходит через диафрагму 1 и поступает через окно 3 1-го диска в пространство между 1-ми 2-м дисками прерывателя. Далее нейтроны проходят через окно 5 2-го диска в пространство между 2-м и 3-м дисками. При этом образуется нейтронный импульс, ширина, которого зависит линейно от длины волны нейтрона, т.к. первые два диска прерывателя работают также, как во втором аналоге. Следовательно, относительное разрешение по длине волны для данного широкого спектра является постоянной величиной. Затем нейтроны проходят через окно 7 3-го диска. Причем спектр, прошедшего пучка через это окно ограничен длинами волн λ_min и λ_max в соответствии с выражениями (8) и (9), в которые входят параметры краев «а» и «б» 3-го диска. Нейтроны с длинами волн λ<λ_min и λ>λ_max поглощаются в материале 3-го диска и в поглощающих пластинах 8.

Рассмотрим преимущества заявляемого прерывателя перед прототипом -системой прерывателей нейтронного рефлектометра FIGARO.

Для спектра разность времен пролета нейтронов с λ_min и λ_max время-пролетной базы L=6 м будет равна Δτ=τ_max-τ_min=27.3 msec и предельное количество пар окон в дисках системы прерывателей FIGARO, при котором, еще не будет рецикличности, равно n=1. Сузим спектральный интервал в 3 раза, до , тогда Δτ=τ_max-τ_min=9.1 msec и предельное количество пар окон, в соответствии с соотношением (7), будет равно n=3, т.е. в 3 раза больше по сравнению с начальным спектром при неизменном разрешении по длине волны. Соответственно в 3 раза возрастет и коэффициент пропускания нейтронного пучка через заявляемый прерыватель, в соответствии с соотношением (4)! Для прототипа такое сужение спектрального интервала сделать невозможно, и, соответственно увеличить коэффициент пропускания через систему прерывателей, а для предлагаемого прерывателя это легко достижимо.

Можно провести время-пролетные измерения в диапазоне длин волн за три измерения в трех спектральных диапазонах Измерения следует провести с одинаковыми параметрами прерывателя, поворачивая 3-й диск относительно 2-го, т.е. при постоянном значении d₂ меняя величины d₁ u d₁₁ (см. соотношения (8) и (9)) перед каждым измерением соответствующего диапазона спектра.

Сравним однократное измерение с полным спектром с тремя измерениями с усеченными спектрами: Будем измерять эти три укороченных спектра с одинаковой статистикой. При измерении полного спектра времена набора для получения одинаковой статистики для трех спектральных диапазонов обозначим t₁, t₂ и t₃, соответственно. Следует отметить, что времена наборов t₁, t₂ u t₃ могут значительно отличаться друг от друга. Оценим фактор выигрыша У в суммарном времени измерений трех отдельных спектров Т₁₂₃ по сравнению с временем измерения T₀ одного полного спектра У определяется соотношением:

Используем также еще соотношения:

где N - отношение числа комплектов окон в дисках прерывателя при работе с короткими спектрами с к числу комплектов окон прерывателя при работе с полным спектром . Допустим, что t₃>t₁ u t₂. Следовательно, время набора полного спектра будет определяться временем t₃, а времена наборов трех отдельных спектров при этом будут равны , и . Тогда

Для нашего примера N=3. Если спектр однородный, то t₁=t₂=t₃=t и γ=1, т.е. выигрыша во времени измерения нет. Если спектр неоднородный (что справедливо для большинства образцов) и, например, t₃≥t₁+t₂, тогда выигрыш будет заметный 1.5≤γ<3!

Таким образом, с помощью заявляемого прерывателя, конструкция которого позволяет разбить весь спектр на несколько участков (здесь формирование спектра происходит путем разбиения широкого спектра на три узких смежных спектральных интервала), можно значительно увеличить коэффициент пропускания нейтронного пучка через прерыватель (т.е. увеличить светосилу устройства) для каждого из этих узких смежных спектральных интервалов и за счет этого уменьшить общее время время-пролетных измерений образцов. При этом конструкция и эксплуатация всего прерывателя значительно упрощена по сравнению с прототипом за счет предлагаемой конструкции системы выведения из пучка тех нейтронов, длины волн которых превышают максимальную длину волны, используемую при время-пролетных измерений.

В итоге, при использовании вышеупомянутых свойств, параметров и особенности конструкции заявляемого прерывателя достигается технический эффект.

Для предлагаемого прерывателя также, как и для прототипа, возможно изменение величины относительного разрешения по длине волны при проведении время-пролетных измерений. Для этого необходимо проводить измерения при нескольких величинах расстояния L₀₁ между 1-ми 2-м дисками. Тогда, согласно выражению (10) получим несколько величин . При этом 1-й и 2-й диски могут находиться, как на одном валу, как показано на фиг. 1, так и быть независимы друг от друга на разных валах, имея каждый собственный двигатель. Вращения дисков при этом должны быть с одной частотой и синхронизированы.

В качестве одного из возможных дополнительных применений предлагаемого прерывателя можно рассмотреть использование его для получения высокого разрешения по длине волны.

Как известно, на нейтронных рефлектометрах, работающих на монохроматических пучках относительное разрешение по длине волны (см., например, нейтронный рефлектометр Супер АДАМ (Институт Лауэ Ланжевена, Гренобль, Франция) [6]: https://www.ill.eu/instruments-support/instruments-groups/instruments/superadam/description/). С помощью заявляемого прерывателя можно это разрешение значительно улучшить.

Это важно при решении ряда физических задач. Например, при проведении рефлектометрических исследований неупругого рассеяния нейтронов.

Рассмотрим нейтронный рефлектометр с Рассмотрим при этом узкий спектральный диапазон В этом случае можно использовать предлагаемый прерыватель в двухдисковом варианте: только 1-й и 3-й диски, т.к. спектр очень узкий, и изменение относительного разрешения по длине волны от длины волны не существенно. Параметры прерывателя в этом случае можно предложить следующие:

ν=100 rpm, R=0.25 m, L=5 m, L₀₁=0.2 m, d=d₀=0.5 mm, d₂=0.6 mm, n=39.

Следует подчеркнуть, что количество окон в каждом из дисков велико и равно n=39. В результате, после вычислений получим величину относительного разрешения по длине волны

Пропускание нейтронного пучка через прерыватель

Таким образом, в данном случае разрешение по длине волны улучшилось не менее чем в 10 раз. При этом коэффициент пропускания нейтронного потока через прерыватель составил 0.025. Такого коэффициента пропускания нельзя добиться со стандартным однодисковым прерывателем и прототипом.

Литература

1. Ю.А. Александров, Э.И. Шарапов, Л. Чер. Дифракционные методы в нейтронной физике. - М., Энергоиздат, 1981 г., 216 с.

2. Ю.В. Никитенко, В.Г. Сыромятников. Рефлектометрия поляризованных нейтронов. - М., Физматлит, 2013 г., 224 с.

3. A.A. van Well. Double disk chopper for neutron time-of-flight experiments. - Physica В 180-181 (1992) 959.

4. A.A. van Well, H. Fredrikze. On the resolution and intensity of a time-of-flight neutron reflectometer. - Physica В 357 (2005) 204.

5. R.A. Campbell, H.P. Wacklin, I. Sutton, R. Cubitt, and G. Fragneto. FIGARO: The new horizontal neutron reflectometer at the ILL. - Eur. Phys. J. Plus 126 (2011) 107 - прототип

6. https://www.ill.eu/instruments-support/instruments-groups/instraments/superadam/description/.

Изобретение относится к прерывателю нейтронного пучка. Прерыватель содержит три синхронно вращающихся диска, в которых выполнены окна. Диски установлены на валу таким образом, что они могут быть развернуты на заданный угол. Третий диск выполнен с возможностью изменения ширины окон. Для этого можно на этом диске сделать шторки либо сделать этот диск состоящим из двух одинаковых частей, которые могут быть развернутыми на валу относительно друг друга, что позволит изменять ширину окон. На дисках закреплены пластины из нейтронопоглощающего материала. Пластины и третий диск образуют систему для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают требуемую максимальную длину волны. Техническим результатом является упрощение конструкции, устранение рецикличности, увеличение светосилы, возможность формирования спектра произвольной ширины и в заданном диапазоне длин волн. 4 з.п. ф-лы, 5 ил.

1. Прерыватель нейтронного пучка, содержащий диски, выполненные из материала, поглощающего нейтроны, и установленные последовательно и соосно вдоль оси пучка с возможностью синхронизированного вращения, а также систему для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают максимальную длину волны, причем на краю каждого диска прорезано по одному окну, эти окна имеют одинаковую высоту и обеспечивают прохождение пучка нейтронов при вращении дисков, отличающийся тем, что прерыватель содержит три диска, в каждом из которых прорезано более одного окна, расположенных по окружности диска на одинаковом расстоянии друг от друга, причем каждый из дисков установлен с возможностью установки фиксированных заданных углов между осью окна этого диска и осями окон других двух дисков, и третий диск выполнен с возможностью изменения ширины его окон, кроме того, между дисками введены пластины из нейтронопоглощающего материала, расположенные вблизи всех окон дисков перпендикулярно плоскости дисков, закрепленные на них, и пластины и третий диск совместно образуют систему для выведения из пучка тех нейтронов, падающих на образец, длины волн которых превышают максимальную длину волны.

2. Прерыватель нейтронного пучка по п. 1, отличающийся тем, что третий диск выполнен из двух одинаковых частей для обеспечения возможности изменения ширины его окон.

3. Прерыватель нейтронного пучка по п. 1, отличающийся тем, что на окнах третьего диска выполнены шторки из нейтронопоглощающего материала для обеспечения возможности изменения ширины окон.

4. Прерыватель нейтронного пучка по п. 1, отличающийся тем, что диски установлены на одном валу для обеспечения их вращения.

5. Прерыватель нейтронного пучка по п. 1, отличающийся тем, что диски установлены на отдельных валах для обеспечения их вращения.