Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой Российский патент 2021 года по МПК G21K1/04 H05H3/00 

Область техники

Изобретение относится к ядерной физике, а именно к получению нейтронного пучка с помощью прерывателя.

Времяпролетная методика рассеяния нейтронов подразумевает определение энергии нейтронов по времени их пролета от замедлителя до детектора. Очевидно, что точность определения этого времени, и определяет точность вычисления энергии нейтронов. В случае импульсного источника с шириной импульса на несколько порядков меньшей чем время пролета, точности определения энергии нейтронов будет достаточно. На стационарных источниках нейтронов нейтронный поток постоянен во времени и для проведения экспериментов рассеяния по времени пролета необходимо выделять узкий импульс интенсивности. Кроме того, возможна и другая ситуация. Длительность импульса источника может быть достаточно малой, но помимо основного импульса может присутствовать постоянная составляющая источника, не зависящая от времени. Например, на импульсных источниках, где используются делящиеся материалы, возникает медленное квазипостоянное излучение запаздывающих нейтронов, характерное время излучения которых может достигать от микросекунд до нескольких минут. Таким образом, в обоих случаях необходимо выделять узкий во времени импульс интенсивности.

Уровень техники

Одним из устройств, которое применяется для выделения импульса, является механический селектор с одной щелью описанный в ряде работ ([1] В.Ф. Турчин. Медленные нейтроны. - М., Госатомиздат, 1963 г.; [2] И.И. Гуревич, Л.В. Тарасов. Физика нейтронов низких энергий. - М., Наука, 1965 г.).

Принцип работы механического селектора с одной щелью заключается в следующем. Рассмотрим случай применения такого селектора на импульсном источнике нейтронов в котором присутствует квазипостоянное излучение запаздывающих нейтронов, которое формирует постоянный поток нейтронов во времени между импульсами источника (фиг. 1). Селектор представляет из себя вращающийся цилиндр, выполненный из поглощающего нейтроны материала. Перпендикулярно оси цилиндра прорезана щель. Ось вращения совпадает с осью цилиндра и расположена вертикально, перпендикулярно пучку нейтронов. Минимально допустимое расположение селектора к источнику нейтронов составляет величину порядка 5 метров, и определяется биологической защитой источника. При вращении ротора направление щели периодически совпадает с направлением движения нейтронов, и нейтроны в течение коротких промежутков времени проходят через них, образуя периодические импульсы. В образующемся импульсе присутствуют нейтроны различных скоростей, диапазон которых зависит от скорости вращения, формы и ширины щели. Таким образом, используя ротор с искривленной формой щели можно получить грубо монохроматический пучок. Чем шире щель ротора, тем больше диапазон длин волн создаваемого импульса, что в свою очередь важно для эксперимента. Больший диапазон длин волн позволяет получить больше информации в результате рассеяния. Однако, с увеличением щели увеличивается и время открытия ротора, что ухудшает относительное временное разрешение. Таким образом, в таком механическом селекторе, настроенном на широкий диапазон длин волн, разрешения для проведения точных экспериментов может быть недостаточно, что является первым недостатком такого селектора.

Вторым недостатком такого устройства является то, что достаточно широкая щель дает возможность нейтронам, которые испускаются между импульсами свободно пролетать через ротатор и создавать фон, тем самым ухудшая разрешение (фиг. 2). Через щель вращающегося селектора могут пройти нейтроны вылетевшие с поверхности замедлителя во время импульса 1 в диапазоне длин волн λ_{pulse min} - λ_{pulse max} и нейтроны вылетевшие с квазипостоянной подложки 2 в диапазоне длин волн λ_{bkg min} - λ_{bkg max}, остальные нейтроны будут поглощены материалом из которого изготовлен ротор 4. Детекторная система 3 регистрирует моменты прибытия нейтронов. Как видно, нейтроны, вылетающие с подложки 2, могут быть зарегистрированы системой как нейтроны, вылетевшие из импульса 1. Однако, скорости таких нейтронов на самом деле различны, что и скажется на качестве получаемого спектра.

Известен прерыватель для медленных нейтронов, предложенный Э. Ферми ([2], [3] Е. Fermi. Neutron velocity selector. US2524379A, 1950-10-03).

Такой прерыватель похож на первый аналог. Отличие состоит в том, что цилиндр набран из расположенных вдоль оси и чередующихся тонких слоев алюминия и кадмия. Алюминий слабо поглощает медленные нейтроны, а кадмий, напротив, почти полностью их поглощает. Вращение цилиндра происходит вокруг его оси расположенной вертикально, перпендикулярно пучку нейтронов, аналогично первому аналогу. В таком случае нейтроны проходят сквозь цилиндр лишь при параллельном расположении слоев пучку нейтронов. Таким образом, непрерывный поток разбивается на отдельные импульсы.

Первым недостатком такого устройства является слабая проходимость полезного нейтронного потока. Алюминий, в целом, хорошо пропускает нейтроны, но длина пробега через него довольно большая и составляет десятки сантиметров. Таким образом, для нейтронов с длиной волны 2-3 ангстрема ослабление потока может составить 50 процентов.

Вторым недостатком такого устройства является ограничение диапазона доступных энергий нейтронов. Каналы в таком прерывателе узкие, поэтому время открытия очень мало. В связи с этим, только те нейтроны скорость которых превышает определенную величину могут пролететь через ротор без поглощения. Это значит, что диапазон длин волн будет ограничен некой максимальной длиной волны, которая обычно для такого прерывателя составляет величину 1-2 ангстрема.

Также известен однодисковый прерыватель пучка нейтронов, с одним или несколькими окнами, широко применяющийся в нейтронных центрах. Описание такого устройства приводится в работах ([4] Ю.А. Александров, Э.И. Шарапов, Л. Чер. Дифракционные методы в нейтронной физике. - М., Энергоиздат, 1981 г, [5] А.Б. Белушкин. Введение в методику рассеяния нейтронов. - М., Курс лекций, 2000 г.).

Данное устройство представляет собой диск частично или полностью выполненный из поглощающего нейтроны материала с возможностью вращения вокруг своей оси. Вблизи края диска вырезано одно или несколько окон. Толщина диска обычно составляет величину не более 5 сантиметров. Перед прерывателем установлена диафрагма, ограничивающая размеры падающего пучка таким образом, чтобы падающие нейтроны проходили лишь через ту область, где на диске присутствуют вырезы. При вращении диска в небольшие промежутки времени нейтроны пролетают через вырез или несколько вырезов, формируя импульсы интенсивности. Так как толщина диска небольшая и время пролета через такую толщину много меньше времени открытия, то через такое окно могут пролететь нейтроны с большим распределением по скоростям (фиг. 3). Через щель вращающегося селектора могут пройти нейтроны вылетевшие с поверхности замедлителя во время импульса 1 в диапазоне длин волн λ_{pulse min} - λ_{pulse max}, и нейтроны вылетевшие с квазипостоянной подложки 2, в диапазоне длин волн λ_{bkg min} - λ_{bkg max}, остальные нейтроны будут поглощены материалом из которого изготовлен диск 5. Детекторная система 3 регистрирует моменты прибытия нейтронов. Как видно, нейтроны, вылетающие с подложки 2, могут быть зарегистрированы системой как нейтроны, вылетевшие из импульса 1. Однако, скорости таких нейтронов на самом деле различны, что и скажется на качестве получаемого спектра. Такие нейтроны будут являться источником фона на детекторе, ухудшая разрешающую способность инструмента. Это обстоятельство является первым и основным недостатком дискового прерывателя.

Вторым недостатком такого прерывателя является недостаточная толщина поглощающего нейтроны материала для поглощения быстрых нейтронов. Такие нейтроны будут дополнительно увеличивать фон на детекторе.

Известен механический селектор скоростей ([6] В. Alefeld, L. Dohmen, Velocity selector for the monochromatization of a neutron beam. EP1151440B1, 2008-04-23) Монохроматор имеет форму цилиндра, к внешним стенкам которого по всей поверхности прикреплены тонкие пластины из поглощающего нейтроны материала, (фиг. 5) Пластины формируют каналы одинаковой постоянной ширины под некоторым углом к оси цилиндра. Ось вращения совпадает с осью цилиндра и направлением пучка нейтронов. Монохроматор устанавливается таким образом, чтобы направление полета нейтронов приходилось на внешнюю область цилиндра, где расположены каналы из поглощающего нейтроны материала. Таким образом, при вращении описываемого устройства сквозь каналы смогут пролететь нейтроны только в очень узком диапазоне скоростей, остальные же будут поглощены. Данное устройство будет рассмотрено в качестве прототипа.

Такой селектор применяется только для монохроматизации пучка, формируя очень узкий диапазон длин волн нейтронов, в следствие использования одинаковых узких каналов постоянной ширины (фиг. 6). Характерное разрешение по длине волны такого устройства не превышает нескольких процентов. В результате селектор, настроенный на длину волны 2 ангстрема, пропустит через себя пучок нейтронов в диапазоне 1.9-2.1 ангстрем. Однако для времяпролетных измерений требуется минимальный диапазон 1.5-5 ангстрема. Таким образом, использование селектора данного типа, не позволит получить необходимый спектр нейтронов в достаточно широком диапазоне длин волн.

Кроме того, конфигурация каналов такого устройства не дает ограничений на время видимости поверхности замедлителя. Поэтому такое устройство не может решить основную задачу прерывателя для времяпролетной методики - создать достаточно узкий импульс интенсивности.

Из источников патентной и научно-технической информации устройство с необходимым технических эффектом, не выявлено.

Сущность изобретения

Техническая задача заключается в увеличении разрешающей способности инструмента и улучшении качества набираемых спектров, т.е. увеличении диапазона длин волн нейтронов и в тоже время селекцией нейтронов по времени вылета с поверхности замедлителя. Все это в совокупности позволит выделить достаточно узкий для хорошего разрешения импульс интенсивности нейтронов, обладающий широким спектром по длинам волн, и убрать из пучка нейтронов фоновые нейтроны, ухудшающие разрешающую способность инструмента.

Необходимо изменить конструкцию таким образом, чтобы через механический фильтр нейтронного пучка могли пролететь только те нейтроны, которые были выпущены с поверхности замедлителя в узкий диапазон времени, а другие нейтроны были поглощены.

Технический эффект достигается за счет того, что заготовка представляет собой форму цилиндра, к внешним стенкам которого прикреплены тонкие пластины из поглощающего нейтроны материала, формирующие отдельные каналы, линейно расширяющиеся вдоль оси цилиндра по направлению пучка под некоторым углом к оси цилиндра, и на области поверхности цилиндра, где отсутствуют каналы, добавлен слой из поглощающего нейтроны материала с толщиной большей или равной высоте каналов.

Новым также является то,

- что цилиндрическая заготовка также выполнена из поглощающего нейтроны материала,

- что начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения увеличивается,

- что толщина пластин, формирующих отдельные каналы, линейно увеличивается вдоль оси цилиндра по направлению пучка,

- что начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения увеличивается, и толщина пластин, формирующих отдельные каналы, линейно увеличивается вдоль оси цилиндра по направлению пучка,

- что начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения увеличивается, толщина пластин, формирующих отдельные каналы, линейно увеличивается вдоль оси цилиндра по направлению пучка, и начальная толщина каждой последующей пластины по ходу вращения уменьшается.

Заявленные конструктивные признаки устройства позволили сохранить в спектре пучка нейтронов только те нейтроны, которые будут вылетать с поверхности замедлителя в узкий промежуток времени; увеличение толщины поглощающего материала предотвращает проникновение быстрых нейтронов. Все это в совокупности позволяет увеличить разрешающую способность инструмента и улучшить качество набираемых спектров.

Перечень фигур

Фиг. 1 Временная зависимость интенсивности потока нейтронов рассматриваемого импульсного источника с квазипостоянной компонентой излучения.

1 - основной импульс источника;

2 - квазипостоянная составляющая импульсного источника нейтронов;

I - интенсивность потока нейтронов;

t - ось времени.

Фиг. 2 Времяпролетная диаграмма, которая описывает принцип действия первого аналога - механический селектор с одной щелью [1], [2].

L - пролетная база;

t - ось времени;

1 - основной импульс источника;

2 - квазипостоянная составляющая импульсного источника нейтронов;

3 - детекторная система;

4 - материал изготовления ротора (поглощающий нейтроны);

λ_{pulse min} - минимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают во время действия импульса интенсивности;

λ_{pulse max} - максимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают во время действия импульса интенсивности;

λ_{bkg min} - минимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают в некоторый момент времени между импульсами интенсивности;

λ_{bkg max} - максимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают в некоторый момент времени между импульсами интенсивности.

Фиг. 3 Времяпролетная диаграмма, которая описывает принцип действия третьего аналога - дискового прерывателя с одной щелью [4], [5].

L - пролетная база;

t - ось времени;

1 - основной импульс источника;

2 - квазипостоянная составляющая импульсного источника нейтронов;

3 - детекторная система;

5 - материал изготовления диска (поглощающий нейтроны);

λ_{pulse min} - минимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают во время действия импульса интенсивности;

λ_{pulse max} - максимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают во время действия импульса интенсивности;

λ_{bkg min} - минимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают в некоторый момент времени между импульсами интенсивности;

λ_{bkg max} - максимальная доступная длина волны тех нейтронов, которые вылетают в некоторый момент времени между импульсами интенсивности.

Фиг. 4 Временная диаграмма селекции скоростей нейтронов последовательностью из двух дисковых прерывателей [4], [5] с временными окнами τ₁ и τ₂.

L - пролетная база;

t - ось времени;

τ₁ - время открытия окна первого прерывателя;

τ₂ - время открытия окна второго прерывателя;

- расстояние между прерывателями;

L_a - расстояние от поверхности замедлителя до первого дискового прерывателя;

Δτ - время видимости поверхности замедлителя.

Фиг. 5 Схематичный вид прототипа - механического селектора скоростей [6].

6 - каналы селектора;

8 - пластины из поглощающего нейтроны материала.

Фиг. 6 Временная диаграмма, которая описывает принцип действия прототипа - механического селектора скоростей [6].

L - пролетная база;

t - ось времени;

- длина селектора;

L_a - расстояние от поверхности замедлителя до селектора;

Δτ' - время видимости поверхности замедлителя нейтронами одного канала селектора;

6 - каналы селектора;

8 - пластины из поглощающего нейтроны материала.

Фиг. 7 Временная диаграмма механического фильтра нейтронного пучка с длинными узкими каналами из нейтронопоглощающего материала.

L - пролетная база;

t - ось времени;

- длина фильтра;

L_a - расстояние от поверхности замедлителя до фильтра;

Δτ - время видимости поверхности замедлителя;

6 - каналы фильтра;

7 - материал изготовления фильтра (поглощающий нейтроны);

8 - пластины из поглощающего нейтроны материала.

Фиг. 8 Схематичный вид механического фильтра нейтронного пучка с временной фокусировкой.

6 - каналы фильтра;

7 - материал изготовления фильтра (поглощающий нейтроны);

8 - пластины из поглощающего нейтроны материала;

δ - начальный угловой раствор каждого из каналов.

Фиг. 9 Временная диаграмма механического фильтра нейтронного пучка с временной фокусировкой с последовательным увеличением начальной ширины каналов.

L - пролетная база;

t - ось времени;

- длина фильтра;

L_a - расстояние от поверхности замедлителя до фильтра;

Δτ_n - время видимости поверхности замедлителя n-ым каналом;

6 - каналы фильтра;

7 - материал изготовления фильтра (поглощающий нейтроны);

8 - пластины из поглощающего нейтроны материала.

Фиг. 10 Временная диаграмма механического фильтра нейтронного пучка с временной фокусировкой с последовательным увеличением начальной ширины каналов, линейным увеличением толщины пластин вдоль направления пучка нейтронов, и последовательным уменьшением начальной толщины пластин.

L - пролетная база;

t - ось времени;

- длина фильтра;

L_a - расстояние от поверхности замедлителя до фильтра;

Δτ_n - время видимости поверхности замедлителя n-ым каналом;

6 - каналы фильтра;

7 - материал изготовления фильтра (поглощающий нейтроны);

8 - пластины из поглощающего нейтроны материала.

Осуществление изобретения

Рассмотрим механизм работы фильтра нейтронного пучка более детально. На времяпролетной диаграмме L-t, скорость нейтрона определяется углом наклона прямой, пересекающей временную ось. Представим один канал такого фильтра как последовательность двух механических дисковых прерывателей, установленных на определенном расстоянии от источника. Они будут задавать открытые временные окна, определяющие спектральный интервал пучка на выходе из них. На диаграмме L-t спектральный интервал после прохождения двух прерывателей определяется двумя прямыми линиями, соединяющими крайние точки временных окон каждого из прерывателя, как показано на фиг. 4. Две прямые отсекают на шкале времени t тот временной интервал Δτ в течение которого появятся те тепловые нейтроны, которые пройдут через прерыватели. Если источник нейтронов импульсный, то положение временных окон прерывателей должно быть выбрано таким образом, чтобы время Δτ совпадало или находилось внутри временного интервала импульса источника.

Обозначим базу, на которой будет расположен ближний к источнику нейтронов прерыватель - L_a, расстояние между прерывателями (ось L),

Пусть размеры временных окон прерывателей соответственно τ₁ и τ₂. Тогда сквозь систему из двух прерывателей, пройдут только те нейтроны, время рождения которых находится в пределах временного отрезка Δτ (фиг. 4):

,

где τ₁ - время открытия окна канала в начале прерывателя; τ₂ - время открытия окна канала в конце прерывателя; - длина прерывателя; L_a - расстояние от поверхности замедлителя до прерывателя; Δτ - временной интервал рождения тех нейтронов, которые пройдут через прерыватель.

Из выражения (1) следует, что система из последовательно расположенных прерывателей может формировать только узкие спектральные интервалы. Действительно, характерное время импульса источника как правило составляет от нескольких микросекунд до сотен микросекунд. Пролетная база L_a - несколько метров. В этом случае временная ширина спектрального интервала 1-10 будет составлять несколько миллисекунд, что на порядок превышает длительность импульсов большинства импульсных источников нейтронов в мире.

Для метода времени пролета ширина импульса тепловых нейтронов имеет определяющее значение. Если длительность импульса достаточно мала по сравнению с временем пролета нейтрона от источника до места регистрации, то в этом случае ширина импульса не вносит существенного влияния на определение скорости нейтрона методом времени пролета, поскольку все возможные траектории от источника до конкретной временной ячейки в месте регистрации будут начинаться практически из одной точки. В случае же, если длительность импульса достаточно велика по сравнению с временем пролета, то возникает значительная погрешность в определении скорости.

Возможна и другая ситуация. Длительность импульса источника может быть достаточно малой, но помимо основного импульса может присутствовать постоянная составляющая источника, не зависящая от времени (фиг. 1). Например, на импульсных источниках, где используются делящиеся материалы, возникает медленное квазипостоянное излучение запаздывающих нейтронов, характерное время излучения которых может достигать от микросекунд до нескольких минут. В этом случае импульсы нейтронов начинаются не от нулевого значения, а растут от уровня фоновой подложки, которая тоже служит источником нейтронов, хоть и менее интенсивным. Очевидно, что время появления нейтронов, появившихся в результате замедления запаздывающих нейтронов не коррелирует с временем импульсов. Такие нейтроны, появившиеся из фоновой составляющей источника, будут вносить искажения в данные по времяпролетному анализу, поскольку невозможно точно определить момент рождения таких нейтронов. В зависимости от мощности фоновой подложки, т.е. интенсивности нейтронного потока, которую она порождает по отношению к основным импульсам источника, она может давать существенные ограничения на экспериментальные возможности в тех случаях, где наблюдаемые эффекты достаточно слабы и могут размываться фоновым потоком нейтронов от квазипостоянной составляющей источника.

Для случая импульсного источника с фоновой квазипостоянной составляющей требуется прерыватель или система прерывателей, исключающей попадание в детектор тепловых нейтронов, рожденных вне интервала импульса источника.

Рассмотрим случай описываемого фильтра, у которого на диаграмме L-t временные окна задаются узкими каналами фиг. 7. Допустим необходимо получить спектр 1-10 . Рассмотрим случай, при котором база расположения начала фильтра L_a=5 метров, длина фильтра база расположения детекторной системы L_d=40 метров. Тогда для того, чтобы через центр 1-го канала фильтра пролетали нейтроны с длиной волны λ_min=1 необходимая временная задержка между центром вспышкой интенсивности и временем открытия центра 1-го канала в передней части фильтра (по направлению пучка нейтронов) составляет величину:

,

где L_a - база расположения начала фильтра, - длина фильтра, L_d - база расположения детекторной системы, λ_min - минимальная длина волны в необходимом спектре. Аналогичное выражение для последнего канала в передней части фильтра, соответствующему λ_mах=10 :

,

где L_a - база расположения начала фильтра, - длина фильтра, L_d - база расположения детекторной системы, λ_mах - максимальная длина волны в необходимом спектре. Остальные каналы будут соответствовать определенной длине волны нейтронов из диапазона λ_min - λ_mах, то есть каждый канал настроен на пропускание определенного узкого диапазона длин волн. Если число каналов взять равным N=37, то шаг такого диапазона составит 0.25 . Тогда время открытия каждого канала фильтра в передней части не должно превышать величину:

,

где t₀ - время пролета до центра первого канала в передней части фильтра, t₁ - время пролета до центра последнего канала в передней части фильтра, N - число каналов в фильтре. Каналы должны быть отделены друг от друга нейтронопоглощающим материалом. Поэтому время открытия каналов в передней части фильтра τ₁ будет меньше Δt, вычисленного по формуле (4). Рассмотрим случай, при котором τ₁=0.245 мс, радиус цилиндра основания фильтра R=20 см, частота вращения фильтра ν=20 Гц. В таком случае угловой раствор в начале канала будет равен:

,

где τ₁ - время открытия каналов в передней части фильтра, ν - частота вращения фильтра. Тогда расстояния между пластинами в начале канала будет примерно 6 мм. Толщина пластин из поглощающего нейтроны материала примерно 2 мм.

Время открытия каналов на выходной части фильтра τ₂ должно быть больше в раз, чем в его передней части. В рассматриваемом случае τ₂=0.294 мс. Тогда из выражения (1) следует, что временной интервал рождения тех нейтронов, которые пройдут через фильтр Δτ будет равен 2.94 мс. Такое время видимости будет соответствовать тому, что в каждом канале фильтра будет разброс по пропускаемой длине волны нейтронов ±0.145 . Следовательно, диапазон с 1-10 будет полностью покрыт. Стоит заметить, что толщина пластин на выходе из фильтра тоже должна быть увеличена в раз по сравнению с толщиной в передней части фильтра, то есть толщина пластин должна увеличиваться линейно от передней части фильтра до задней части фильтра. Поэтому в случае использования пластин постоянной толщины, время открытия каналов на выходной части фильтра τ₂ будет несколько больше, рассчитанного раннее. Это приведет к увеличению времени видимости поверхности замедлителя Δτ. С параметрами, указанными ранее, такое увеличение будет иметь величину порядка 10%. Поэтому использование пластин постоянной толщины допустимо.

Организованный данным фильтром спектр вполне удовлетворяет потребностям большинства методов по нейтронному рассеянию. Предложенные параметры вполне разумны с точки зрения возможности изготовления подобного фильтра, который схематично изображен на фиг. 8. Данная конфигурация каналов позволяет пропускать только те нейтроны, которые вылетают с поверхности замедлителя в некоторый узкий интервал времени.

Если начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения фильтра будет больше предыдущего (фиг. 9), то в таком случае можно добиться практически одинакового относительного разрешения по длине волны на всем получаемом спектре, что упростит обработку данных. Зависимость длины волны нейтрона от времени пролета выглядит следующим образом:

,

где λ - длина волны нейтрона, t - время пролета нейтрона от замедлителя до детекторной системы, L_d - пролетная база от замедлителя до детекторной системы. В таком случае погрешность определения длины волны Δλ будет задаваться неопределенностью временем пролета Δt, а значит временем видимости поверхности замедлителя Δτ (в предположении, что пролетная база достаточно хорошо известна, и система счета времени детекторной системы точно определяет время между центром вспышки интенсивности и моментом регистрации нейтрона).

,

где Δλ - погрешность определения длины волны нейтронов, Δτ - время видимости поверхности замедлителя, L_d - пролетная база от замедлителя до детекторной системы. Таким образом, относительное разрешение по длине волны нейтронов имеет следующий вид:

,

где Δλ - погрешность определения длины волны нейтронов, λ - длина волны нейтрона, Δτ - время видимости поверхности замедлителя, t - время пролета нейтрона от замедлителя до детекторной системы. Следовательно, можно добиться ситуации, когда В таком случае, относительное разрешение по длине волны для каждого канала прерывателя будет постоянной величиной. А именно, последовательное увеличение начальной ширины следующих друг за другом каналов приводит к последовательному увеличению времени видимости поверхности замедлителя Δτ следующих друг за другом каналов (фиг. 9).

В итоге относительное разрешение для нейтронов проходящих через n-ый канал:

,

где Δτ_n - время видимости поверхности замедлителя n-ым каналом, t_n - время пролета нейтронов n-го канала от замедлителя до детекторной системы.

Рассмотрим, например фильтр нейтронного пучка, у которого число каналов N=19, диапазон пропускания длин волн λ_min - λ_max от 1 до 10 ангстрем. Пусть шаг диапазона длин волн нейтронов между соседними каналами фильтра составляет величину 0.5 . Допустим, относительное разрешение должно составлять величину 5%. То есть первый канал пропускает нейтроны с длиной волны 1±0.025 , второй канал 1.5±0.0375 , третий 2±0.05 , и так далее. Тогда время видимости поверхности замедлителя должно зависеть от длины волны пропускания соответствующего канала:

,

где L_d - пролетная база от замедлителя до детекторной системы, λ_n - основная длина волны нейтронов, пролетающих через n-ый канал фильтра. Как видно из выражения (10), для каждого последующего канала время видимости должно увеличиваться. Однако, увеличение времени видимости при постоянном шаге длины волны пропускания между каналами означает последовательное увеличение начальной ширины следующих друг за другом каналов и последовательное уменьшение начальной толщины пластин, отделяющих каналы друг от друга, что наглядно видно на (фиг. 10). С параметрами, указанными ранее (радиус цилиндра основания фильтра R=20 см, частота вращения фильтра ν=20 Гц, база расположения начала фильтра L_a=5 метров, длина фильтра база расположения детекторной системы L_d=40 метров, число каналов N=19, диапазон пропускания длин волн λ_min - λ_max от 1 до 10 ангстрем, относительное разрешение для всего диапазона 5%) ширина первой пластины из нейтронопоглощающего материала в передней части фильтра составляет величину 14 мм, последней пластины 6 мм. В результате после прохождения нейтронного пучка через такой фильтр, получится дискретный спектр нейтронов с длинами волн от 1 до 10 ангстрем с шагом 0.5 ангстрема. Относительное разрешение каждой линии спектра будет составлять величину 5%.

Можно дополнительно увеличить поглощение фоновых нейтронов, выполнив цилиндрическую заготовку фильтра из материала, поглощающего нейтроны.

На сегодняшний день, в мире существует единственный импульсный источник нейтронов в котором нейтроны рождаются в активной зоне с делящимися материалами. Это импульсный реактор ИБР-2, расположенный в ОИЯИ г. Дубна, Россия. Ширина импульса реактора ИБР-2 составляет примерно 0.3 мс, и задача селекции нейтронов в широком спектральном интервале, рожденных внутри импульса является весьма актуальной. Предложенный механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой может существенно улучшить параметры установок, расположенных на выведенных пучках тепловых нейтронов, как с точки зрения временного разрешения, так и с точки зрения улучшения фоновых условий

Литература

1. В.Ф. Турчин. Медленные нейтроны. - М., Госатомиздат, 1963 г.

2. И.И. Гуревич, Л.В. Тарасов. Физика нейтронов низких энергий. - М., Наука, 1965 г.

3. Е. Fermi. Neutron velocity selector. US2524379A Patent.

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

5. А.Б. Белушкин. Введение в методику рассеяния нейтронов. - М., Курс лекций, 2000 г.

6. В. Alefeld, L. Dohmen, Velocity selector for the monochromatization of a neutron beam. EP1151440B1 Patent.

Изобретение относится к ядерной физике, а именно к получению нейтронного пучка с помощью прерывателя. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой представляет собой заготовку в форме цилиндра с возможностью вращения вокруг своей оси, к внешним стенкам которого прикреплены тонкие пластины из поглощающего нейтроны материала, при этом отдельные каналы, сформированные пластинами из поглощающего нейтроны материала, линейно расширяются вдоль оси цилиндра по направлению пучка под некоторым углом к оси цилиндра, и на области поверхности цилиндра, где отсутствуют каналы, добавлен слой из поглощающего нейтроны материала с толщиной больше или равной высоте каналов. Технический результат – повышение разрешающей способности устройства и повышение качества набираемых спектров. 5 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой, представляющий собой заготовку в форме цилиндра с возможностью вращения вокруг своей оси, к внешним стенкам которого прикреплены тонкие пластины из поглощающего нейтроны материала, отличающийся тем, что отдельные каналы, сформированные пластинами из поглощающего нейтроны материала, линейно расширяются вдоль оси цилиндра по направлению пучка под некоторым углом к оси цилиндра, и на области поверхности цилиндра, где отсутствуют каналы, добавлен слой из поглощающего нейтроны материала с толщиной больше или равной высоте каналов.

2. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой по п. 1, отличающийся тем, что цилиндрическая заготовка также выполнена из поглощающего нейтроны материала.

3. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой по п. 1 или 2, отличающийся тем, что начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения увеличивается.

4. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой по п. 1 или 2, отличающийся тем, что толщина пластин, формирующих отдельные каналы, линейно увеличивается вдоль оси цилиндра по направлению пучка.

5. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой по п. 1 или 2, отличающийся тем, что начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения увеличивается и толщина пластин, формирующих отдельные каналы, линейно увеличивается вдоль оси цилиндра по направлению пучка.

6. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой по п. 1 или 2, отличающийся тем, что начальная ширина каждого последующего канала по ходу вращения увеличивается, и толщина пластин, формирующих отдельные каналы, линейно увеличивается вдоль оси цилиндра по направлению пучка, и начальная толщина каждой последующей пластины по ходу вращения уменьшается.