Накопитель холодных нейтронов Российский патент 2022 года по МПК G21K1/04 

Настоящее изобретение относится к нейтронной физике, в частности, методам повышения плотности нейтронов в заданном объеме.

Увеличение плотности нейтронов важно для повышения статистической точности при исследовании фундаментальных явлений, таких, например, как осцилляции нейтрон-антинейтрон и нейтрон-зеркальный нейтрон.

Известен способ накопления нейтронов в тороидальной магнитной ловушке (В.В. Владимирский, ЖЭТФ, 39, 1062, I960.). В ловушке для удержания нейтронов используется магнитное поле, что не позволяет его использовать при изучении таких явлений как преобразование нейтронов в антинейтрон или зеркальный нейтрон.

Известен магнитный накопитель нейтронов (И.М. Матора, авторское свидетельство 341091, заявлено 20. XI. 1970, опубликовано 05.VI. 1972, Бюллетень №18, G21k 3/00). Накопитель представляет собой кольцевую магнитную ловушку в виде свернутого в кольцо магнитного нейтроновода. В накопителе нейтроны удерживаются магнитным полем, величина которого возрастает у стенок.

Известно устройство (прототип) для накопления от импульсного источника ультрахолодных нейтронов (УХН) в ловушке с материальными стенками (А.В. Антонов, А.И. Исаков, М.В. Казарновский, В.Е. Солодилов, Письма в ЖЭТФ, том 10, стр. 380-385, 1969). Устройство содержит импульсный источник нейтронов, водородсодержащий замедлитель, механический быстродействующий затвор, ловушку УХН. В замедлителе быстрые нейтроны замедляются. Из поверхностного слоя замедлителя испускаются импульсно УХН. В момент импульса открывается затвор ловушки и УХН входят в ловушку. Между импульсами затвор закрыт, что препятствует выходу УХН из ловушки. В результате, УХН накапливаются в ловушке, то есть, плотность УХН с течением времени возрастает.

Технической задачей является повышение плотности холодных нейтронов от импульсного источника в накопителе.

Техническая результат достигается за счет того, что введен второй замедлитель нейтронов, нейтроноводный канал имеет прямоугольное сечение 4 и окружен внешней боковой 5, верхней 10 и нижней 11 зеркально отражающими стенками; затвор 7 является частью боковой стенки 5; первый замедлитель комнатной температуры 2 расположен вблизи источника нейтронов 1, второй замедлитель 8 расположен в вакуумной камере 3 вплотную к затвору 7, обращенная к затвору 7 поверхность имеет вогнутую цилиндрическую форму, повторяющую форму внешней боковой стенки. Второй замедлитель по сравнению с первым имеет более низкую температуру, например, жидкого азота или жидкого гелия.

На рис. 1 показано сечение накопителя горизонтальной плоскостью:

1 - источник нейтронов

2 - первый замедлитель

3 - вакуумная камера

4 - нейтроноводный канал

5 - боковая материальная внешняя стенка нейтроноводного канала

6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов

7 - затвор

8 - второй замедлитель

9 - траектория нейтрона в нейтроноводном канале

На рис. 2 показано сечения накопителя вертикальной плоскостью в зоне затвора и второго замедлителя:

3 - вакуумная камера

4 - нейтроноводный канал

6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов

7 - затвор

8 - второй замедлитель

10 - верхняя материальная стенка нейтроноводного канала

11 - нижняя материальная стенка нейтроноводного канала

На рис. 3 показано сечение накопителя вертикальной плоскостью вне зоны затвора и второго замедлителя:

3 - вакуумная камера

4 - нейтроноводный канал

5 - боковая материальная внешняя стенка нейтроноводного канала

6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов

10 - верхняя материальная стенка нейтроноводного канала

11 - нижняя материальная стенка нейтроноводного канала

Быстрые нейтроны, испускаемые импульсным источником попадают в замедлитель 2. В замедлителе нейтроны замедляются до тепловой энергии. Тепловые нейтроны из замедлителя 2 проникают в вакуумную камеру и попадают во второй замедлитель 8. Замедлитель 8 находится при более низкой температуре, чем замедлитель 2. В результате, в замедлителе 8 образуются уже холодные нейтроны. Холодные нейтроны через открытый в момент импульса затвор попадают в нейтроноводный канал 4. В нейтроноводном канале 4 нейтроны в промежутках времени между импульсами источника распространяются, отражаясь от боковой 5, верхней 10 и нижней 11 стенок. С внутренней стороны нейтроноводного канала материальная стенка не нужна. Здесь в вакууме существует воображаемая граница 6 (показана штрих - пунктирной линией на рисунках), до которой нейтроны доходят при отражении от внешней боковой стенки.

Существенными и отличительными признаками являются нейтроноводный канал прямоугольного сечения и три его окружающие зеркально отражающие нейтроны стенки. Это верхняя, нижняя и внешняя боковая стенки. В горизонтальной плоскости отражение нейтронов происходит только от одной внешней стенки. В вертикальной плоскости отражение происходит от верхней и нижней стенок.

Существенным и отличительным признаком является затвор, который является частью боковой цилиндрической стенки. В момент прохождения импульса нейтронов от источника в нейтроноводный канал затвор открыт.Во время между импульсами нейтронов затвор закрыт и нейтроны не вытекают из нейтроноводного канала и накапливаются в нем с течением времени.

Существенными признаками является наличие двух замедлителей, установленных в разных местах и находящихся при разной температуре. Один замедлитель расположен вблизи источника нейтронов, что обеспечивает большой телесный угол его видимости из источника, а потому, большой поток нейтронов. Этот замедлитель довольно толстый, порядка 50 мм. Замедлитель находится при комнатной температуре. Нейтроны в нем замедляются до тепловой энергии 300 K. При этих энергиях нейтроны не ослабляются значительно при прохождении стенки вакуумной камеры и попадают во второй замедлитель. Второй замедлитель достаточно тонкий (1-3 мм) и находится при низкой температуре, например, жидкого азота или жидкого гелия. Этот замедлитель находится в вакууме вблизи затвора (вблизи боковой стенки). Обращенная к затвору поверхность замедлителя является, как и боковая стенка, цилиндрической, повторяющей форму внешней боковой стенки. Таким образом, источник холодных нейтронов - второй замедлитель, имеет форму отражающей стенки накопителя. В результате, поток с холодного источника эффективно (без потерь) преобразуется в поток отражаемых и накапливаемых нейтронов.

Физическая сущность предложения прежде всего состоит в создании адекватных кольцевому накопителю цилиндрических источника холодных нейтронов, роль которого выполняет размещенный в вакууме вблизи боковой стенки второй замедлитель, и затвор, а также использовании двух замедлителей при различных температурах.

Технический результат состоит в повышении плотности нейтронов до значения, определяемого соотношением для фактора выигрыша плотности η

η=N/N₀=(T_s^-1/[τ_d^-1+(με₁+ε₂τ_shТ_s^-1)τ_с^-1],

где N₀ - плотность нейтронов в накопителе от одного импульса, N - стационарная плотность в накопителе, T_s - период действия источника нейтронов, τ_d≈880 с - постоянная времени распада нейтрона, τ_sh - время открытого состояния затвора, τ_с - время пробега между столкновениями со стенками, μ - вероятность поглощения нейтрона в стенках, ε₁=(S_a-S_sh)/S_a, ε₂=S_sh/S_a, S_sh - площадь поверхности затвора, S_a - площадь поверхности трех стенок накопителя, включая затвор.

Максимальное значение η, достигаемое при τ_d^-1 >> (με₁+ε₂τ_shT_s^-1) и при значении 1/T_s=10 Гц (проектируемый в Дубне новый источник ИБР-3), равно η_макс=8.8×10³. В реальном случае με₁ >> ε₂τ_shT_s^-1, ε₁≈0.999, τ_c=0.1 с и μ≈10^-5-10^-4 получим для фактора увеличения плотности значение в диапазоне (4.8-8.3)×10³.

Изобретение относится к накопителю холодных нейтронов. Накопитель нейтронов, испускаемых импульсным источником, имеет два замедлителя нейтронов. Нейтроноводный канал имеет прямоугольное сечение 4 и окружен внешней боковой 5, верхней 10 и нижней 11 зеркально отражающими стенками. Затвор 7 является частью боковой стенки 5. Первый замедлитель комнатной температуры 2 расположен вблизи источника нейтронов 1. Второй замедлитель 8 расположен в вакуумной камере 3 вплотную к затвору 7, обращенная к затвору 7 поверхность имеет вогнутую цилиндрическую форму, повторяющую форму внешней боковой стенки. Второй замедлитель по сравнению с первым имеет более низкую температуру, например, жидкого азота или жидкого гелия. Техническим результатом является повышение плотности холодных нейтронов от импульсного источника в накопителе. 3 ил.

Накопитель холодных нейтронов от импульсного источника, включающий кольцевой нейтроноводный канал в вакуумной камере, затвор и замедлитель нейтронов, отличающийся тем, что введен второй замедлитель нейтронов; нейтроноводный канал имеет прямоугольное сечение и окружен внешней боковой, верхней и нижней зеркально отражающими стенками; затвор является частью боковой стенки; первый замедлитель комнатной температуры расположен вблизи источника нейтронов; второй замедлитель расположен в вакуумной камере вплотную к затвору, его обращенная к затвору поверхность имеет вогнутую цилиндрическую форму, повторяющую форму внешней боковой стенки; второй замедлитель по сравнению с первым имеет более низкую температуру, например, жидкого азота или жидкого гелия.