УСТРОЙСТВО ДЛЯ ПОЛУЧЕНИЯ УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2023 года по МПК G21K1/06 

Изобретение относится к области управления пучками частиц при помощи отражения от движущегося зеркала и может быть использовано для получения ультрахолодных нейтронов.

Известно устройство для получения холодных и тепловых нейтронов, реализованное в виде водяного замедлителя нейтронов, находящегося при комнатной температуре (https://ru/wikipedia/org/wiki/Замедление_нейтронов). Замедлитель имеет толщину порядка 5 см. В замедлителе устанавливается максвелловский спектр нейтронов, в котором доля холодных и ультрахолодных нейтронов мала.

Известно устройство для получения ультрахолодных нейтронов, где замедлитель охлажден до более низкой, например, например, азотной или гелиевой температуры (А.П. Серебров, Разногласие между методом хранения ультрахолодных нейтронов и пучковым методом при измерении времени жизни нейтрона, Успехи физических наук, т. 189, вып.6, стр. 635, 2019 г. ) и Способ получения ультрахолодных нейтронов, Патент №2144709, опубликовано 20.01.2000, Бюллетень №2.

Однако охлаждение замедлителя большого объема требует затрат большой тепловой мощности. Учитывая, что выход ультрахолодных нейтронов из-за их захвата и нагрева происходит из тонкого слоя толщиной в несколько миллиметров, используют два замедлителя: один толстый при комнатной температуре и второй тонкий, охлаждение которого требует меньшей мощности, при низкой температуре. Ультрахолодные нейтроны извлекают из тонкого замедлителя.

Альтернативным устройством для получения ультрахолодных нейтронов является отражатель, где нейтроны отражаются от движущегося в направлении пучка нейтронов зеркала.

В качестве прототипа выбрано именно это устройство, Фиг. 1, предназначенное для получения ультрахолодных нейтронов (А.В. Антонов, Д.Е. Вуль, М.В. Казарновский, Письма в ЖЭТФ, т.9, вып.5, стр. 307, 1969 г. ).

На Фиг. 1. цифрой (1) обозначен источник нейтронов, цифрой (2) обозначен отражатель нейтронов – возвратно-поступательно движущееся зеркало, а цифрой (3) ловушка для ультрахолодных нейтронов. Пусть ловушка (3) состоит из свинца. Ультрахолодные нейтроны будут отражаться от стенок, когда их энергия Е будет меньше, чем высота барьера:

где h=6.67*10^-27 эрг*с - постоянная Планка, n - число ядер в единице объема, b - длина когерентного рассеяния нейтрона в свинце, b=(σ/47π), σ - сечение когерентного рассеяния свинца на нейтроне, σ=11.5 барн, b≈10^-12 см, m=1.7*10^-24 г - масса нейтрона.

Плотность ядер свинца найдем из соотношения Авогадро:

6*10²³...207.2

n............11.3,

откуда: n=3.27*10²² ядер/см³.

Подставляя цифры в формулу (1) и учитывая, что 1 эрг равен 6*10¹¹ эВ, получим:

Такой энергии соответствует скорость нейтрона, которую можно найти из соотношения:

Подставляя цифры в формулу (3)

v=(2*6*10^-8/1.7*10^-24*6*10¹¹)^1/2=3*10² см/с=3 м/с.

найдем, что для ловушки для ультрахолодных нейтронов, стенки которой состоят из свинца, граничная скорость нейтронов, при которой они отражаются от стенок при любых углах падения, равна v≈3 м/с.

Таким образом, первое ограничение на скорость нейтрона, заключается в том, что его скорость v' на входе в ловушку (3) должна быть меньше, чем, v'=v-2u<3 м/с.

Второе ограничение вытекает из условия отражения нейтрона от зеркала (2), Фиг. 1. Пусть, для примера, это зеркало так же состоит из свинца. Тогда, условие отражения нейтрона от убегающего от него зеркала может быть записано как:

Кроме этого есть ряд очевидных неравенств: v>0, u>0, v>u.

Таким образом, мы имеем систему неравенств, при условии удовлетворения которой мы получим условия отражения нейтронов от свинцового зеркала и удержания их в свинцовой ловушке:

В последнем неравенстве учтено изменение направления скорости нейтронов после отражения. Если построить на графике прямые линии, соответствующие этим неравенствам, то мы получим фигуру, изображенную на Фиг. 2. В последнем соотношении, содержащим два неравенства, одно - v -2u>-3 указывает на то, что после отражения от зеркала скорость нейтронов относительно ловушки должна быть не более 3 м/с для того, чтобы нейтроны удерживались в свинцовой ловушке. Второе неравенство требует, чтобы нейтроны двигались по направлению к ловушке, то есть, чтобы скорость нейтронов после отражения v-2u была отрицательной, а значит, направлена ко входу нейтронной ловушки.

Прямая, проходящая через начало координат, показывает ограничение для скоростей нейтронов: v>u. Соответствующие условию отражения нейтронов от зеркала скорости на графике лежат выше этой прямой. И в целом, первый квадрант соответствует тому, что скорости зеркала и нейтронов удовлетворяют условию: v>0, u>0. Прямая, проходящая через точку v=3, u=0, показывает, что для отражения нейтронов от свинцового зеркала их скорость должна быть меньше, чем v=u+3. Область допустимых скоростей нейтронов лежит на графике, изображенном на графике, изображенном на Фиг. 2 ниже этой прямой. После отражения от убегающего зеркала скорость нейтронов изменит свой знак на обратный и из нее вычтется удвоенная скорость зеркала. Результирующая скорость нейтронов должна быть больше v-2u>-3, с учетом знака скорости, и допустимая область скоростей нейтронов должна на графике лежать выше этой прямой.

Всем этим условиям удовлетворяют скорости нейтронов, лежащие внутри области, заштрихованной на графике, изображенном на Фиг. 2.

Из этого графика видно, что скорости нейтронов, удовлетворяющие условию отражения от свинцового зеркала и удержанию их в свинцовой ловушке, лежат в достаточно узком диапазоне.

Техническая задача, которую решает данное изобретение, состоит в существенном, на два порядка величины, увеличении температуры, до которой надо охлаждать нейтроны в замедлителе.

Решение технической задачи заключается в том, что отражатель нейтронов выполнен в виде слоистой структуры, которая представляет собой систему следующих друг за другом периодических структур с уменьшающимся пространственным периодом по направлению вглубь структуры от ее поверхности.

Как вариант исполнения, отражатель нейтронов шарнирно, с возможностью вращения вокруг своей оси, присоединен к кронштейну, расположенному на поршне.

Отражатели нейтронов также могут иметь параболическую отражающую поверхность.

Описание фигур

Фиг. 1. Схема отражения нейтронов от свинцового зеркала и транспортировки их ко входу в свинцовую ловушку. (1) - источник нейтронов, (2) - свинцовое зеркало, (3) - окно свинцовой ловушки для ультрахолодных нейтронов.

Фиг. 2. Область (заштрихована) для которой скорости нейтронов удовлетворяют условию отражения от свинцового зеркала и удержанию их в свинцовой ловушке, u -скорость зеркала м/с, v - скорости нейтронов, выраженные в м/с.

Фиг. 3. Схема отражения нейтронов от дифракционного зеркала, обозначения те же, что и на Фиг. 1.

Фиг. 4. Многослойная дифракционная структура.

Фиг. 5. Зависимость коэффициента отражения нейтронов R(v) для периодической структуры Ni/Ti с периодом равным Т=5 нм.

Фиг. 6. Детальная зависимость коэффициента отражения нейтронов R(v) в первом порядке отражения для периодической структуры Ni/Ti с периодом равным Т=5 нм.

Фиг. 7. Зависимость R(v) для Ni/Ti структуры, состоящей из трех периодических структур с конечным числом периодов.

Фиг. 8. Область допустимых скоростей нейтронов, при которых одновременно выполняются условия и отражения от дифракционного зеркала и удержания нейтронов в свинцовой ловушке. Здесь u - скорость зеркала, v - скорость нейтронов.

Фиг. 9. Схема отражения нейтронов от параболического дифракционного зеркала. Обозначения те же, что и Фиг. 1 и Фиг. 3.

Фиг. 10. Шарнирная подвеска дифракционного зеркала, при которой отраженный поток нейтронов всегда направлен на входное окно ловушки.

Осуществление изобретения

Предлагается сделать отражающее нейтроны зеркало, многослойным дифракционным, Фиг. 3.

В качестве примера дифракционной структуры, отражающей нейтроны, выберем многослойную структуру, Фиг. 4, состоящую из последовательно напыленных слоев Ni и Ti. Для никеля потенциал взаимодействия с нейтронами положительный: U1>0, для титана отрицательный: U2<0. В результате, за счет изменения знака потенциала, коэффициент отражения увеличивается, по сравнению с напылением слоев из отдельного материала.

Условие Брэгговского отражения нейтронов от такой структуры, при нормальном падении нейтронов на структуру, может быть записано в виде:

где d - период структуры, λ=h/mv, h=6.67*10^-27 эрг*с - постоянная Планка, m=1.7*10^-24 - масса нейтрона, v - скорость нейтрона. Из соотношения (6) следует, что d=λ/2 и для скорости нейтронов v=40 м/с величина периода d должна быть равна d=5 нм.

На Фиг. 5 показана зависимость коэффициента отражения нейтронов от такой структуры в широком диапазоне скоростей нейтронов v.

Наличие нескольких пиков объясняется тем, что точная формула условия Брэгговского отражения (для нормального падения нейтронов) выглядит так:

где N=1, 2, 3 и т.д. - порядок отражения нейтронов. С увеличением порядка коэффициент отражения нейтронов от зеркала падает. Детально структура пика отражения в первом порядке показана на Фиг. 6.

Для того чтобы расширить пик зависимости коэффициента отражения от скорости можно использовать несколько периодических структур. На Фиг. 7 приведена зависимость коэффициента отражения нейтронов для этого случая, (Ю.В. Никитенко, В.Г. Сыромятников, Рефлектометрия поляризованных нейтронов, Москва, Физматлит, 2014).

В трех периодических структурах, если считать от поверхности, период Т и число периодов n составляют 4.9 нм и 23, 4.7 нм и 32, 4.5 нм и 60, соответственно. Видно, что в случае трех периодических структур по сравнению с одной ширина интервала скорости нейтронов увеличилась в 2 раза с 1 м/с до 2 м/с.При этом, максимум коэффициента отражения практически не изменился.

Условие отражения нейтронов от движущегося дифракционного зеркала можно записать в виде:

где Δ - полуширина коэффициента отражения нейтронов от многослойной дифракционной структуры, Фиг. 7.

На плоскости скоростей (v, u), изображенной на Фиг. 8, прямая (1) соответствует знаку (+) в уравнении (8), а прямая (2) соответствует тому же уравнению, где Δ взята со знаком (-). Прямые (3) и (4) так же, как и на Фиг. 2, определяют условия захвата отраженных нейтронов в свинцовую ловушку. В результате заштрихованная область допустимых скорой нейтронов, удовлетворяющая одновременно обоим условиям, переместилась в область значительно больших скоростей нейтронов, чем для случая полного внутреннего отражения для нейтронов от свинца, Фиг. 2.

Среднюю температуру нейтронов, соответствующую данной скорости нейтронов v≈80 м/с, можно найти из соотношения:

где k=1.38*10^-16 эрг/град - постоянная Больцмана. Вычисленная из этого соотношения температура нейтронов, требуемая для того, чтобы средняя скорость нейтронов была равна 80 м/с, получается равной: Т=400 mK. Из соотношения (9) сразу следует, что для получения средней скорости нейтронов v=8 м/с их потребуется охлаждать до температуры на два порядка меньшей, то есть до Т=4 mK. Возможность поддерживать температуру замедлителя нейтронов на два порядка большей, чем в прототипе, и является положительным эффектом данного предложения.

При отражении от плоского зеркала весь отраженный поток попадет в ловушку только если диаметр входного окна в ловушку больше диаметра плоского зеркала. Значительно увеличить количество захваченных нейтронов можно если, вместо плоского зеркала использовать параболическое, Фиг. 9.

Еще больше можно увеличить захват нейтронов в ловушку, если осуществить шарнирное крепление зеркала на кронштейне к шатуну, который совершает возвратно-поступательное движение и при перемещении зеркала поворачивать его на такой угол, чтобы отраженные от зеркала нейтроны всегда фокусировались на входное окно ловушки, Фиг. 10.

Такая подвеска позволяет непрерывно, в течение всего цикла, фокусировать отраженные нейтроны на входное окно ловушки.

Изобретение относится к устройству для получения ультрахолодных нейтронов, принцип работы которого основан на управлении пучками частиц при помощи отражения от движущегося зеркала, и может быть использовано для получения ультрахолодных нейтронов. Отражатели нейтронов выполнены в виде движущейся возвратно-поступательно зеркальной слоистой структуры, которая представляет собой систему следующих друг за другом периодических структур с уменьшающимся пространственным периодом по направлению вглубь структуры от ее поверхности. Как вариант исполнения отражатель нейтронов шарнирно, с возможностью вращения вокруг своей оси, присоединен к кронштейну, расположенному на поршне. Отражатели нейтронов также могут иметь параболическую отражающую поверхность. Техническим результатом является возможность существенного, на два порядка величины, увеличения температуры, до которой надо охлаждать нейтроны в замедлителе. 2 з.п. ф-лы, 10 ил.

1. Устройство для получения ультрахолодных нейтронов из вылетающего от источника пучка нейтронов, включающее отражатель нейтронов, установленный на возвратно-поступательно движущемся поршне, отличающееся тем, что отражатель нейтронов выполнен в виде слоистой структуры, которая представляет собой систему следующих друг за другом периодических структур с уменьшающимся пространственным периодом по направлению вглубь структуры от ее поверхности.

2. Устройство для получения ультрахолодных нейтронов из вылетающего от источника пучка нейтронов по п. 1, отличающееся тем, что отражатель нейтронов шарнирно, с возможностью вращения вокруг своей оси, присоединен к кронштейну, расположенному на поршне.

3. Устройство для получения ультрахолодных нейтронов по п. 1 или 2, отличающееся тем, что отражатели нейтронов имеют параболическую отражающую поверхность.