КОЛЬЦЕВОЙ НАКОПИТЕЛЬ НЕЙТРОНОВ Российский патент 2023 года по МПК G21K1/04 

Изобретение относится к нейтронной физике, в частности к методам повышения плотности и времени нахождения нейтронов в замкнутом объеме.

Увеличение плотности и времени нахождения нейтронов в замкнутом объеме важно для повышения статистической точности измерений при определении потенциальной энергии взаимодействия нейтронов с некоторым силовым полем (гравитационным, сильным, слабым, электромагнитным и т.д.).

Известен способ накопления нейтронов в тороидальной магнитной ловушке (В.В. Владимирский, ЖЭТФ, 39, 1062, 1960.). В ловушке для удержания нейтронов используется магнитное поле. Накопление в магнитной ловушке используется для определения времени жизни нейтронов по отношению к его бетта распаду. Однако магнитную ловушку из-за влияния магнитного поля нельзя использовать для определения вероятностей преобразование нейтронов в антинейтрон и так-называемый зеркальный нейтрон.

Известен магнитный накопитель нейтронов (И.М. Матора, авторское свидетельство 341091, заявлено 20.11.1970, опубликовано 05.06.1972, 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 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 затвор, ловушку УХН. В замедлителе быстрые нейтроны замедляются. Из поверхностного слоя замедлителя импульсно испускаются УХН. В момент импульса открывается затвор ловушки и УХН входят в ловушку. Между импульсами источника нейтронов затвор закрыт, что препятствует выходу УХН из ловушки. В результате, УХН накапливаются в ловушке, то есть, плотность УХН с течением времени возрастает.

Известен кольцевой накопитель нейтронов (Ю.В. Никитенко, Накопитель холодных нейтронов. Патент на изобретение №2772969 от 30.05.2022). Кольцевой накопитель состоит из верхней, боковой и нижней стенок из отражающего нейтроны материала, внешняя боковая стенка накопителя имеет цилиндрическую форму, входное и выходное окна, первый замедлитель расположен вблизи источника нейтронов, второй холодный замедлитель расположен вблизи накопителя и находится при температуре жидкого азота или более низкой температуре, затвор расположен между боковой стенкой накопителя и холодным замедлителем.

Технической задачей является повышение плотности нейтронов и увеличение времени нахождения нейтронов в накопителе.

Техническая результат достигается за счет того, что первый замедлитель выполнен из бериллия или из окиси бериллия, затвор охватывает боковую стенку кольцевого накопителя и выполнен в виде цилиндрической поверхности из отражающего нейтроны материала с окном, затвор вращается с частотой равной частоте следования импульсов источника нейтронов, окна в затворе и боковой стенке накопителя имеют одинаковый размер в горизонтальном направлении равный произведению половины длительности импульса нейтронов в холодном замедлителе на длину боковой стенки накопителя и на частоту вращения затвора.

Перечень фигур

На рис. 1 показано сечение накопителя горизонтальной плоскостью:

1 - источник нейтронов

2 - первый замедлитель

3 - входной нейтроновод

4 - второй холодный замедлитель

5 - отражатель нейтронов

6 - накопительный канал

7 - затвор

8 - входное окно накопителя

9 - внешняя боковая стенка накопительного канала

10 - верхняя стенка

11 - нижняя стенка

12 - поверхность долета нейтронов

13 - выходное окно накопителя

14 - выходной нейтроновод

15 - детектор нейтронов

16 - спектрометр нейтронов

17 - вакуумная камера накопителя

На рис. 2 приведена схема накопителя с непрерывно вращающимся затвором:

4 - холодный замедлитель

9 - внешняя боковая стенка накопительного канала

8 - входное окно накопителя

7 - затвор

18 - окно в затворе

13 - выходное окно накопителя.

На рис. 3 приведены зависимости плотности потока нейтронов (ось Y) в накопителе от длины волны нейтронов (ось X) при площади первого замедлителя 0.25 м², площади второго замедлителя 0.1 м², дистанции между замедлителями 3 м, длительности импульса холодных нейтронов 0.7 мс, радиусе накопителя 3 м:

19 - плотность потока нейтронов в замедлителе в телесный угол π/2

20 - плотность захватываемого в накопитель потока нейтронов

21 - плотность потока в накопителе при площади выходного окна 1 см²

22 - плотность потока в накопителе при площади выходного окна 10 см²

23 - плотность потока в накопителе при площади выходного окна 100 см²

Осуществление изобретения

Быстрые нейтроны, испускаемые импульсным источником 1 попадают в первый замедлитель 2. В замедлителе 2 нейтроны замедляются до средней энергии 100-180 мэВ. Нейтроны из замедлителя 2 проникают в вакуумную камеру 17 и попадают в холодный замедлитель 4, окруженный отражателем 5. В замедлителе 4 образуются холодные нейтроны при средней энергии 0.3-1.5 мэВ. Холодные нейтроны через окно 8 в накопителе попадают в накопительный канал 6. В накопительном канале 6 нейтроны распространяются и накапливаются. При этом увеличивается плотность нейтронов и возрастает время нахождения нейтронов в накопителе

Через выходное окно 13 нейтроны попадают в выходной нейтроновод 14, по которому транспортируются до детектора нейтронов 15 и нейтронного спектрометра 16, например, рефлектометра.

Существенным и отличительными признаком является, что первый замедлитель выполнен из бериллия или окиси бериллия. Замедлитель может находиться при высокой температуре в диапазоне от 1200 до 2200 K. По сути, это горячий замедлитель, генерирующий надтепловые нейтроны.

Поток нейтронов из горячего замедлителя максимален при скорости нейтронов 7030 м/с в случае бериллия и 9490 м/с в случае окиси бериллия. Длительность импульса нейтронов из холодного замедлителя определяется, во-первых, собственным временем выхода холодных нейтронов и составляет порядка 0.5 мс. Во-вторых, она из-за спектра нейтронов определяется среднеквадратичным значением времени пролета нейтронов вылетающих из первого (горячего) замедлителя на дистанции между замедлителями. Это время обратно пропорционально корню квадратному из температуры первого замедлителя. Поэтому температура первого замедлителя должна быть как возможно более высокой. Например, при дистанции 3 м между холодным и бериллиевым замедлителями среднеквадратичное значение времени пролета составляет 0.5 мс, а ширина импульса холодных нейтронов соответственно τ=0.7 с. В результате, длительность импульса нейтронов из холодного источника будет меньше если первый замедлитель будет при высокой температуре. В итоге, плотность нейтронов в накопителе пропорциональная T/τ, где Т - период действия источника нейтронов, будет тем выше, чем меньше τ.

Существенным и отличительным признаком является затвор, который охватывает боковую стенку кольцевого накопителя и выполнен в виде цилиндрической поверхности из отражающего нейтроны материала с окном. Затвор вращается с частотой следования импульсов источника нейтронов. Отражающим материалом затвора, как и стенок накопителя, могут быть, например, медь, никель или сталь покрытая опять же слоем меди, никеля, графита, бериллия или другим отражающим нейтроны материалом.

Существенным и отличительным признаком является то, что входное окно в накопителе, окно в затворе и холодный замедлитель имеют одинаковый размер L в горизонтальном направлении равный произведению половины длительности импульса нейтронов в холодном замедлителе τ/2 на длину окружности накопителя 2πR и на частоту вращения затвора ƒ. Затвор вращается с частотой действия источника нейтронов ƒ=1/Т и за время τ/2 открывает окно накопителя размером L=2πRƒτ/2. За следующий интервал времени длительностью τ/2 затвор закрывает окно накопителя. Затвор перекрывает входное окно накопителя на время Т-τ между импульсами источник.

На входе в накопитель средний поток нейтронов через единицу площади входного окна есть J₁=Nƒ/S, где N - число нейтронов в одном импульсе источника длительностью τ, пересекающих входное окно накопителя, S - площадь входного окна. Окно накопителя открыто в течение интервала времени t_open=τ/2, поэтому, для входящего в накопитель потока длительностью τ имеем J₂=Nƒ/2S. Максимальный накапливаемый в накопителе поток есть J₃=J₂(T/t_open)=(Nƒ/S)(T/τ)=J₁(T/τ).

Время нахождения нейтронов в накопителе есть второй важнейший технический параметр накопителя. Время нахождения нейтронов в накопителе возрастает при увеличении его радиуса. Так, при радиусе накопителя равном 50 м время нахождения нейтронов с длиной волны нейтронов 200 Ангстрем составляет 600 с, что близко к времени жизни по отношению к бетта распаду, равному 878 с. Увеличение времени нахождения нейтронов в накопителе позволяет увеличить чувствительность к измерению потенциальной энергии взаимодействия нейтронов с силовым полем. Это важно, в частности, для определения таких фундаментальных характеристик микромира и космологии, как электрический дипольный момент нейтрона и вероятности трансформации нейтрона в так называемый зеркальный нейтрон и антинейтрон.

Изобретение относится к кольцевому накопителю холодных нейтронов и может использоваться для накопления нейтронов в замкнутом объеме. Накопитель имеет верхнюю, боковую и нижнюю стенки. Горячий замедлитель 2 расположен вблизи источника нейтронов, выполнен из бериллия или окиси бериллия и генерирует надтепловые нейтроны. Холодный замедлитель расположен вблизи накопителя при температуре жидкого азота или более низкой температуре, затвор 7 охватывает боковую стенку 9 кольцевого накопителя и выполнен в виде цилиндрической поверхности из отражающего нейтроны материала с окном. Входное окно накопителя 8 и окно в затворе имеют одинаковый размер в горизонтальном направлении, равный произведению половины длительности импульса нейтронов в холодном замедлителе, длины окружности накопителя и частоты вращения затвора. Техническим результатом является повышение плотности нейтронов и увеличение времени нахождения нейтронов в накопителе. 3 ил.

Кольцевой накопитель нейтронов на импульсном источнике нейтронов, включающий верхнюю, боковую и нижнюю стенки из отражающего нейтроны материала, внешняя боковая стенка накопителя имеет цилиндрическую форму, входное и выходное окна, первый замедлитель расположен вблизи источника нейтронов, второй холодный замедлитель расположен вблизи накопителя и находится при температуре жидкого азота или более низкой температуре, затвор расположен между боковой стенкой накопителя и холодным замедлителем, отличающийся тем, что первый замедлитель выполнен из бериллия или из окиси бериллия, затвор охватывает боковую стенку кольцевого накопителя и выполнен в виде цилиндрической поверхности из отражающего нейтроны материала с окном, затвор вращается с частотой равной частоте следования импульсов источника нейтронов, окна в затворе и боковой стенке накопителя имеют одинаковый размер в горизонтальном направлении, равный произведению половины длительности импульса нейтронов в холодном замедлителе на длину боковой стенки накопителя и на частоту вращения затвора.