Способ импульсного напуска и запирания нейтронов в кольцевом накопителе нейтронов Российский патент 2025 года по МПК G21K1/04 

Настоящее изобретение относится к нейтронной физике, в частности 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. 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.

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.

Известен кольцевой накопитель нейтронов, являющийся прототипом (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, участок для входа и запирания нейтронов в накопителе расположен между боковой стенкой накопителя и холодным замедлителем.

Входное окно в боковой стенке накопителя и затвор вместе образуют участок напуска нейтронов в накопитель от импульсного источника и запирания нейтронов в накопителе на интервалах времени между импульсами нейтронов. Затвор и боковая стенка накопителя находятся на некотором расстоянии друг от друга. Между ними имеются щели, через которые нейтроны вытекают из накопителя. При этом, вероятность поглощения нейтронов на участке напуска и запирания составляет порядка μ=10^-2, в результате чего плотность нейтронов в накопителе снижается на порядок.

Технической задачей является повышение плотности потока нейтронов в накопителе.

Технический результат достигается за счет того, что на участке напуска в боковой стенке накопителя (4) на время напуска нейтронов от импульсного источника создают магнитное поле, а на время запирания нейтронов в накопителе в интервалах между импульсами источника нейтронов магнитное поле снимают, для создания магнитного поля используют электромагнит; при этом электромагнит размещают таким образом, чтобы участок напуска в боковой стенке накопителя (4) был расположен между полюсами электромагнита (5).

Описание фигур

На рисунке 1 по оси X отложена длина волны нейтронов X в ангстремах. По оси У отложена плотность потока в единицах - число нейтронов, деленных на квадратный сантиметр, ангстрем и секунду. На рисунке приведены зависимости плотности потока (зависимости a, b) в накопителе диаметром 1 м при площади участка напуска 100 см² и отношении η=W/V мнимой части потенциала взаимодействия W к реальной части V на участке напуска в боковой стенке накопителя равной η=10^-2 (а, прототип) и 10^-4 (b). Вероятность поглощения нейтронов μ=kη, где k≈1. Видно, что выигрыш в плотности потока в накопителе от использования η=10^-4 (зависимость "b") по сравнению с η=10^-2 (зависимость "a") составляет 10. При η=10^-5 выигрыш в плотности потока по сравнению с η=10^-2 еще больше.

Рисунок 1:

a - Плотность потока в накопителе нейтронов при η=10^-2 (случай прототипа)

b - Плотность потока в накопителе нейтронов при η=10^-4 (предложение)

Рисунок 2:

На рисунке 2 показано устройство, реализующее напуск нейтронов в накопитель и запирание нейтронов в накопителе на интервалах времени между импульсами нейтронов от источника. На рис. 2.1 показан вид сверху на устройство, расположенное в горизонтальной плоскости. На рис. 2.2 показан разрез в вертикальной плоскости устройства, изображенного на рис. 2.1.

Нейтроны из холодного замедлителя (1) поступают в накопительный канал (2) через участок напуска (4) в боковой стенке накопителя (3). При прохождении нейтронов через участок напуска (4) с помощью электромагнита (5) создается магнитное поле между полюсами (6). В результате чего участок напуска (4) становится прозрачным для нейтронов и они входят в накопительный канал (2). После этого магнитное поле снимается и участок напуска становится не прозрачным, что препятствует выходу нейтронов из накопительного канала. Вследствие этого плотность потока нейтронов в накопительном канале повышается.

Рисунок 2.1:

1 - холодный замедлитель

2 - накопительный канал

3 - боковая стенка накопителя

4 - боковая стенка накопителя на участке напуска нейтронов

5 - электромагнит

Рисунок 2.2:

1 - холодный замедлитель

2 - накопительный канал

3 - боковая стенка накопителя

4 - боковая стенка накопителя на участке напуска нейтронов

5 - электромагнит

6 - полюса электромагнита

Существенным и отличительным признаком способа является то, что на участке напуска в боковой стенке накопителя (4) на время напуска нейтронов от импульсного источника создают магнитное поле, а на время запирания нейтронов в накопителе в интервалах между импульсами источника нейтронов магнитное поле снимают.

Существенным и отличительным признаком является то, что для создания магнитного поля используют электромагнит; при этом электромагнит размещают таким образом, чтобы участок напуска в боковой стенке накопителя (4) был расположен между полюсами электромагнита (5).

Осуществление изобретения

Физическая сущность предложения состоит в том, что для напуска и запирания используется один элемент - боковая стенка накопителя. При наложении магнитного поля во время напуска нейтронов боковая стенка становится прозрачной для нейтронов с проекцией спина направленной антипараллельно направлению магнитного поля. При снятии магнитного поля стенка имеет высокий ядерный потенциал взаимодействия, что препятствует выходу нейтронов из накопителя.

Более детально картина работы выглядит так. На время прохождения импульса нейтронов через боковую стенку накопителя в катушке электромагнита генерируется электрический ток. В результате, на стенке накопителя создается магнитное поле и для противоположно направленной магнитному полю проекции спина нейтронов (отрицательно ориентированных нейтронов) потенциал взаимодействия уменьшается и составляет разность V=V_n-V_m ядерного V_n и магнитного V_m потенциалов. Нейтроны с данной ориентацией спина и перпендикулярной компонентой импульса p_⊥>(2mV)^1/2 проходят в накопитель, где m - масса нейтрона. На время между импульсами нейтронов магнитное поле снимается и потенциал взаимодействия становится равным ядерному. В накопителе удерживаются нейтроны, для которых для перпендикулярной стенке компоненте импульса нейтронов выполняется соотношение p_⊥<(2mV_n)^1/2. Для параллельной магнитному полю проекции спина нейтронов в накопитель входят нейтроны с импульсом p_⊥>(2m(V_n+V_m))^1/2. Такие нейтроны не удерживаются накопителем и не накапливаются в нем. Нейтроны же с импульсом p_⊥<(2m(V_n+V_m))^1/2 отражаются от затвора. Таким образом, в накопитель захватываются нейтроны с одной антипараллельной магнитному полю проекцией спина. Однако, поскольку в интервалах времени между нейтронными импульсами потенциал стенок ядерный, в накопителе могут накапливаться неполяризованные нейтроны.

Оценим отношение χ=j₁/j₂ потока нейтронов проходящих в накопитель через затвор j₁ к общему потоку из замедлителя j₂. Пусть стенка накопителя выполнена из меди с V_n=172 нэВ. При магнитном поле на участке напуска H=10 кЭ и V_к=0 (стенка замедлителя из ванадия) получим V=112нэВ и χ=0.47. При H=15 и 20 кЭ имеем χ=0.67 и 0.83, соответственно. Таким образом, при магнитном поле 15-20 кЭ более 2/3 потока из замедлителя проходит через затвор в накопитель. При стенке накопителя из бериллия V_n=245 нэВ и значения χ уменьшаются по сравнению с значениями при стенке накопителя из меди.

Расчеты показывают, что для создания магнитного поля H=20.9 кЭ на участке напуска с площадью 100-400 см² достаточно использовать электромагнит с блоком питания средней мощностью в диапазоне 4-16 кВт. Такой участок напуска может использоваться на накопителях нейтронов, генерируемых импульсными источниками нейтронов периодического действия типа ИБР-2 с частотой следования 5-10 Гц и шириной нейтронных импульсов 0.5-1 мс. Благодаря небольшой вероятности поглощения нейтронов на участке напуска плотность потока нейтронов в накопителе с радиусом 0.5-2 м возрастает в итоге на два порядка.

Изобретение относится к способу импульсного напуска и запирания нейтронов в кольцевом накопителе нейтронов и может использоваться в методах повышения плотности и времени нахождения нейтронов в замкнутом объеме. Согласно способу в боковой стенке накопителя на время напуска нейтронов от импульсного источника на участке напуска создают магнитное поле при помощи электромагнита. На время запирания нейтронов в накопителе в интервалах между импульсами источника нейтронов магнитное поле снимают. Причем электромагнит размещают таким образом, чтобы участок напуска в боковой стенке накопителя был расположен между полюсами электромагнита. Техническим результатом является повышение плотности потока нейтронов. 2 ил.

Способ импульсного напуска и запирания нейтронов в кольцевом накопителе нейтронов, включающий напуск нейтронов в накопительный канал накопителя со стенками из немагнитного материала через участок напуска в боковой стенке накопителя, отличающийся тем, что на участке напуска в боковой стенке накопителя на время напуска нейтронов от импульсного источника создают магнитное поле, а на время запирания нейтронов в накопителе в интервалах между импульсами источника нейтронов магнитное поле снимают, при этом для создания магнитного поля используют электромагнит, который размещают таким образом, чтобы участок напуска в боковой стенке накопителя был расположен между полюсами электромагнита.