Время-пролетный спектрометр ультрахолодных нейтронов Советский патент 1983 года по МПК H01J49/40 G01T3/00 G01T7/00 

СП

м

00

ш

vi

Изобретение относится к нейтронной физике и может быть использовано для измерения энергии ультрахолодных нейтронов (УХН) (интервал скоростей для УХН 0-8 м/с и для очень холодных 8-1ЛО м/с), а также для измерения сечения взаимодействия нейтронов с веществом в указанном диапазоне скоростей нейтронов.

Под УХН понимаются нейтроны, способшде удерживаться в ловушках из различных материалов. Такая способность обусловлена полным внутренним отражением от границы вакуум - вещество при любом угле падения.

Известен времяпролетный спектрометр, который содержит прерыватель пучка нейтронов, пролотную базу, детектор нейтронов- и электронное оборудование (1.

Длительность нейтронного импульса во времяпролетном спектрометре определя;ется временем срабатьшания прерывателя. Длина пролетной базы определяет растяжку нейтронного импульса во времени, необходимую для эффективного разделения нейтронов в импульсе имеющих разную скорость. Отношение длительност.и нейтронного импульса ко времени пролета времяпролетной базы есть разрешение спектрометра (по скорости).

Прерьшатель должен .обеспечивать достаточно быстрое, но редкое срабатывание, т.е. -определенную величину скважности 1/6о , где Т - период повторения импульса, т.е. период повторения у прерывателя состояния Открыто (JQ . - длительность импульса, т.е. время пребывания прерывателя в состоянии Открыто. Скважность должна быть достаточно велика для того, чтобы можно было получить высокое разрешение по скорости.

Таким образом, скважность и разрешение - величины пропорциональные. Если условие необходимой скважности не выполнено, то последующие импульсы накладываются на предыдущие в области малых скоростей и это обусловливает невозможность измерений скорости УХН, т.е. низкое разрешение. В указанном времяпролетном спектрометре УХН узкий коллимированный пучок прерывается простой вращающейся заслонкой (диск из поглощающего нейтроны материала с узкой щелью шириной 0,8 см). Такой спектрометр дает возможность работать с нейтронами в интервале скоростей нейтронов от 450 до 4500 м/с, т.е. не обеспечивает измерение скорости УХИ. УХН распространяются широким расходящимся пучком, поэтому для их транспортиров ки используются вакуумированнь1е . зеркальные нейтроноводы, имеющие большую ширину 7 см. Пропорционально размерам пучка увеличивается размер диска прерьшателя.

Для получения необходимого разрешения (1%), обеспечивающего возможность определять скорость УХН за разумное время, необходимо в силу малой интенсивности пучкор УХН использовать всю площадь поперечного сечения пучка. Простой подсчет показывает, что если потребовать от спектрометра, имеющего пролетную базу 2 м и простой дисковый прерыватель для нейтронов со скоростью 5 м/с, разрешения порядка 1% при размере пучка см, то диаметр диска составит 3,9 м. Поскольку диск должав вращаться в вакууме, последнее обстоятельство представляет собой сложную техническую задачу.

Известен также гравитационный спектрометр УХН представляющий собой колено из зеркального нейтроновода, которое может поворачиваться вокруг горизонтальной оси. На конце нейтроновода установлен детектор. При подъеме колена детектора могут достигнуть только те нейтроны, энергия которых больше потенциальной, задаваемой высотой подъема колена. Верхняя граница измеряемого спектра не может превышать 8 м/с, так как не существует материала, обладакяцего. большей величиной граничной скорости 2 .

Известный спектрометр пригоден только для грубой оценки спектра УХН и обеспечивает низкую точность измерения скорости УХН, поскольку коэффициент пропускания колен-а зависит от скорости нейтронов и, как правило, этот.коэффициент неизвестен. Также онсовершенно не цригоден для измерения спектра очень холодных нейтронов, имеющих скорость больше, чем 8 м/с.

Наиболее близким по технической сущнос-уи и достигаемому эффекту изобретению является времяпролетный спектрометр ультрахолодных нейтронов содержащий источник УХН, вакуумированный зеркальный нейтроновод - пролетную базу, прерыватель, размещенный в нейтроноводе, и детектор УХН 3 .

Прерыватель в таком, спектрометре состоит -из диска со щелью ( 1-ый ротор) и барабана (2-ой ротор), расположенного за диском (по ходу пучка). Барабан набран из стеклянных пластин между которыми оставлены зазоры для прохождения УХН. Когда при вращении щели первого и второго роторов располагаются вдоль оси пучка, нейтронный импульс проходит на детектор. Второй ротор позволяет перекрывать значительное количество импульсов первого ротора (например, N ) и уве.личивает скважность системы в N раз. В данном спектрометре при такой конструкции прерывателя удалось увеличить скважность примерно в 2,5 раза по сравне41ию с обычным дисковым прерывателем.-Однако такой скважности недостаточно для измерения спектра УХН с точностью 1%. Таким образом, недостатками спект рометров такого типа являются зависимость пропускания от скорости нейт ронов (через него проходит 34% нейтронов, имеющий скорость 5 м/с, и 23%,- имеющих скорость 10 м/с), низкое разрешение по скорости (15%. длр1 нейтронов с м/с,, 10% для нейтронов с м/с). Причем такая величи на разре1аения достигается при с лож-, ной конструкции прерывателя и достаточно большой времяпролетной базе (11 м), что в итоге усложняет весь спектрометр в целом. Цель изобретения - повышение разрешающей способности и упрощение кон струкции спектрометра. Поставленная цель достигается тем что во времяпролетном спектрометре, содержащем источник УХН, вакуумированный нейтроновод - пролетную базу, прерыватель, размещенный в нейтроневоде,, и детектор, прерыватель- в.ыполнен в виде шторной конструкции с дву мя многощелевыми шторками и содер йит приводной валик, на котором укреплен торцовый кулачок с однозаходной торцовой спиралью, к поверхности кото-, рой прижаты толкатели, расположенные относительно торцовой спирали со , сдвигом на 180, снабженные прижимны.ми пружинами и связанные с двумя мно гощелевыми шторками, .расположенНЫ14И перпендикулярно оси нейтроновода. На шторках нанесён Ti-Gd силав для обеспечения минимального фона. На фиг. 1 представлен времяпролет ный спектрометр УХН, общий вид; на фиг, 2 - прерыватель нейтронного пуч ка ( направление нейтронного дучка на фиг. 3 - взаимное расположение многощелевых шторок в момент открыти пучка УХН на фиг. 4 - последователь ность открытия и закрытия окон шторо за два оборота торцового кулачка; на фиг, 5 - график взаимного перемещени шторок прерьшателя за один оборот ку лачка; на фиг. б - измеренный спектр УХН (1-25 м/с). Времяпролетный спектрометр содержит источник УХН 1, нейтроиовод 2, прерыватель 3, детектор 4, отстоящий на базовое расстояние В от прерыва.теля. Шторки 5 и б прерывателя распо ложены перпендикулярно оси нейтроновода. Прерыватель нейтронного пучка содержит шторки 5 и б, посаженные на толкатели 7, на которых расположены прижимные пружины 8, упирающиеся в торцовый кулачок 9 с однозаходной торцовой спиралью, приводной валик 10, соединительную муфту 11, приводной двигатель 12. . Вакуумное уплотнение приводного в.алика в корпусе прерывателя, а также узлы стыковки корпуса прерывателя с нейтроноводом спектрометра на фиг. 2 не показаны. Прерыватель работает следующим образом. Двигатель 12 через соединительную муфту 11 вращает приводной валик 10 и торцовый кулачок 9 с однозаходной торцовой спиралью, к поверхности которой усилием пружины 8 прижаты толкатели 7, расположенные относительно торцовой спирали со сдвигом на 180° и соединенные со шторками 5 и 6 (фиг. 2). За один оборот кулачка 9 каждый толкатель, сжимая пружину, взводится и доходит до верхней точки кулачка, после чего соскакивает в нижнее положение под действием пружины..Поскольку толкатель и шторка жестко связаны, то резкое перемещение шторки 5 относительно шторки 6 обеспечивает достаточно короткий импульс нейтронного пучка. К этому моменту шторка б оказывается взведенной на половину величины h и через полоборота торцового кулачка достигнет крайнего положения (верхней точки кулачка) подобно шторке 5. Цикл открывания, пучка повторяется (фиг. 3 и 4.) , Величина перемещения толкателя с многощеяевой шторкой обозначена h (фиг, 2-4), что совпадает с торцовым шагом спирали. При такой конструкции частота следования импульсов в спектрометре, зависит от частоты срабатывания шторок и задается скоростью вращения кулачка, определяемой скоростью двигателя,, а время срабатывания (длительность импульса) определяется фактически жесткостью пружины и весом шторки. Таким обра|3ом, вместо вращательного движения диска прерывателя предложено возвратно-поступательное движение шторки прерывателя. Такой подход к задаче позволяет сделать НезависимЕлм время срабатывания и частоту срабатывания, т,е. обеспечить .любую необходи-. мую скважность и, следовательно, повысить разрешающую способность спектрометра по скоростям (1%), что приводит к уменьшению ошибки измерения скорости УХН. Кроме того, шторная конструкция прерьтателя значительно более проста по сравнению с вращакецимся барабаном с набранными стеклянными пласти-. нами. Обеспечение быстрого времени срабатывания прерьшателя (достигнуто время срабатывания 0,003 с) позволяет значительно уменьшить длину времяпролетной базы до 2 м. Все эти

факторы и приводят к упрощению конструкции спектрометра в целом.

В предлагаемом спектрометре время срабатьшания 0,003 с, скорость

вращения кулачка 0,5 об/мин, пролетная база 2 м, для нейтронов со скоростью 10 м/с разрешение по скорости 1,5%, для нейтронов со скоростью 3 м/с разрешение по скорости 0,45%.

ВРЕМЯПРОЛЕТНЫЙ СПЕКТРОМЕТР УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ, содержащий источник ультрахолодных нейтронов, вакуумированный нейтроновод - пролетную базу, прерыватель, размещенный в нейтроноводе, и детектор, отличающийся тем, что, с целью повышения разрешающей способности и упрощения конструкции спектрометра, прерыватель выполнен в внде шторной конструкции с двумя многощелевыми, шторками и содержит приводной валик, на котором укреплен торцовый кулачок с однозакодной торцовой спиралью, к поверхности которой прижаты толкатели, расположенные относительно торцовой спирали со сдвигом на 180 снабженные прижимными пружинами и связанные с двумя многощелевЕЯ 1и шторками, расположенными перпендикулярно оси нейтроноводаi

Фиг-2.

czzr-j

X

Фие.5

/

JJT

vr

2}Г

и cftaffaffAi8а иеи/то/ю

/

0.8

а7

0.6

o.s

§5J

I иг

/r

0 2 4 S д Ю 12. Г4 76 re 20 22 24 2S 20 jff J2

Фог.