Нейтронный спектрометр Советский патент 1991 года по МПК H01J49/40 

Изобретение относится к физике и технике, физического эксперимента и может быть использовано в экспериментальной нейтронной физике, например для исследования ядерных реакций, вызываемых нейтронами, или свойств твердого тела при помощи нейтронов.

Целью изобретения является увеличение эффективности спектрометра за счет сокращения времени измерений

и/или улучшения разрешения во всем диапазоне энергий нейтронов.

На чертеже показано устройство спектрометра, где 1 - вакуумированный корпус-электроновод, 2 - квадру- польная линза, 3 - развертывающее устройство для линейной ралпертки электронного пучка, 4 - блоки тормозной мишени, 5 - блоки нейтронного конвертера, 6 - промежутки для пропускания электронного пучка, 7 - ловушка электронного пучка, 8 - блоки замедлителя, 9 - нейтроноводы, 10 - ускоритель электронов.

На входе вакуумированного корпуса 1, соединенного с выходом электронного (индукционного) ускорителя 10, установлена квадрупольная линза 2, формирующая линейный фокус электронного пучка в объеме блоков нейтронного конвертера 5. После линзы установлено развертывающее устройство 3 (представляющее собой импульсный магнит, синхронизованный с током электронного пучка), ориентированное для развертки пучка по пакету блоков тормозной мигаени 4 и нейтронного конвертера 5 в вертикальной плоскости. Пакет блоков 4, 5 установлен вертикально в точке пересечения осей нейтроно- водов. Промежутки 6 между блоками 4,5 служат для пропускания электронного пуска в ловушку 7, которая поглощает энергию электронного пучка при минимальной генерации тормозного излучения и защите от. него нейтронного конвертера 5, По бокам нейтронного конвертера 5 могут быть установлены блоки замедлителя 8, служащие для формирования нейтронного спектра. Вакуумированные нейтроноводы 9 имеют диаметр больший или равный длине блоков нейтронного конвертера 5 и замедлителя 8 с тем, чтобы пропускать к детектору нейтроны, испущенные из любого блока конвертера.

Работа устройства происходит следующим образом.

Во время прохождения импульса тока ускорителя 10 квадрупольная линза 2 фокусирует электронный пучок по вертикали и дефокусирует его по горизонтали, развертывающее устройство 3 линейно развертывает электронный лучок по пакету блоков тормозной мишени 4 с блоком нейтронного конвертера 5. В моменты, когда пучок попадает на очередной блок, генерируется тормозное излучение, в пучке которого находится соответствующий блок нейтронного конвертера, генерирующего при этом поток нейтронов, В момент, когда пучок попадает в промежуток 6 между блоками, он проходит мимо тормозной мишени и попадает в ловушку 7 пучка. Генерация нейтронов в этот момент практически прекращается, так как интенсивность тормозного излучения в ловушке значительно меньше, чем

0

5

0

5

0

5

0

5

0

5

в тормозной мишени, из-за малого атомного номера Z, удаленности источника тормозного излучения от нейтронного конвертера и ориентации углового распределения тормозного излучения ловушки по направлению пучка, то есть в направлении, противоположном расположению конвертера. Таким образом, поток нейтронов оказывается промодулированным во времени псевдослучайной последовательностью коротких импульсов. Ориентация плоскости развертки перпендикулярно плоскости, в которой расположены нейтроноводы, обеспечивает равенство длины пролетной базы от любого из блоков нейтронного конвертера 5 и замедлите1 я 8 до детектора.

Следовательно, такой источник нейтронов оказывается эквивалентным источнику с размерами порядка величины нейтронного пятна в замедлителе в направлении на детектор, излучение которого промодулировано во времени псевдослучайной последовательностью,

После окончания измерений полученный времяпролетный спектр преобразуется в эквивалентный ему время- пролетный спектр импульсного нейтронного источника с длительностью импульса t/N, где N 2т-1 - длина псевдослучайной последовательности, а полученная статистическая точность, пропорциональная средней интенсивности потока нейтронов, определяется коэффициентом заполнения псевдослучайной последовательности, который равен 1/2.

Данное устройство может быть модифицировано для целей традиционной нейтронной спектроскопии путем установки замедлителя между нейтронным конвертером и нейтроноводами. При 2 том спектр нейтронного конвертера сглаживается замедлителем, а исследуемый образец и детектор устанавливаются на другом конце нейтроно- провода.

Например, рассмотрим характерис- ики спектрометра на основе ускори- еля ЛИУ-30, Выигрыш в разрешении или эффективная длительность нейтронного импульса здесь определяется следующими факторами:

1. глубиной модуляции нейтронного потока, которая определяет длину псевдослучайной последовательности;

2.размерами электронного пучка в направлении развертки, размером линейного фокуса, определяющим длительность фронта включения нейтронного потока;

3.быстродействием детектора и электронной аппаратуры;

4.размерами нейтронного пятна в замедлителе;

5.временем жизни нейтронов в замедлителе.

Глубина модуляции нейтронного потока определяется отношением потока нейтронов от конвертеров в момент когда электронный пучок попадает на тормозную мишень, к потоку, который генерируется конвертером при пропускании пучка в промежуток между блоками и поглощении его в ловушке пучка. Это отношение в первом приближении равно отношению потоков тормозного излучения, попадающего на конвертер нейтронов в первом и втором случае. Экспериментальное отношение потока тормозного излучения вперед к потоку назад при энергии 30 МэВ Р 20. Принимая расстояние от нейтронного конвертера до ловушки пучка 50 см и площадь нейтронного конвертера Sj-K 80 см2, получаем отношение потоков

74 12JL612500 8200

номера материалов мишени и ловушки.

Размер электронного пучка легко может быть доведен до 1 мм. При длине развертки порядка 400 мм (диаметр нейтроновода) может быть реализована псевдослучайная последовательность длиной N 255 с эффективной длительностью менее 4 не.

Быстродействие детектора нейтронов и регистрирующей аппаратуры составляет в лучшем случае 2-5 не. Размер нейтронного пятна в водяном замедлителе составляет порядка 2-4 с что при энергии 10 кЭВ дает неопределенность во времени пролета 15 - 30 не.

ч

Время жизни нейтронов в обычном водяном замедлителе не превышает 50 не и без большой потери интенсивности может быть доведена до Ю не.

0

5

0

5

Таким обратом при использовании данного устройства как спектрометра фотонейтронов предельно достижимое разрешение ограничивается факторами

2и 3. Поэтому положительный эффект, достигаемый данным устройством, обусловлен только сокращением времени измерений, которое определяется отношением ширины исследуемого интервала энергий к ширине окна, где достигается улучшение разрешения в прототипе (100-400 эВ). Ширина исследуемого интервала в резонансной области при времяпролетной методике на близком по интенсивности источника ИБР-30 обычно не превышает нескольких десятков кэВ, откуда следует, что сокращается время измерений по сравнению с прототипом примерно в 100 раз.

При установке замедлителя и использовании устройства в качестве обычного нейтронного спектрометра основными ограничивающими факторами являются

3и 4. Необходимо отметить, что эти факторы являются общими для всех нейтронных спектрометров и сокращение длительности импульса за их счет,

как правило, достигается путем снижения среднего потока нейтронов.

Даже в простейшем варианте реализации предлагаемое устройство дает четырехкратный выигрыш в эффективности по сравнению с близкими по функциональному назначению устройствами.

Формула изобретения

0

1. Нейтронный спектрометр, содержащий вакуумированный корпус-электро- новод, соединенный с ускорителем электронов, устройство для линейной развертки электронного пучка, тормозную мишень и нейтронный конвертер,

е установленные на оси электронного пучка, а также нейтроноводы, ось которых проходит через нейтронный конвертер, отличающийся тем, что, с целью увеличения эффектив

Q ности спектрометра за счет сокращения времени измерений и улучшения разрешения по энергиям нейтронов во всем диапазоне энергий, дополнительно вве дена ловушка пучка, выполненная из материала с малым атомным номером Z, расположенная на оси электронного пучка за нейтронным конвертером, тор мозная мишень и нейтроный конвертер выполнены в виде пакета длины nl из

блоков длины 1 (м) каждый и промежутков между блоками с длинами, кратными 1 для пропускания пучка в ловушку, расположенных по направлению развертки так, что блоки находятся йа одинаковом расстоянии от детектора и образуют двоичную последовательность длины rv, где п 2 -1, га 2,3,4, .4. целое число, причем автокорреляционная функция двоичной последовательности равна 1 или

(- -), так что единице в последова

тельности соответствует наличие блока, а нулю - промежуток длиной 1, при этом оси нейтроноводов расположены в плоскости, перпендикулярной плоскости развертки электронного пучка.

2. Спектрометр по п. 1, отличающийся тем, что, с целью расширения функциональных возможностей, в него дополнительно введен замедлитель, установленный между нейтронным конвертером и нейтроново- дом.

Изобретение относится к физике и технике физического эксперимента и может быть использовано в нейтронной физике. Цель изобретения - увеличение эффективности спектрометра за счет сокращении времени измерений и улучшения размещения по энергиям нейтронов. Спектрометр содержит вакуумированный корпус-электроновод 1, развертывающее устройство 2 для линейной развертки электронного пучка, блоки 4 тормозной мишени, блоки 5 нейтронного конвертера, ловушку 7 электронного пучка, нейтро- новоды 9, ускоритель 10 электронов. Электронный пучок разворачивают по тормозной мишени, генерируя при этом нейтроны. Тормозная мишень и конвертер выполнены в виде пакета блоков длины nl с промежутками с длинами кратными 1. Блоки и промежутки между ними образуют двоичную псевдослучайную последовательность, и таким образом, нейтронный поток модулируется по интенсивности этой последовательностью. Геометрия расположения нейтроноводов и нейтронного конвертера обеспечивает равенство пролетных баз от источника до детектора нейтронов. Равенство пролетных баз и псевдослучайная двоичная модуляция потока нейтронов после обработки результатов позволяют восстановить времяпролетный спектр в эквивалентный ему спектр импульсного источника и сократить время измерений. 1 з , п . ф-лы, 1 ил. 2 SS (Л О 00 4- 00 СО to