Нейтронный спектрометр Советский патент 1983 года по МПК G01T3/00 

«fj П

ТЕ Изобретение относится к экспери меЬтальной ядерно физике и может быть использовано в спектрометрии медленных нейтронов по методу времени пролета. Известны спектрометры медленных нейтронов, использующие импульсные .источники быстрых нейтронов с посл дующим замедлением нейтронов в замедлителе, а также спектрометры, в которых в качестве источника,ней тронов применяют реакторы постоянно мощности Щ . Преимуществом спектрометров, использующих- импульсные источники, является высокая мгновенная интенс ность нейтронов в импульсе, достигающая величины порядка 10 нейтро нов/с, что обеспечивает высокую светосилу этих спектрометров, Недос татком таких спектрометров является то, что при работе с медленными нейтронами (с энергией порядка 0,025 эВ и меньше) необходимо последующее замедление нейтронов в замедлителе, что приводит к значи.тельному углирёнию импульса во вр мени (примерно до 100 мкс, а следовательно, к ухудшению разрешения установки. .Напротив,преимуществом спектрометров, использующих в качестве источников реактора постоян ной мощно.сти, является возможность получать короткие импульсы медленiных нейтронов (порядка 10 мкс) с помощью механических прерывателей, недостаток их состоит в сравнительно малой мгновенной интенсивности нейтронов в импульсе (порядка ю10 нейтронов/с, а следовательно, невысокой светосиле. При этом применяются только доли процента (от 0,1 ДО 0,5%) полного потока нейтрон в пучке. Импульсные реакторы, имеющие ту же среднюю мощность, что и реакторы постоянной мощности, по эффективнос ти их использования в спектрометрах по времени пролета оказываются, так образом, в 1000 раз лучше. .Существуют дв-а пути для улучшени разрешения в спектрометрах по времени пролета: увеличение пролетной базы и сокращение длительности нейтронов импульса. Первый путь ведет большой потере в светосиле установки, например улучшение разрешения в 10 раз приводит к потере в светосил в 1000 раз. Известен ряд исследований, посвященных сокращению длительно.сти и пульса медленных нейтронов путем от равления или охлаждения замедлителя 2 . V Используя гетерогенное отравлени удается сократить длительность ней,тронного импульса от нескольких сотен микросекунд до 80 мкс для знергий нейтро.нов порядка 0,01 эВ. Для более низких энергий (0,01 эВ) эффективность применения отравления замедлителя не исследовалась. Используя отравление замедлителя, принципиально невозможно получить длительность импульсов медленных нейтронов меньше длительности импульса быстрых нейтронов от импульсного источника. В режиме импульсного быстрого реактора (в системах, подобных ИБР-1 или ИБР-2) длительность импульса быстрых нейтронов достигает величины 4-90 мкс, а следовательно, путем отравления замедлителя в подобных системах нельзя получить длительность импульса медленных нейтронов меньше этой величины. Наиболее близким к предлагаемому спектрометру является нейтронный спектрометр по времени пролета, содержащий импульсный источник нейтронов, замедлитель, прерыватель нейтронов и устройство для регистрации нейтронов 3 . Спектрометр включает импульсный источник быстрых нейтронов (реактор ИБР-1), замедлитель, первую про/1етную базу, на конце которой установлен сфазированный с ИБР механический прерь ватель, -изучаемый образец, вторую пролетную базу, детектор и регистрируквдую аппаратуру. Разрешение спектрометра по первой пролетной базе равно 10 мкс/м, а по второй - б мкс/м. В ряде экспериментальных исследований в области физики твердого тела, биологии и т.д. достигнутого разрешения установки уже недостаточно и требуется значительное его улучшение. Целью изобретения является повышение разрешающей способности и максимальное сохранение светосилы спектрометра. Цель достигается тем, что в устройстве, содержащем импульсный источник быстрых нейтронов, замедлитель, нейтроновод, прерыватель нейтронов и устройство для регистрации нейтронов, непосредственно после замедлителя, на расстоянии в 20-100 раз меньшем пролетной базы, установлен дополнительный прерыватель медленных нейтронов, синхронизовааный для выделения короткого по вр мени импульса нейтронов в пределах (1-10)-10. На чертеже изображена схема предлагаемого нейтронного спектрометра. Спектрометр содержит импульсный источник 1 быстрых нейтронов, замедлитель 2, дополнительный прерыватель 3 медленных нейтронов, нейтроновод 4, прерыватель 5 нейтронов, устройство 6 для регистрации нейтронов На чертеже Р обозначает расстояние, на котором установлен прерыватель от замедлителя, аЬ - пролетную базу спектрометра. Предлагаемый спектрометр работает следующим образом. Импульсный источник создает быстрые нейтроны с высокой мгновенной интенсивностью. После замедления в замедлителе нейтронный импуль уширяется во времени до 100 мкс для нейтронов с энергией порядка 0,025 Прерыватель 3 медленных нейтронов, установленный в непосредственной близости от замедлителя 2 на расстоянии Е, создает короткие, порядка 10 МКС, импульсы медленных нейтронов в те моменты времени, когда интенсивность нейтронов, выходящих из замедлителя 2 и достигающих прерывателя, становится максимальной. Если прерыватель по каким-либо причинам не может быть установлен впло ную с замедлителем, то момент време ни, когда щели прерывателя становят ся открытыми, будет определяться расстоянием Е и исЪледуемой область нейтронов. Для этого в системе фаэировки прерывателя предусма,тривается возможность задавать величи фазы, которую можно изменять с не KOTOpbDvj шагом. Таким образом, с пом щью сфазированного с импульсным ис точником , нейтронов механического прерывателя происходит сокращение первоначальной длительности медлен нейтронов примерно в 10 раз. Для сравнения известных спектро метров и предлагаемого, рассмотрим несколько вариантов спектрометров и их сравнител| ные характеристики сведем в таблицу. .Для первых трех вариантов импульсный источник нейтронов (действующий источник) имеет одну и ту же мощность. Пусть в первом варианте используется источник нейтронов с условно интенсивностью, равной единице, и длительностью нейтронного импульса Тц 100 МКС. Если пролетная база спектрометра L равна 10м, то приближено разрешение установки будет равно Я - 10 мкс/м. Обозначим величину интенсивности на конце пролетной базы во времен;ном интервале от i до t + i.t через 13 . Величина Т характеризует светосилу спектрометра. Так, если на конце пролетной базы находится детектор нейтронов, то счет в канале временного анализатора пропорционален этой величине Примем условно, что величина {, в первом варианте равна единице. Первая строка таблицы относится к этоу варианту. Пусть требуется улучшить разрешение спектрометра в 10 раз. Если не удается сократить длительность нейтронного импульса, то единственным способом улучшения разрешения спектрометра по времени пролета является выбор большей пролетной базы. Пусть во втором варианте используется этот способ улучшения разрешения. Но известно, что для этого требуется увеличить пролетную базу в 10 раз, при этом светосила спектрометра уменьшится в 10 раз. Вторая строка таблицы относится к этому варианту. Третья строка таблицы относится к предлагаемому спектрометру. В этом спектрометре в качестве прерывателя нейтронов применяют устройство, в котором ширина непрозрачного для нейтронов промежутка между щелями в 4 раза больше щирины щели и преры.ватель обеспечивает получение импульсов нейтронов длительностью 10 МКС. Известные конструкции прерывателей имеют примерно такие характеристики. В предлагаемом спектрометре длительность нейтронного импульса будет сокращена в 10 раз, при этом эффективная интенсивность источника уменьшится в 40 раз (в 4 раза за счет состояния между щелями ив 10 раз за счет уменьшения длительности импульса. В этом варианте на пролетной базе 10м достигается разрешение 1 мкс/м. Четвертая строка таблицы относится к спектрометру, использующему источникнейтронов в 25 раз боЛее мощный, чем действующий источник. В этом случае для получения разрешения 1 мкс/м необходима пролетная база lOt) м. При сравнении третьего и четвертого вариантов спектрометров видно, что они имеют одно и то же разрешение и одинаковую светосилу. Использование изобретения позволяет, таким образом, значительно улучшить разрешение известного спектрометра, при этом достигаются те же параметры, которые можно получить при использовании более мощ.ного (в 25 раз) .источника. Применение изобретения на реакторе ИБР-2 дает возможность получить параметры спектрометра, которые мо-. гут быть достигнуты лишь на реакторе периодического действия мощностью не менее 10 мгВт. Однако повыщение мощности известных реакторов, включая и реакторы непрерывного действия, невозможно, так как проблема стойкости материалов и отравления реактора не позволяет по- строить такой реактор. Предлагаемый спектрометр позволяет в процессе исследований по физике твердого тела и материаловедеиию на атомно-молекулярном уровне п 1лучитй. рекомендации по созданию материалов с предельными свойствами, что практически иевоэмож но сделать другим путем.

1. HERTPOHHHtl СПЕКТРОМЕТРпо-времени пролета,содержащий импульсный источник быстрых нейтронов,• за-медлит.ель, нейтроновод, прерыватель нейтронов и устройство для регистрации нейтронов, отличающий- с я тем, что, с целью повышения разрешающей способности и максимального сохранения светосилы спектрометра, непосредственно после замедлителя установлен дополнительный . прерыватель медленных нейтронов, синхронизованный для выделения короткого по времени импульса нейтронов в пределах

Действующий 1 .

Действующий 1

Действующий 2,510 с дополнительным прерывателем, установленным на расстоянии Е

Источник, 25 мощность которого в

25 раз больше мощности действующего источника

10 10

л 100 1

10

-2

2,540 10 1

2

2,510

100