В Объединенном институте ядерных исследований изобрели новое устройство для замедления нейтронов
Устройство для получения холодных и ультрахолодных нейтронов было спроектировано в Объединенном институте ядерных исследований. Ультрахолодные нейтроны (УХН) широко используются в физике элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий благодаря своему свойству отражаться от поверхностей из определенных материалов под любым углом падения, в отличие от нейтронов других энергий, которые имеют свойство быстро рассеиваться в окружающем веществе. В научном мире проблема замедления нейтронов окончательно не решена, поскольку во многих известных устройствах велики потери частиц на выходе. Новое изобретение ОИЯИ способствует решению этой задачи.
Идея изобретения состоит в том, чтобы пучок тепловых нейтронов, выходящий из замедлителя реактора, замедлился или до холодных нейтронов при скоростях порядка 10-100 м/с, или до ультрахолодных нейтронов, до скоростей, меньших 6 м/с, с помощью системы движущихся дифракционных нейтронных зеркал. Далее на пути потока нейтронов устанавливается ловушка, вход в которую перекрывается специальным затвором. Авторство этого изобретения принадлежит старшему научному сотруднику Лаборатории ядерных проблем им. В.П. Джелепова Сергею Доле и ведущему научному сотруднику Лаборатории нейтронной физики им. И.М. Франка Юрию Никитенко.
Нейтронное зеркало представляет собой отполированный многослойный материал из никеля и титана или композита никель-титан на подложке. Такой материал отражает пучки нейтронов подобно тому, как обычное зеркало отражает видимый свет. Как волны света отражаются от поверхности обычного зеркала, так и нейтроны, также имеющие определенную длину волны, отражаются от нейтронного зеркала. Нейтронные волны в зеркале интерферируют между собой, накладываясь друг на друга, благодаря чему интенсивность отраженной волны резко увеличивается.
«Если нейтрон догоняет удаляющееся от него зеркало, то при отражении от такого зеркала он затормозится, потому что при отражении из скорости нейтрона вычитается удвоенная скорость зеркала. Если скорость нейтрона в лабораторной системе в два раза больше, чем скорость зеркала, то после отражения он остановится», — прокомментировал соавтор изобретения Сергей Доля. Он рассказал, что ранее, с конца 60-х годов ХХ века, для снижения энергии нейтронов уже использовались сферические зеркала, однако современные дифракционные зеркала имеют намного большую эффективность и позволяют отражать нейтроны в более широком интервале энергий.
Согласно предложению авторов, некоторое количество дифракционных зеркал, имеющих плоскую отражающую поверхность, должны быть выполнены в виде слоистой структуры, которая представляет собой систему следующих друг за другом слоев с уменьшающимся пространственным периодом по направлению вглубь структуры от ее поверхности. Полусферические отражатели нейтронов, шарнирно присоединенные к кронштейнам, расположенным на выносных спицах колеса радиусом порядка 1 м, изменяют свой угол наклона синхронно с вращением колеса. Техническим результатом является увеличение потока нейтронов и увеличение диапазона начальных скоростей нейтронов.
Длительное время хранения нейтронов в ловушке позволяет использовать ультрахолодные нейтроны, например, в экспериментах по определению их фундаментальных свойств, а также в материаловедении. «Однако холодные нейтроны также могут накапливаться, и их поток больше потока ультрахолодных нейтронов. Поэтому в некоторых экспериментах выгоднее использовать холодные нейтроны», – отметил Юрий Никитенко.
Новое изобретение Сергея Доли и Юрия Никитенко может найти применение на будущем реакторе ОИЯИ НЕПТУН.
Фото: Объединенный институт ядерных исследований. Сергей Доля и Юрий Никитенко.