Нейтроновод

Нейтроново́д — устройство для проведения из источников нейтронов пучков тепловых и холодных нейтронов на большие расстояния без значимых потерь интенсивности этих пучков.

Физические основы

Файл:Нейтроновод SwissNeutronics.jpg

Нейтроновод компании SwissNeutronics

Идея создания нейтроновода появилась в 1963 году в работах немецких физиков Х. Майер-Лейбница и Т. Шпрингера. Проблемой при распространении пучков нейтронов было значительное ослабление их интенсивности от расстояния от источника:

$I\thicksim {\frac {1}{r^{2}}}$,

где $r$ — расстояние от источника нейтронов до точки наблюдения (измерения).

Необходимость создания нейтроноводов состоит в том, чтобы разнести на значительное удаление установки от реактора (источника нейтронов) и максимально снизить фон $\gamma$-квантов и быстрых нейтронов.

Нейтроновод представляет собой изогнутый канал, расположенный в ограничивающей рассеяние пучков нейтронов вакуумированной оболочке (с уровнем вакуума до $\thicksim 1$ Па, или $\thicksim 10^{-2}$ Торр), длиной до 100 м. Радиус кривизны канала (нейтроновода) рассчитан таким образом, чтобы пучки нейтронов внутри канала испытывали полное внутреннее отражение от полированных стенок, двигаясь по дуге окружности радиуса $R$. Канал нейтроновода изготавливается из плоских пластин из полированного стекла, покрытого специальной плёнкой из никеля (${\ce {Ni}}$) или его изотопа ${\ce {^{58}Ni}}$ для обеспечения критического угла полного внутреннего отражения $\Theta _{cr}$. Потери интенсивности пучка нейтронов возникают из-за того, что внутренняя поверхность собрана из плоских пластин и их неизбежных дефектов, таких как рефлективность, волнистость, линейные смещения секций и др.

Коэффициент отражения пучков нейтронов от внутренних стенок канала нейтроновода составляет приблизительно $\thicksim 0,99$ притом, что коэффициент преломления $n$ равен:

$n=1-{\frac {\lambda ^{2}}{2\pi }}Nb_{coh}$,

где $N$ — атомная плотность вещества, а $b_{coh}$ — когерентная длина рассеяния вещества.

Потери интенсивности пучков могут составлять величину до 40 % от изначальной.

Характеристиками нейтроновода служат длина прямой видимости $L_{v}$ (расстояние, на котором любой нейтрон испытывает хотя бы одно отражение от стенки канала), радиус кривизны канала $R$, а также ширина канала $d$, связанных между собой соотношением:

$R={\frac {L_{v}^{2}}{8d}}$.

При этом длину канала делают такой, чтобы выполнялось условие:

$S_{ch}=1,25L_{v}$,

необходимое для того, чтобы отфильтровать резонансные и быстрые нейтроны, для которых значение критического угла $\Theta _{cr}$ меньше, чем для тепловых и холодных нейтронов.

В современных нейтроноводах внутренние покрытия изготавливают многослойными для получения других значений эффективного критического угла $\Theta _{cr}$, наподобие диэлектрических зеркал в лазерах. Число слоёв в покрытиях достигает нескольких сотен, материал — титан (${\ce {Ti}}$) и никель (${\ce {Ni}}$). Для этих веществ нейтронный контраст (произведение $Nb_{coh}$) максимален. Однако, при использовании таких покрытий рост потерь на отражение увеличивается примерно на 10 %, и для компенсации этого эффекта используют нейтроноводы с фокусирующим каналом (т. н. баллистические нейтроноводы, бывают параболическими и эллиптическими), ширина которого изменяется вдоль горизонтальной оси. Впервые подобный нейтроновод запустили в Институте Лауэ-Ланжевена (Гренобль, Франция) в 2001 г.

При необходимости получения поляризованных пучков нейтронов на выходе из нейтроновода, стенки канала изготавливают из ферромагнитных материалов, обладающих высокой магнитной проницаемостью, и помещают канал в магнитное поле. Коэффициент поляризации в таких нейтроноводах равен $\thicksim 98\%$.

Изменяя критический угол отражения $\Theta _{cr}$, можно получить на выходе из нейтроновода пучки т. н. ультрахолодных нейтронов.

Созданы конструкции многоканальных нейтроноводов, называемые бендерами.

Литература

• Гуревич И. И., Тарасов Л. В. Физика нейтронов низких энергий // Инженерный журнал: наука и инновации. — 1965. — № 91. — С. 167—168.
• Канторович Л. В. Математические методы в организации и планировании производства. — Л. : Изд-во ЛГУ, 1939.

Ссылки

• Нейтроноводная система реактора ПИК
• Нейтроноводная система реактора ПИК. Диссертация.

Одним из источников, использованных при создании данной статьи, является статья из википроекта «Рувики» («ruwiki.ru») под названием «Нейтроновод», расположенная по адресу: — «https://ru.ruwiki.ru/wiki/Нейтроновод» Материал указанной статьи полностью или частично использован в Циклопедии по лицензии CC-BY-SA 4.0 и более поздних версий. Всем участникам Рувики предлагается прочитать материал «Почему Циклопедия?».