УЧРЕЖДЕНИЕ РОССИЙСКОЙ АКАДЕМИИ НАУК
ПЕТЕРБУРГСКИЙ ИНСТИТУТ ЯДЕРНОЙ ФИЗИКИ
им. Б.П. Константинова РАН
На правах рукописи
УДК 539.125.5
01.04.01 - приборы и методы экспериментальной физики
АВТОРЕФЕРАТ
диссертации на соискание учёной степени
кандидата физико-математических наук
ИСТОЧНИК УЛЬТРАХОЛОДНЫХ НЕЙТРОНОВ С ЗАМЕДЛИТЕЛЕМ ИЗ ТВЁРДОГО ДЕЙТЕРИЯ
Захаров Аркадий Анатольевич
г. Гатчина - 2010
Работа выполнена в Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова Российской академии наук
Научный руководитель: доктор физ.-мат. наук, профессор Серебров А.П.
Официальные оппоненты:
доктор физ.-мат. наук, профессор Шабалин Е.П.
доктор физ.-мат. наук, профессор Морозов В.И.
Ведущая организация: Физический факультет Санкт-Петербургского государственного университета
Защита диссертации состоится 2010 г. на заседании диссертационного совета Д 002.115.01 при Петербургском институте ядерной физики им. Б.П. Константинова РАН по адресу 188300, г. Гатчина Ленинградской обл., Орлова Роща.
С диссертацией можно ознакомиться в библиотеке ПИЯФ РАН
Автореферат разослан 2010 г.
Ученый секретарь диссертационного совета И.А. Митропольский
ОБЩАЯ ХАРАКТЕРИСТИКА РАБОТЫ
Актуальность темы
Для экспериментов по изучению свойств нейтрона необходимы как можно более медленные нейтроны, так называемые ультрахолодные нейтроны (УХН). Использование медленных нейтронов увеличивает время их пребывания внутри экспериментальной установки. Когда энергия нейтрона меньше граничной энергии поверхности вещества, то нейтрон не может проникнуть внутрь вещества и происходит его отражение от поверхности. Способность УХН к отражению от поверхности позволяет хранить их в замкнутом объеме.
В области фундаментальной физики УХН используются для измерения электрического дипольного момента, электрического заряда и времени жизни самого нейтрона, а также для изучения асимметрии нейтронного -распада. В прикладных исследованиях УХН используются для изучения твердого тела (измерение граничных энергий, сечений рассеяния и поглощения вещества, исследование неоднородностей вещества и т.д.). Доля УХН в реакторном спектре очень мала и составляет всего 10-11, что ставит задачу увеличения их интенсивности для проведения научных исследований.
Данная диссертация посвящена реализации нового подхода в повышении интенсивности производства УХН, основанного на использовании твёрдого дейтерия, охлаждаемого жидким гелием. Для апробирования и изучения криогенного источника нейтронов нового поколения с высокой плотностью УХН, в Петербургском институте ядерной физики РАН на реакторе ВВР-М в 1995 году создан источник ультрахолодных нейтронов на твёрдом дейтерии.
Твёрдый дейтерий является эффективным замедлителем/конвертором для производства ультрахолодных нейтронов. Это демонстрируется в данной диссертационной работе. Он может успешно применяться как на ядерных исследовательских реакторах, так и на импульсных нейтронных источниках. Использование источника УХН с применением твёрдого дейтерия в совокупности с объёмом хранения УХН на импульсных нейтронных источниках позволяет достичь высокой плотности УХН и облегчает задачу отвода радиационного тепла.
Твёрдый дейтерий способен преобразовать тепловые нейтроны за счёт неупругого рассеяния в ультрахолодные нейтроны и, обладая низким сечением захвата, позволяет им выходить из достаточно большой глубины. Однако, переход на более низкий температурный уровень работы, который определяется температурой жидкого гелия, применяемого для охлаждения, а также использование твёрдого агрегатного состояния вещества создаёт много новых теплофизических проблем, требующих решения. Решение этих проблем направлено в первую очередь на создание условий для поддержания дейтерия в твёрдом состоянии при возможно наиболее низкой температуре для достижения максимального выхода ультрахолодных нейтронов.
Цель и задачи работы
Целью работы является теоретическое и практическое изучение возможности и эффективности использования твёрдого дейтерия для получения интенсивных потоков и плотностей ультрахолодных нейтронов с целью их дальнейшего использования в экспериментальных установках, а также разработка конкретных предложений по реализации такого типа источника на реакторах и импульсных ускорителях. Работа включает в себя следующие задачи: плотность ультрахолодный нейтрон источник
1. Разработку и создание на реакторе ВВР-М в ПИЯФ РАН источника ультрахолодных нейтронов на основе твёрдого дейтерия.
2. Экспериментальное исследование эффективности твёрдого дейтерия для получения ультрахолодных нейтронов.
3. Предложение по созданию фабрики ультрахолодных нейтронов на импульсном ускорителе.
Направление и методика исследований;
Направление исследований нацелено на решение следующих задач:
а) поиск путей повышения эффективности источников ультрахолодных нейтронов на основе использования другого агрегатного состояния замедлителя/конвертера;
б) изучение возможности и эффективности использования твёрдого дейтерия на реакторах и ускорителях.
Для повышения эффективности научных экспериментов с использованием ультрахолодных нейтронов предлагается повысить эффективность их производства за счёт использования конвертера на основе твёрдого дейтерия.
Экспериментальные работы являются основным методом исследования предлагаемого нейтронного источника с твёрдым дейтерием с целью определения его эффективности.
Расчёты, основанные на полученных экспериментальных данных, позволяют оценить эффективность создания подобного источника ультрахолодных нейтронов на исследовательских реакторах и ускорителях.
Научная новизна и практическая ценность
Основной характеристикой источника является фактор выигрыша. Он определяется как отношение выхода УХН из источника с холодным замедлителем к выходу УХН из источника, заполненного водородом при температуре 300К. Для источника с твердым дейтерием фактор выигрыша составил 1230 раз. Наилучший фактор выигрыша для УХН, полученный до этого, составлял 66 раз.
После экспериментов с использованием твёрдого дейтерия для получения ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М и конкретных предложений по его использованию на других реакторах и импульсных ускорителях, инициатором которых являлся ПИЯФ РАН, эта тема получила признание в ряде исследовательских центрах мира. Работа по использованию твёрдого дейтерия получила особенно широкий интерес после проведения международного семинара под эгидой ПИЯФ в 1999 году в г. Пушкине.
Как результат работы нескольких научных коллективов была создана экспериментальная установка для изучения свойств твёрдого дейтерия, построен прототип источника на ускорителе в Лос-Аламосе, создан малый источник на импульсном реакторе в Майнце (Германия) и, наконец, в настоящее время близко к завершению строительство фабрики по производству ультрахолодных нейтронов на ускорителе в PSI, Швейцария. Плотность ультрахолодных нейтронов в объёме хранения ожидается на рекордном уровне 3103 нсм-3. Проект этого источника был разработан усилиями ПИЯФ и PSI.
Апробация работы
По теме диссертационной работы получен патент на изобретение № 2144709 зарегистрирован 20.01.2000г. Авторы: Захаров А.А., Митюхляев В.А., Серебров А.П. «Способ получения ультрахолодных нейтронов».
Представленные в диссертации материалы докладывались и обсуждались на семинарах и конференциях:
First UCN Factory Workshop, Pushkin, Russia, January 18-22, 1998;
The 2-nd UCN Workshop, Pushkin, Russia, June 14-17, 1999;
7th Meeting of the International Group on Research Reactors. San Carlos de Bariloche, Argentina, October 26-29, 1999,;
UCN Conference at LANL, Los Alamos, USA., September 2000;
The 3-rd UCN Workshop, Pushkin, Russia, June 18-22, 2001;
UCN Workshop. Ultra Cold & Cold Neutrons Physics & Sources, St.Petersburg, Russia, June 16-21, 2003;
UCN Workshop. Ultra Cold & Cold Neutrons Physics & Sources, Peterhof, Russia, July 13-18, 2005;
UCN Workshop. Ultra Cold & Cold Neutrons Physics & Sources. St.Petersburg - Moscow, Russia, July 1- 7, 2007.
Структура и объем диссертационной работы
Диссертация состоит из введения, пяти глав, заключения и списка цитируемой литературы. Она содержит 120 страниц машинописного текста, 45 рисунков, 3 таблицы. Список литературы содержит 82 наименования.
СОДЕРЖАНИЕ РАБОТЫ
Во введении к диссертационной работе приводится краткое описание ультрахолодных нейтронов и их применение в области фундаментальной физики, а также перечислены основные способы их получения. Приведено современное состояние, выделены недостатки источников для получения ультрахолодных нейтронов и отмечены пути их преодоления, из которых становится ясна актуальность использования твёрдого дейтерия.
Во введение сформулирована научная проблема, связанная с повышением эффективности научных экспериментов с использованием ультрахолодных нейтронов и определены цели и задачи диссертационной работы, а также направления и методы исследований.
В первой главе диссертации произведен обзор способов производства ультрахолодных нейтронов на исследовательских реакторах. Приведена история развития источников УХН в ведущих мировых исследовательских центрах и описывается новое поколение источников ультрахолодных нейтронов, которое позволит на порядки увеличить плотность ультрахолодных нейтронов.
Плотность УХН сейчас составляет около 10-10 н см. Вопрос состоит в следующем: возможно ли создание альтернативного варианта источника УХН при более низких температурах и в умеренных нейтронных потоках? Более детальное рассмотрение показывает, что такой подход возможен и позволяет получить плотность 103 - 104 н см-3 и создать новое поколение криогенных источников ультрахолодных нейтронов.
Как хорошо известно, фактор выигрыша в выходе очень холодных нейтронов пропорционален 1/Тn2, где Тn температура нейтронного потока. Например, термализация нейтронного потока до 30К дает фактор выигрыша около 100 раз. Так как термализация нейтронного спектра ниже 30 К является очень сложной экспериментальной задачей, то представляется, что температурный фактор выигрыша около 100 раз является верхним пределом метода низкотемпературных источников УХН. Однако это заключение справедливо для термодинамического равновесия между нейтронным потоком и средой. Можно показать, что для неравновесных систем возможен дополнительный фактор выигрыша. Например, для дейтериевого источника при температуре 4К и температуре нейтронного потока 40К фактор выигрыша составляет 1 - 2103.
Оптимальная температура нейтронного спектра 40K соответствует максимуму в производстве УХН. Уменьшение температуры криогенного источника приводит к увеличению глубины выхода УХН. Этот процесс определяет в основном температурную зависимость фактора выигрыша. Температура источника и эффективная температура нейтронного спектра тесно связаны, и эффективная температура нейтронного потока внутри источника зависит от его объема и температуры. Необходимый размер источника определяется также глубиной выхода УХН, которая растет с уменьшением температуры источника, достигая своего предела из-за сечения захвата в дейтерии. Сечение неупругого рассеяния и сечение захвата для дейтерия становятся равными при температуре 4К, поэтому уменьшение температуры источника ниже 4К не является столь эффективным. Кроме того, у дейтерия есть сечение некогерентного упругого рассеяния 2,2 барна, которое уменьшает выход УХН.
Увеличение плотности УХН на два порядка величины до 103 - 104см-3 позволяет значительно улучшить точность измерений в области фундаментальной физики (электрический дипольный момент нейтрона, время жизни нейтрона, асимметрия нейтронного -распада и т.д.). При такой плотности УХН возможны прикладные исследования твердого тела и изучение физики поверхностей.
Во второй главе описана структурная схема и разработана принципиальная технологическая схема нейтронного источника с твёрдым дейтерием и описано назначение его отдельных систем. Экспериментальный источник предложено было разместить в горизонтальном канале реактора ВВР-М в районе тепловой колонны реактора. Камера источника объёмом 6 литров изготовлена из циркония, имеет конструкцию с двойной стенкой и помещена в вакуумный контейнер. Охлаждение камеры с дейтерием производится постоянной циркуляцией жидкого гелия от гелиевого ожижителя. Для снижения теплового излучения на жидкий гелий от тёплой стенки вакуумного контейнера камера окружена тепловым экраном, который охлаждается жидким азотом.
Полное количество дейтерия в системе определяется таким образом, чтобы после заполнения камеры в ней оставалось свободное пространство для расширения дейтерия в процессе отогрева с целью предотвращения деформации камеры.
Нейтроноводная система экспериментального источника построена таким образом, чтобы можно было изучать широкий спектр нейтронов выходящих из источника. С этой целью нейтроновод, выходящий из реакторного канала, разделяется на три нейтроновода для холодных, очень холодных и ультрахолодных нейтронов.