Комплекс импульсных нейтронных источников испарительного типа
на базе сильноточного линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН

(Нейтронный комплекс ИЯИ РАН)- уникальная научная установка ИЯИ РАН

В Институте ядерных исследований РАН на основе сильноточного линейного ускорителя протонов сооружен комплекс экспериментальных установок для нейтронных исследований, включающий импульсный источник тепловых нейтронов ИН-06, установку для радиационного материаловедения РАДЭКС (источник тепловых и эпитепловых нейтронов) и высокоинтенсивный нейтронный спектрометр по времени замедления в свинце СВЗ.

Физический пуск ИН-06 и установки РАДЭКС был произведен в конце 1998 г. при энергии пучка 209 МэВ, среднем токе не более 0,1 мкА, длительности протонного импульса 60 мкс и частоте 1 Гц.

2000 году был запущен 100-тонный высокоинтенсивный спектрометр по времени замедления в свинце СВЗ.

2002 году осуществлена проводка пучка с током 50 мА на установку РАДЭКС. На базе источника нейтронов РАДЭКС создан времяпролетный нейтронный спектрометр (ВПНС).

Импульсный источник нейтронов

По проекту ИН-06 состоит из двух независимых источников нейтронов, расположенных каждый в своем боксе в общей биологической защите, и способных работать одновременно. Различие определяется длительностью импульса протонов, направленных на нейтронобразующую мишень. В первом боксе располагается вольфрамовая мишень с водяным замедлителем, на которую в настоящее время подается пучок протонов с параметрами, определяемыми ускорителем. Источник предназначен обеспечить проведение фундаментальных исследований в области физики конденсированного вещества, ядерной физики, биологии, химии и т.д.

Развитие нейтронного источника с целью повышения нейтронного потока в расчете на один протон первичного пучка предполагает создание мишени с бериллиевым отражателем. Предусмотрена возможность размещения размножающей мишени с ограниченным умножением во втором боксе.

Импульсный источник нейтронов

Для выведения пучков нейтронов из замедлителя к экспериментальным устройствам источник имеет семь каналов диаметром 204 мм. При этом четыре канала направлены в экспериментальный зал, а три - за пределы экспериментального корпуса. Малое количество каналов накладывает специфические требования к установкам и условиям выведения нейтронов: многофункциональность установок и, по возможности, раздвоение пучков нейтронов для увеличения количества используемых установок.

Одновременно с работами по вводу в научную эксплуатацию и оптимизации параметров ИН-06 начато создание в ИЯИ РАН установок совместно с коллективами разных институтов. Имеются дополнительные возможности использования подобных установок на каналах ВПНС РАДЭКС, в том числе в ином энергетическом диапазоне нейтронов (в более жестком спектре, недоступном на источниках реакторного типа). Источники тепловых нейтронов ИН-06 и эпитепловых нейтронов РАДЭКС нейтронного комплекса ИЯИ РАН взаимно дополняют друг друга, предоставляя возможности использования более широкого спектра нейтронов

Нейтронографические установки первой очереди на импульсном источнике тепловых нейтронов ИН-06 ИЯИ РАН.

Для успешной реализации первой очереди нейтронного центра ИЯИ РАН для исследования конденсированных сред особое внимание уделяется вопросам регистрации, сбора и анализа информации, поступающей с установок. В частности, в ИЯИ РАН создается современный двухкоординатный позиционно-чувствительный детектор нейтронов, необходимый для более эффективного получения информации о структуре исследуемого объекта.

Вторая очередь нейтронного центра предполагает проведение совместно с ПИЯФ, РНЦ "КИ", (Гатчина) работ по оборудованию каналов зеркальными нейтроноводами с их раздвоением для увеличения количества установок. Эта стадия работ включает также завершение создания многофункционального нейтронного спектрометра.

Научная программа исследований

Макроскопические свойства вещества, определяющие его практическое применение, такие как тепло- и электропроводность, прочность, эластичность и т.д., зависят от атомной, надатомной, надмолекулярной структур, а также, в ряде случаев, определяются тепловой подвижностью ядер, молекул и их образований. Важнейшую роль при этом играют элементы структуры с характерными размерами от единиц до тысячи ангстрем.

Изучение структуры и динамических особенностей состоит в анализе данных рассеяния излучений в веществе. Способность нейтронов глубоко проникать в вещество позволяет исследовать материалы при различных условиях: температурах, давлениях и др.

Важнейшим свойством нейтрона является наличие у него магнитного момента, что предоставляет широкие возможности в исследовании магнитных явлений. В последние годы нейтроны все больше применяются для изучения систем с сильными магнитными корреляциями, а именно: низкоразмерных магнетиков, сверхпроводников, фуллеренов, тяжелых фермионов и др.

Особое внимание уделяется исследованию нанокристаллов. Представляет интерес проведение измерений в реальном масштабе времени, что даст информацию о таких процессах, как окисление, различные релаксации и т.д.

Разупорядоченные материалы, к которым относятся разупорядоченные кристаллы, стекла, жидкости, часто имеют лучшие, по сравнению с кристаллическими, механические и магнитные характеристики и поэтому представляют интерес для их изучения с помощью нейтронов.

Одной из наиболее развивающихся областей использования нейтронов является исследование высокомолекулярных соединений, к которым относятся полимеры, блок-сополимеры, жидкие кристаллы, мицеллярные растворы, лиотропные мезофазы амфифильных молекул, коллоидные суспензии, эмульсии, гели, поверхностно-активные вещества. Наиболее ярким свойством таких систем является их широкий полиморфизм.

Использование нейтронов в структурной химии позволит продвинуться по пути создания материалов с заданными свойствами (керамики, магнитные материалы и др.), исследовать процессы взаимодействия в системе металл-водород. Измерения в реальном масштабе времени позволят изучать химическую кинетику, твердотельные реакции, фазовые переходы, релаксационные процессы.

Биология и биотехнология являются наиболее перспективными областями применения нейтронов. Способность нейтронов активно чувствовать водород, как в статике, так и в динамике, позволяет успешно определять детали структуры и функционирования биологических систем. Однако для решения этих задач требуются высокие потоки нейтронов, более длинноволновая волновая часть спектра нейтронов (для этого необходимы зеркальные нейтроноводы) и эффективные детекторы нейтронов.

В отдельную область исследований с помощью нейтронов выделяется материаловедение, которое связывают с изучением свойств материалов с помощью изменения микроструктуры. К таким микроструктурам относятся точечные дефекты, дислокации, межфазные границы, микротрещины, поры и др. Интенсивно развиваются в последние годы работы по изучению внутренних напряжений и текстуры методом дифракции нейтронов, а также связанных с этими задачами проблем пластичности и усталости материалов. Таким образом, нейтронное рассеяние дает уникальные возможности изучения реальных промышленных компонент и узлов конструкций.

Новой областью является применение нейтронов в науках о Земле. Экспериментальные исследования состоят в изучении текстуры горных пород и минералов, а также влияния внешнего давления на структуру образцов. Структурные исследования позволяют получить информацию о геологии планет, предсказании землетрясений и извержении вулканов.

Многоцелевой мишенный комплекс во втором боксе нейтронного источника.

Во втором боксе возможно создание многоцелевой установки для реализации следующих работ:

• изучения различных аспектов трансмутации, электроядерного способа производства энергии;
• проведения экспериментальных работ, связанных с производством трития на основе сильноточного протонного пучка;
• наработки нейтронно-избыточных и нейтронно-дефицитных изотопов для медицины;
• развития нейтронной терапии;
• создания дополнительной экспериментальной базы на внешних пучках для исследований в области физики конденсированного состояния, ядерной физики и биологии.

На базе действующего в ИЯИ сильноточного ускорителя протонов и созданной инфраструктуры нейтронного источника можно создать перенастраиваемый стенд со средней мощностью до 6 МВт для проведения научно-исследовательскими организациями Росатома и Академии наук цикла исследований в области электроядерного способа производства энергии и трансмутации радиоактивных элементов с целью комплексной проверки различных концепций и наработки технологического опыта. Такой стенд, созданный из специальных сменных модулей и не имеющий аналогов в мире, обладал бы одновременно чертами Большого физического стенда и реактора БР-10. Наличие такого демонстрационного стенда в структуре Росатома и Академии наук позволило бы систематизировать разрозненные научные исследования в этой области, сохранить научные кадры и загрузить их реально реализуемой на практике работой, обеспечивающей основу для одного из возможных направлений энергетики будущего. Вертикальные каналы, предназначенные для облучения образцов, могли бы быть использованы для развития новых технологий производства трития и наработки изотопов для медицинских целей. Создание подобного стенда стимулировало бы выведение параметров линейного ускорителя на проектные параметры. Попутное использование этого стенда в качестве источника нейтронов с большой длительностью импульса позволит добавить к семи нейтронным пучкам импульсного источника нейтронов, расположенного в первом боксе, еще, по крайней мере, пять. Это существенно расширило бы возможности нейтронного комплекса и обеспечило бы научно-исследовательские институты Московского региона дополнительными нейтронными пучками и экспериментальной базой для исследований в области физики конденсированных сред и ядерной физики.

Спектрометр по времени замедления нейтронов в свинце ИЯИ РАН

Созданный 100-тонный нейтронный спектрометр по времени замедления в свинце (СВЗ-100) относится к СВЗ третьего поколения, в которых нейтроны генерируются за счет ядерных процессов (spallation neutrons), вызываемых интенсивным пучком протонов. Этот СВЗ может быть использован для исследований в области фундаментальной и прикладной физики.

Эскиз экспериментальной установки СВЗ-100

При работе на мощности - 30 кВт предлагается использование жидкометаллической свинцово-висмутовой мишени. России принадлежит приоритет и уникальный опыт как в создании СВЗ (в институтах РАН), так и в работах с жидкометаллическими мишенями (в организациях Росатома). Объединение этих двух возможностей в одной установке позволило бы вывести исследования на принципиально новый уровень.

СВЗ третьего поколения обладают рекордной для нейтронных спектрометров светосилой с рабочим диапазоном энергий 1 эВ - 30 кэВ.
Заметно проигрывая по разрешению методу по времени пролета, СВЗ даёт выигрыш в 10³ - 10⁴ раз в светосиле.
СВЗ-100 предоставляет возможности исследований сечений редких реакций и реакций с микрообразцами (радиоактивные и редкие ядра), представляющих более широкий научный интерес в тех экспериментах, где энергетическое разрешение не является определяющим.

В 2000 г. проведен физический пуск 100-тонногo спектрометра по времени замедления нейтронов в свинце СВЗ-100. При длительности импульса протонного пучка 1,5-2 мкс и частоте следования 50 Гц получены рекордные для данного класса установок параметры: разрешение около 27%, что близко к теоретическому значению (26%), и интенсивность ~10¹⁴ н/с. Достоверный энергетический диапазон соответствует 1 эВ÷ 2 кэВ. Уменьшение длительности импульса до (0,25 ÷ 0,5) мкс позволяет расширить диапазон измерений до 30 ÷ 50 кэВ. При относительно невысоком разрешении, СВЗ-100 обладает уникальной чувствительностью, что позволяет получать нейтронные данные на микрообразцах разного изотопного состава.

Совместно с ГНЦ "Физико-энергетический институт" реализована программа измерений нейтронных сечений ряда минорных актинидов. Эти данные включены в международную базу ядерных данных.

Импульсный источник тепловых и эпитепловых нейтронов на базе модифицированной ловушки протонов - установки для радиационного материаловедения (РАДЭКС)

Установка РАДЭКС была создана для облучения образцов конструкционных материалов в смешанных протонных и нейтронных полях с последующей их доставкой в горячие лаборатории для пострадиационных исследований. Имеется принципиальная возможность облучения образцов в чисто нейтронных полях. Активная зона установки собрана из вольфрамовых пластин с титановым покрытием, охлаждаемых водой. Внутри активной зоны на глубине ~ 4 м от верхней крышки и на расстоянии ~40 мм от первой стенки расположен цилиндрический облучательный канал, диаметром 52 мм. и высотой 100 мм. В этом канале могут проводиться радиационные испытания стандартных образцов перспективных сплавов.

В настоящее время установка РАДЭКС используется в качестве нейтронного источника для времяпролетных экспериментов. Для этой цели проведена модификация ловушечной части. В итоге создан времяпролетный спектрометр ВПНС РАДЭКС.

Вольфрамовая мишень установки РАДЭКС оптимизирована для поглощения протонного пучка с энергией ~ 250 - 350 МэВ и средним током до 150 мкА. Горизонтальный и вертикальный вакуумные нейтроноводы позволяют проводить исследования по времени пролета на пролетных расстояниях до 50 м. При регулировании длительности импульса тока пучка ускорителя в диапазоне от 0,25 мкс до нескольких десятков микросекунд потоки нейтронов оцениваются на уровне 4 * 10¹² ÷ 9 * 10¹⁴ н/с, а энергетическое разрешение (0,15 ÷ 2)%.

Проводка пучка протонов мощностью около 8 кВт (средний ток 35-40 мкА, энергия 209 МэВ) на времяпролетный спектрометр РАДЭКС впервые осуществлена 10 ноября 2006 года.

Схема установки РАДЭКС

Нейтронный времяпролетный спектрометр ИЯИ РАН

На рис. 1 и 2 показаны конструкция действующей W-мишени и вакуумные каналы. В настоящее время имеются 6 экспериментальных зон для размещения регистрирующей аппаратуры.

На фотографии представлен общий вид времяпролетного спектрометра со стороны 50-ти метровой пролетной базы.

Для исследований по времени пролета структура нейтронного пучка должна соответствовать требованиям эксперимента. Нейтронные импульсы должны иметь малую длительность для получения высокого энергетического разрешения и относительно малую частоту, чтобы избежать наложения рецикличных нейтронов. Поэтому режимы работы нейтронного спектрометра должны отличатся в области медленных и резонансных нейтронов. В первом случае длительность импульса может быть равной 10-100 мкс, а во втором ~ на 1-2 порядка меньше. Стандартная длительность импульса спектрометра равна 60 мкс и меньшие длительности получаются с помощью прерывателя протонного пучка до 0.25 мкс с потерей интенсивности.

Параметры времяпролетного спектрометра, полученные в настоящее время, позволяют проводить исследования по программе изучения характеристик нейтронных резонансов деформированных ядер (лантанидов и трансуранов) и средних нейтронных сечений для нужд астрофизики и трансмутации.

В дополнение к исследованиям ядерно-физических процессов в нейтрон-ядерных взаимодействиях, ВПНС РАДЭКС предоставляет дополнительные возможности для изучения структур и свойств конденсированных сред.

Нейтронографические установки на импульсном источнике тепловых и эпитепловых нейтронов РАДЭКС

На импульсном источнике нейтронов РАДЭКС начата отработка методики измерений по физике конденсированных сред на макетах нейтронографических установок ИН-06 и разработка новых установок использующих эпитепловой ("жесткий") спектр нейтронов и не имеющих аналогов в России в силу возможности их реализации только на импульсных источниках нейтронов с "жестким" спектром.

В Лаборатории нейтронных исследований ИЯИ РАН в дополнение к нейтронографическим установкам на пучках вторичных нейтронов источников ИН-06 и РАДЭКС имеются современные исследовательские установки для исследования конденсированных сред комплементарными методами.

Контактная персона: Коптелов Эдуард Алексеевич, e-mail: koptelov@inr.ru, 8(495)850-42-60, 8(903)726-62-32