Нейтронный комплекс ИЯИ РАН. Импульсный источник нейтронов.

В Институте ядерных исследований РАН на основе сильноточного линейного ускорителя протонов Московской мезонной фабрики сооружен комплекс экспериментальных установок для нейтронных исследований, включающий импульсный источник нейтронов ИН-06, установку для радиационного материаловедения РАДЭКС 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.

"Нейтронные методы - передовой фронт атомной науки и техники" Э.А.КОПТЕЛОВ,
зам. директора ИЯИ РАН, д.ф.-м.н. "Содружество", сентябрь 2005 г.

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. Предусмотренная возможность использования накопителя-группирователя протонов, создаваемого совместно с НИИЭФА, позволит генерировать импульсы нейтронов длительностью 320 нc со средней интенсивностью в телесном угле 4π ~10¹⁶ н/с, что существенно расширит возможности источника для ведения 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 и размножающей мишени с ограниченным умножением, которую по проекту предполагается разместить во втором боксе.

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.

Первая очередь включает в себя монтаж в ИЯИ РАН установок, ранее разработанных и созданных в других институтах, совместно с коллективами этих институтов. К ним относится разработанная и созданная в РНЦ "Курчатовский институт" установка ДИАС, совмещающая порошковый дифрактометр, дифрактометр высокого разрешения обратной геометрии с временной фокусировкой и спектрометр неупругого рассеяния обратной геометрии. Эта установка позволит проводить исследования как структуры, так и динамики разного класса веществ в различных агрегатных состояниях при различных физических условиях.

Другой установкой является порошковый дифрактометр (ПДИФП) Института физических проблем РАН, на котором возможно проводить исследования структуры как при нормальных условиях, так и при криогенных температурах, сильных импульсных магнитных полях и при высоких давлениях.

Специально для ИН-06 совместно с Физическим институтом им. П.Н. Лебедева создается многофункциональный нейтронный спектрометр, включающий в себя четыре дифрактометра, предназначенные для исследования элементов структуры различного уровня (с пространственными размерами от единиц до тысячных долей ангстрем) и три спектрометра для определения динамических параметров в широком диапазоне переданных энергий, разрешений. Для увеличения диапазона исследованных энергий нейтронов и уменьшения их потерь в воздухе создан зеркальный нейтроновод.

Кроме перечисленных установок, которые находятся в стадии монтажа, совместно с Институтом физики высоких давлений РАН рассматривается модернизация дифрактометра ДН-500 для осуществления исследований конденсированных сред в экстремальных условиях (при сверхвысоких давлениях и сверхнизких температурах).

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, создания компьютерной сети для связи с другими Центрами. 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 (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

Специально для второй очереди завершена разработка проекта уникального спектрометра нейтронов прямой геометрии, совмещенного с малоугловым дифрактометром, и совместно с ПИЯФ начинается разработка современного рефлектометра. Рассматривается возможность создания других современных эффективных установок, развитие методов регистрации, сбора и анализа данных.

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 по- род 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 предполагается 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 Минатома 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 Минатома 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.