Источник ультрахолодных нейтронов с замедлителем из твёрдого дейтерия

Размещено на http://www.allbest.ru/

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.

Таким образом, на реакторе ВВР-М впервые был создан экспериментальный источник с использованием твёрдого дейтерия. Были исследованы особенности и эффективность работы источника в ходе проведённых на нём экспериментов.

В третьей главе приводятся результаты экспериментальных исследований проведённых на источнике с твёрдым дейтерием на реакторе ВВР-М. В зависимости от состояния замедлителя в камере нейтронного источника в проводимых экспериментах фиксировался спектральный и количественный выход нейтронов. Фактора выигрыша определялся как отношение выхода УХН из источника с твёрдым дейтерием к выходу УХН из источника, заполненного газообразным водородом при температуре 300К. В ходе экспериментов на источнике был получен фактор выигрыша ультрахолодных нейтронов 1230 раз.

При переходе в твердое агрегатное состояние происходит увеличение доли длинноволновых нейтронов. Наиболее значительное увеличение выхода возникает для очень холодных и ультрахолодных нейтронов. На рисунке 1 показаны экспериментально полученные спектры очень холодных нейтронов для жидкой фазы дейтерия в источнике при температуре 19-20 К и для твердой фазы при температуре меньше 10 К.

В целом эксперименты, проведённые на источнике, показали эффективность твёрдого дейтерия нейтронов и его перспективность как замедлителя для получения ультрахолодных нейтронов.

Рисунок 1. Нейтронные спектры для жидкой и твердой фазы дейтерия

Рисунок 2. Зависимость относительного фактора выигрыша от температуры для нейтронов с различной длиной волны

Причина увеличения выхода УХН при затвердевании дейтерия состоит в том, что трансляционные движения атомов прекращаются и сечение неупругого рассеяния УХН () уменьшается. В результате увеличиваются прозрачность источника и выход УХН. Понижение температуры источника приводит к дальнейшему уменьшению сечения неупругого рассеяния и увеличению выхода УХН. Понижение температуры дейтерия ниже 10 K оказывается не эффективным, т. к. сечение неупругого рассеяния уменьшается уже до уровня сечения некогерентного упругого рассеяния (), которое составляет 2,2 барна.

Экспериментально определено влияние примеси протия в твёрдом дейтерии на фактор выигрыша. Выход УХН резко снижается при увеличении концентрации протия. Допустимая концентрация протия в дейтерии для источника УХН с твёрдым дейтерием составляет 0,1 - 0,2%.

Рисунок 3. Зависимость фактора выигрыша от концентрации протия в твёрдом дейтерии.

В четвёртой главе произведён анализ вопросов безопасности, что является весьма актуальным для такого источника на реакторе. Проведён анализ ядерной и радиационной безопасности в результате которого показано, что влияние источника на реактор и окружающую среду находятся существенно ниже допустимых значений.

Водородная безопасность обеспечивается многоуровневой системой предотвращения образования взрывоопасных смесей. В качестве гарантирующего элемента безопасности источника используется силовой вакуумный контейнер, в котором размещается камера с дейтерием. Проведённый анализ аспектов безопасности дейтериевого источника показал, что он может безопасно эксплуатироваться на ядерном реакторе. Безопасность обеспечивается правильными техническими, конструктивными и технологическими решениями.

В пятой главе рассмотрена возможность использования источника с твёрдым дейтерием для получения интенсивных потоков ультрахолодных нейтронов. Интересные перспективы открываются при использовании твёрдого дейтерия на импульсных нейтронных источниках. В импульсе достигаются высокие нейтронные потоки, а промежуток времени между импульсами позволяет понизить температуру замедлителя до первоначального значения. Одним из основных элементов такого источника служит ловушка УХН, в которую ультрахолодные нейтроны поступают в момент импульса. В ней нейтроны хранятся и отбираются на экспериментальные установки между импульсами. Такой принцип работы позволяет получить плотность УХН на уровне 3400 н/см3 в нижней части ловушки, откуда производится отбор нейтронов для экспериментов.

Предложен и находится на реализации проект фабрики ультрахолодных нейтронов в Швейцарии (Paul Scherrer Institute). Проведены расчёты по определению оптимального расположения источника относительно протонной мишени. Определён размер замедлителя и выбран материал протонной мишени. Выполнены расчёты температуры твёрдого дейтерия, определены возможные параметры импульса: сила тока, длительность импульса, цикличность.

ЗАКЛЮЧЕНИЕ

1. Для изучения возможностей и эффективности криогенного нейтронного источника нового поколения с высокой плотностью УХН в Петербургском институте ядерной физики Российской академии наук на реакторе ВВР-М впервые была реализована модель источник ультрахолодных нейтронов с использованием твёрдого дейтерия.

Источник объемом 6 литров содержит 1 кг твердого дейтерия и находится в нейтронном потоке 11012 нсм-2с-1. Удельные радиационные тепловыделения в дейтерии составляют 15 Вткг. Производство УХН происходит в камере с твёрдым дейтерием, а их транспортировка осуществляется с помощью нейтроноводной системы. Камера источника размещается в контейнере, который служит вакуумным чехлом и одновременно силовым кожухом для локализации взрыва стехиометрической смеси дейтерия с воздухом в случае максимально возможной проектной аварии.

2. Впервые была экспериментально исследована эффективность использования твёрдого дейтерия для создания источника ультрахолодных нейтронов. Для источника с твёрдым дейтерием фактор выигрыша составил 1230 раз. Фактор выигрыша определялся как отношение выхода УХН из источника с холодным замедлителем к выходу УХН из источника, заполненного газообразным замедлителем при температуре 300 К.

3. Измерены нейтронные спектры для жидкой фазы дейтерия в источнике при температуре 19-20 К и для твердой фазы при температуре меньше 10 К.

4. Экспериментально показано, что фактор выигрыша относительно жидкой фазы увеличивается в 3 раза при переходе дейтерия в твердую фазу и достигает 10 раз при температуре 10 К. Исследован эффект увеличения выхода из дейтериевого источника нейтронов разных длин волн.

5. Экспериментально исследовано прохождение нейтронов через твёрдый дейтерий и впервые была отмечена зависимость выхода нейтронов от структуры образца твёрдого дейтерия.

6. Измерено поперечное сечение для нескольких различных орто-пара составов дейтерия. Зависимость поперечного сечения от орто-пара состава дейтерия заметно проявляется для больших длин волн. Например, для нейтронов с длиной волны около 150 полное поперечное сечение при взаимодействии с нормальным дейтерием (66% орто фазы) приблизительно в 1,5 раза больше чем для дейтерия орто- дейтерия (93% орто фазы).

7. Проведены экспериментальные исследования эффективности водород-дейтериевых смесей для источников холодных нейтронов. Впервые экспериментально показано, что для источников холодных нейтронов объемом 3-5 литров водород-дейтериевые смеси являются более оптимальными, чем чистый дейтерий и чистый водород.

8. Разработана и апробирована концепция безопасности при использовании криогенного водородного нейтронного источника на реакторе, что позволило создавать и безопасно эксплуатировать подобные источники на протяжении ряда лет.

9. Предложено использование твердого дейтерия для производства ультрахолодных нейтронов на импульсных ускорителях. Идея состоит в том, чтобы использовать высокую импульсную нейтронную плотность импульсного источника и затем удерживать УХН в большом объеме ловушки в течение длительного времени до следующего нейтронного импульса. Плотность УХН в ловушке источника будет составлять 3103 н/см3. Такая плотность будет на 2-3 порядка величины больше, чем на современных источниках УХН.

10. Разработана концепция импульсного источника с использованием твёрдого дейтерия для производства УХН в PSI, Швейцария.

11. Получен патент на изобретение № 2144709. Зарегистрирован 20.01.2000г. Авторы: Захаров А.А., Митюхляев В.А., Серебров А.П.. Способ получения ультрахолодных нейтронов.

СПИСОК ПУБЛИКАЦИЙ ПО ТЕМЕ ДИССЕРТАЦИИ

1. T. Grosz, L.Rosta, V. Mityoukhlaev, A.Serebrov, A.Zakharov. “Cryogenic system of the liquid hydrogen cold neutron source at the Budapest research reactor”. Proceedings of the Fourth International Conference Cryogenics 96, 1996. - P. 65-68.

2. A.P.Serebrov, E.A.Kolomenski, M.S.Lasakov, V.A.Mityukhlyaev, A.N.Pirozkov, I.A.Potapov, V.E.Varlamov, A.V.Vasiliev, A.R.Young, A.A.Zakharov. “Experimental studies of very cold neutrons passing through solid deuterium”. Preprint PNPI- 2415, 2001. - P.15.

3. I.S. Altarev, V.A. Mityukhljaiev, A.P. Serebrov, A.A. Zakharov, “Cold and ultracold neutron sources in Gatchina, Russia”. Journal of Neutron Research , Vol. 1, No. 4, 1993. - P. 71-77.

4. Altarev I.S. et.al., “A liquid hydrogen source of ultra-cold neutrons”. Physics Letters A, Volume 80, Issues 5-6, December 1980. - P. 413-416.

5. T.Grosz, V.A. Mityukhljaiev, L.Rosta, A.P. Serebrov, A.A. Zakharov, “Liquid hydrogen cold moderator optimization at the Budapest Research Reactor”. Physica B, Volumes 234-236, June 1997. - P. 1194-1195.

6. T. Grуsz, T. Hargitai, V. A. Mityukhlyaev, L. Rosta, A. P. Serebrov, A. A. Zaharov, “Thermo-hydraulic test of the moderator cell of LH2 cold neutron source at BNC”, Physica B, Volumes 276-278, March 2000. - P. 214-215.

7. И.С. Алтарев, Б.Г. Ерозолимский, А.А. Захаров, С.Г Кирсанов, И.А. Кузнецов, В.А. Митюхляев, А.П. Серебров. “Универсальный жидководородный источник поляризованнных холодных и ультрахолодных нейтронов на реакторе ВВР-М ЛИЯФ” Письма в ЖЭТФ, том 44, вып. 6, 1986. - C. 269-272.

8. И.С. Алтарев, Б.Г. Ерозолимский, А.А. Захаров, С.Г Кирсанов, И.А. Кузнецов, В.А. Митюхляев, А.П. Серебров. “Универсальный нейтронный источник с контуром естественной циркуляции жидкого водорода реактора ВВР-М”, Препринт ЛИЯФ № 1406, 1988. - 15 с.

9. A.P.Serebrov, V.A. Mityukhlyaev, A.A. Zakharov, V.V. Nesvizhevsky, A.G.Kharitonov. “Is it possible to produce next generation of UCN sources with a density 103-104 cm-3?” JETP Letters vol.59, issue 11, 1994.- P. 757-762.

10. A.P. Serebrov, V.A. Mityukhlyaev, A.A. Zakharov et.al. “Studies of solid deuterium source of ultracold neutrons and hydrogen-deuterium mixtures for cold neutron sources”, Preprint PNPI № 2200, 1997. - P. 25.

11. A.P. Serebrov, V.A. Mityukhlyaev, A.A. Zakharov, et. al. “Spallation USN source (UCN-factory)”. Preprint PNPI № 2206, 1997.- P.18.

12. A.P. Serebrov, V.A.Mityukhlyaev, A.A.Zakharov et. al. “Experimental study of a solid-deuterium source of ultracold neutrons”.JETF Lett. Vol 62, No. 10, 1995. - P. 785 - 790.

13. Серебров А.П., Митюхляев В.А., Захаров А.А. и др., “Твердодейтериевый источник ультрахолодных нейтронов на импульсном спалейшен-источнике”. Письма в ЖЭТФ, т. 66, №12 ,1997. - С.765 - 770.

14. A.P. Serebrov, V.A.Mityukhlyaev, A.A.Zakharov et. al.. “Solid deuterium and UCN factory: application to the neutron electric dipole moment measurement”, Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A 440, 2000. - P 658-665.

Размещено на Allbest.ru