29 марта 2021 года Объединенным институтом ядерных исследований был получен патент на механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой. Ниже авторы изобретения сотрудники Лаборатории нейтронной физики ОИЯИ Виктор Боднарчук и Валентин Садилов подробнее рассказывают о принципах работы данного механизма.

На фото Виктор Боднарчук и Валентин Садилов

Определяющим фактором качества получаемых экспериментальных данных является отношение сигнал-шум. Поэтому в любом эксперименте вопрос подавления посторонних шумов или фона является принципиальным. В экспериментах по нейтронному рассеянию, где источником нейтронов служит реактор, одним из главных инструментов подавления фона является механический прерыватель пучка. Его основная задача состоит в открытии канала распространения пучка нейтронов на строго определенное время, которое позволит пропустить нейтроны требуемого спектрального диапазона, и излученных в определенном временном интервале. Канал пучка для всех остальных нейтронов должен перекрываться поглощающим материалом прерывателя. Такой способ формирования пучка нейтронов используется на установках на импульсном реакторе ИБР-2. Как правило, это вращающийся вокруг своей оси полнотелый цилиндр из поглощающего нейтроны материала с вырезанным каналом или поглощающий нейтроны диск с вырезанным сектором (Рис. 1).

Рисунок 1. Механические прерыватели пучка, широко применяющиеся на нейтронных спектрометрах. а) прерыватель барабанного типа; б) дисковый прерыватель

Фаза вращения прерывателя строго коррелирована с импульсами реактора, и, таким образом, характеристики пучка нейтронов остаются постоянными для всех импульсов реактора. Спектр нейтронного излучения от замедлителя реактора в каждый момент времени охватывает весь диапазон энергий, согласно распределению Максвелла. Интенсивность излучения зависит от значения мощности реактора, которая в случае реактора ИБР-2 не опускается до нуля даже между импульсами мощности. На импульсных источниках нейтронов наиболее удобной методикой проведения измерений является метод времени пролета, в котором скорость нейтронов определяется по времени пролета расстояния от источника до детектора с началом отсчета времени в момент импульса. Для определения скорости нейтронов с хорошим разрешением важно, чтобы в канал распространения пучка не попали нейтроны, излученные в моменты времени за пределами временной ширины импульса источника, иначе такие нейтроны будут смешиваться с нейтронами, излученными в период длительности импульса, и будут вносить искажения в определение величины скорости зарегистрированных нейтронов. Задача прерывателя как раз и состоит в поглощении нейтронов, родившихся вне импульса источника.

Принцип работы прерывателя легко проиллюстрировать с помощью временной диаграммы, на которой по оси абсцисс откладывается время, а на оси ординат – пролетная база (Рис. 2а). Окно прерывателя позволяет нейтронам из импульса с диапазоном скоростей от v_{pulse min} до v_{pulse max} и всем нейтронам излученным во временном интервале Δτ пройти, остальные же будут поглощены. Как видно из диаграммы, прерыватель типа, изображенного на рис. 1 открывает довольно широкое временное окно Δτ, в которое пролетают нейтроны вне импульса.

Рисунок 2. Времяпролетные диаграммы механических прерывателей пучка. а) диаграмма, демонстрирующая принцип работы дискового(барабанного) прерывателя. На расстоянии от источника расположен детектор, который накапливает количество нейтронов в узких временных каналах. Отдельный временной канал соответствует определенному диапазону скоростей Δv. Сплошные линии указывают на спектральный диапазон от самого импульса, пунктирные линии показывают весь спектральный диапазон нейтронов, который пропустит прерыватель. б) Диаграмма, демонстрирующая принцип работы изобретения. Никакие нейтроны, кроме тех, что были излучены в интервале времени Δτ не смогут попасть в детектор

Предложенное изобретение (Рис. 3) позволяет уменьшить временное окно видимости источника Δτ и тем самым убрать из пучка нейтроны, излученные вне импульса источника. Достигается это тем, что прерыватель имеет форму цилиндра и его окно представляет собой набор узких расходящихся каналов без прямой видимости, каждый из которых может пропустить строго определенный диапазон скоростей нейтронов лишь в требуемом диапазоне времени (Рис. 2б). Величина этого интервала и его положение на временной оси будет определяться конкретными характеристиками конструкции. Для реактора ИБР-2, очевидно таким интервалом должен быть выбран импульс реактора. Более того размеры каналов можно подобрать таким образом, что отношение Δv/v будет постоянным для всего спектрального интервала.

Рисунок 3. Механический фильтр нейтронного пучка с временной фокусировкой. Конфигурация каналов может быть подобрана таким образом, чтобы нейтроны, излученные в определенный интервал времени, могли проходить через каналы фильтра, остальные же поглощались

Кроме того, данное изобретение может быть применено на постоянных источниках нейтронов для организации времяпролетной методики измерений.