Ученые ЛНФ ОИЯИ в составе международной коллаборации, провели исследования по усиленному направленному извлечению очень холодных нейтронов (ОХН) при помощи отражателя из порошка алмазных наночастиц. Использование этого отражателя дает богатые перспективы в фундаментальной науке, поскольку позволяет на порядок повысить поток ОХН в исследовательских установках.

Около 15 лет назад в Институте Лауэ–Ланжевена совместно с ЛНФ впервые в мире создали и начали исследовать отражатели очень холодных нейтронов на основе ультрадисперсных алмазов (наноалмазного порошка). С тех пор в мире было проведено большое количество разноплановых исследований, посвященных отражателям.

Участники исследования — ученые Сектора исследований фундаментальных свойств нейтронов ЛНФ ОИЯИ с.н.с. Алексей Музычка (слева) и в.н.с. Александр Стрелков (справа)

В частности, коллаборация ученых, в которую вошли научные сотрудники ЛНФ ОИЯИ, Института химии Клермон-Феррана (Обьер, Франция), Института Лауэ–Ланжевена (Гренобль, Франция) и НИЦ «Курчатовский институт» (Москва, Россия) впервые измерили усиленное направленное извлечение ОХН из нейтронного источника при помощи отражателя из порошка алмазных наночастиц (Ф-УДА – фторированного ульрадисперсного алмаза). В ходе исследования было показано, что созданные ими наноалмазные кристаллы позволяют увеличить выход нейтронов в необходимом направлении, а соответственно и светосилу источников ОХН, в 10 раз и более.

Без отражателя процент извлечения нейтронов из источника составлял десятые доли процента. Отражатель позволил увеличить эту цифру на порядок: до нескольких процентов. Такой наночастичный отражатель работает для ОХН и ХН (холодных нейтронов), поскольку их длина волны сопоставима с размерами наночастицы.

Отражатель сконструировали и сделали ученые ОИЯИ, а измерения были проведены на пучке ОХН установки PF2 реактора ILL (Гренобль, Франция).

Отражатель имеет форму толстостенной цилиндрический трубы, закрытой с одного конца диском, с внутренним диаметром полости 3 см и высотой 30 см. Такой «стакан» имеет внутренние стенки и донышко из фольги магния толщиной 50 мкм, за которой находится слой порошка алмазных наночастиц. Фольга является необходимым компонентом для того, чтобы держать нанопорошок. Клей в данном случае использовать невозможно, поскольку любое связующее вещество содержит элементы, которые способны хорошо захватывать нейтроны. У магния же маленькое сечение захвата, и потери нейтронов на нем малы. При использовании алюминиевой фольги, к примеру, потери были бы больше.

Коллимированный пучок ОХН, пройдя через селектор скоростей и малое отверстие в боковой стенке трубы, падает на центр диска под углом 60◦ к оси трубы. Упруго отразившиеся от слоя наноалмазов в диске ОХН распространяются вдоль оси трубы, отражаясь от слоя наночастиц, который формирует ее боковую поверхность. В результате многократных отражений от стенок цилиндрической полости ОХН могут приобрести направление скорости вдоль ее оси и вылететь через открытый конец полости. Такие нейтроны регистрируются позиционно-чувствительным детектором, установленным перпендикулярно оси полости и перемещаемым на различные расстояния от выхода из полости. На торце трубы со стороны детектора установлена выходная диафрагма из кадмия, исключающая попадание ОХН в детектор мимо выходного отверстия полости (сквозь толщу порошка Ф-УДА). Весь отражатель установлен в вакуумируемый объем, откачиваемый до уровня 0,1 мбар и имеющий в месте входа и выхода нейтронов окна из тонкой (100 мкм) алюминиевой фольги. В эксперименте был использован селектор скоростей с винтовыми щелями. Селектор имеет разрешение по скоростям нейтронов около 20 %. Спектры скоростей нейтронов, пропускаемых селектором при различных частотах его вращения, были измерены методом времени пролета.

Рис. 1. Схема измерения. 1 — цилиндрическая труба из отражателя; 2 — отражатель в виде диска; 2 — положение диска при измерении потока нейтронов в падающем пучке; 3 — селектор скоростей в виде вращающегося барабана с винтовыми щелями; 4 — позиционно-чувствительный детектор (ПЧД) для измерения потока выходящих нейтронов; 4 — положение ПЧД при измерении потока нейтронов в падающем пучке; 4 — положение ПЧД при измерении углового распределения выходящих нейтронов; 5 — Cd-диафрагма; 6 — вакуумируемый объем

Для оценки результатов эксперимента ученые использовали термин «выигрыш», который показывает, во сколько раз увеличился поток нейтронов в необходимом направлении.

Количество вышедших в заданном направлении нейтронов в отсутствие отражателя было принято за единицу. Исследователи условно разделили нейтроны, вылетающие из источника ОХН, на направленные вдоль или очень близко к оси отражателя и на вылетающие под достаточно большими углами. Для первых фактор выигрыша составил от девяти до десяти раз, для вторых же – порядка нескольких десятков (до 33), в зависимости от скорости нейтронов.

«По отношению к потоку от изотропного источника, расположенного у дна полости отражателя, выигрыш в плотности потока ОХН вдоль оси пучка равен примерно 10 для 57 и 75 м/с. Выигрыш в полном потоке на выходе из полости отражателя равен 14 для самых быстрых ОХН из диапазона скоростей 46–92 м/с и увеличивается с уменьшением скорости ОХН, достигая 33 для самых медленных ОХН», — рассказал соавтор работы, старший научный сотрудник сектора исследований фундаментальных свойств нейтронов ЛНФ ОИЯИ Алексей Юрьевич Музычка.

Рис. 2. Зависимость плотности потока ОХН P, регистрируемых ПЧД, расположенным на расстоянии 42 см от выходной диафрагмы, от расстояния до оси цилиндрической полости R (левая ось). Круглые точки соответствуют скорости нейтронов ∼ 57 м/с, квадратные — ∼ 75 м/с. Правая ось — фактор выигрыша g в плотности потока по отношению к плотности потока от однородного изотропного источника, расположенного на дне полости. На вставке — карта интенсивности счета ПЧД по пикселям в измерениях со скоростью ∼ 75 м/с

Преимущество можно почувствовать и в финансовом отношении. «У вас есть реактор – источник нейтронов. А если вы поставили такой отражатель, у вас как будто появилось десять реакторов одновременно», — пояснил ученый.

Использование отражателя в источниках ОХН существенно увеличивает поток ОХН в экспериментальных установках, что позволяет расширить применение ОХН как в фундаментальных исследованиях (поиск электрического дипольного момента нейтрона, осцилляций нейтрон–антинейтрон, новых типов взаимодействий, измерение времени жизни нейтрона), так и в нейтронном рассеянии (спин-эхо, рефлектометрия, томография). Использование же в прикладных исследованиях в ближайшем будущем не представляется возможным: для этого интенсивность существующих источников должна быть увеличена десятки, а то и в сотни раз.

В ЛНФ ведутся дальнейшие исследования по созданию еще более совершенных отражателей ОХН и ХН из алмазного нанопорошка. Наноалмазы, сделанные для эксперимента, оказались не самыми эффективными. «Этот порошок был приготовлен обычным способом, во время взрыва в специальных детонационных камерах. В результате получаются очень крепко слипшиеся между собой агломераты, которые не позволяют сделать порошок достаточно плотным. А чем более плотный порошок, тем меньше пути должен пройти нейтрон внутри порошка для того, чтобы отразиться. А для небольших радиусов, которые здесь рассмотрены, это очень важная характеристика», — рассказал Алексей Музычка.

Он добавил, что группой ученых были сделаны и последующие работы, в которых было показано, что можно сделать и существенно более эффективные отражатели. При этом для каждой скорости нейтронов можно подобрать наиболее эффективный размер нанокристаллов. Чем меньше длина волны (и, соответственно, больше скорость нейтрона, т.к. длина волны обратно пропорциональна скорости нейтрона), тем меньшие нужны частицы.

«С тех пор был сделан ряд важных шагов. Так, мы увидели, что главный фактор, который сдерживает отражательную способность, — это наличие водорода на поверхности нанопорошка. Мы научились обрабатывать порошок соответствующим образом, заменяя водород на фтор, который не является опасным с точки зрения потерь нейтронов элементом, и таким образом увеличили альбедо – вероятность отражения нейтронов. После этого мы сделали порошок более мелким, научились деагломерировать его. Исследовали элементный состав порошка: помимо водорода, там присутствует еще много других элементов, которые мешают, — и научились частично с ними бороться. К идеальному состоянию наноалмазный порошок мы пока не привели, но движемся в этом направлении», — сказал эксперт.

Также в ЛНФ была разработана программа, которая может рассчитывать транспорт ОХН в порошке. В дальнейшем группа ученых планирует продолжить эксперименты с отражателями на ИБР-2 и создаваемом в ОИЯИ источнике нейтронов четвертого поколения реакторе НЕПТУН.

Подробнее читайте в препринте ОИЯИ http://www1.jinr.ru/Preprints/2022/13(P3-2022-13).pdf