Изучение нейтрон-ядерных взаимодействий на времяпролетном нейтронном спектрометре

Нейтронный времяпролетный спектрометр ИЯИ РАН

Среди интенсивных импульсных нейтронных источников наиболее перспективными в настоящее время являются сильноточные протонные ускорители на энергию 0.3-1.5 ГэВ, т.к. они дают:
1. Наибольшие потоки нейтронов при наименьшем энерговыделении на один рожденный нейтрон (в 3-5 раз меньше деления и в 30-50 меньше фотоядерных реакций)
2. Широкий спектр нейтронов
3. Регулируемый в широких пределах интервал длительностей нейтронных импульсов
4. Относительно низкий фон гамма-излучения из мишени.

Линейный ускоритель протонов является базовой установкой нейтронного комплекса ММФ ИЯИ РАН. В настоящее время он имеет следующие параметры:
Энергия протонов до 423 МэВ.
Импульсный протонный ток до 16 мА.
Частота протонных импульсов 1 - 50 Гц.
Длительность протонных импульсов 0.25-200 мкс.

В экспериментальном зале расположена сквозная ловушка протонного пучка РАДЭКС (РАДиационные ЭКСперименты), которая сегодня модифицирована в нейтронный источник для исследований методом времени пролета. Нейтронный времяпролетный спектрометр состоит из следующих основных частей:
1. Вольфрамовая мишень, оптимизированная для поглощения протонного пучка с энергией до 423 МэВ при среднем токе до 150 мкА
2. Водяной замедлитель для формирования нейтронного спектра в области тепловых и резонансных нейтронов
3. Вакуумные времяпролетные каналы
4. Ловушки нейтронных пучков
5. Биологическая защита нейтронного источника и экспериментальных зон
6. Детектирующая аппаратура, системы контроля и управления экспериментом
7. Центр сбора, накопления и обработки экспериментальной информации.

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 (зона №3). 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. В стандартном режиме максимальный интегральный поток нейтронов из мишени достигает 1.2*10¹⁵ n/с*4π. Расчет показывает, что на поверхности замедлителя плотность потока нейтронов составляет 2*10¹¹ н/с*см² в области энергий от тепловой до 423 МэВ. Эти расчетные данные были подтверждены экспериментально в измерениях плотности нейтронного потока на поверхности W-мишени с использованием метода активационного анализа облученных стандартных образцов, которые помещались в вертикальный канал нейтронного источника. Измеренная плотность нейтронного потока равна (2.5 ± 1.7}*10⁹ н/см²*с , что соответствует интегральной интенсивности испарительных нейтронов в мишени (7.5 ± 5.5)*10¹² n/с для среднего протонного тока 0.6 мкА. Величина ошибки определяется точностью данных по радиоактивному распаду облученных образцов.

 
Энергетическая зависимость плотности потока нейтронов на поверхности замедлителя измерялась с помощью нейтронных счетчиков СНМ-18 и двумя гамма-детекторами на основе NaJ(Tl) с мишенью из аморфного В-10, расположенными вне нейтронного пучка, также при среднем токе протонов 0.6 мкА. Результаты представлены на рис.З. В области медленных нейтронов спектрометр не уступает по своим параметрам современным импульсным нейтронным спектрометрам, а в резонансной области энергий, где нужно высокое энергетическое разрешение, он имеет среднее энергетическое разрешение.

 
При повышении энергии и тока протонного пучка до проектных существенно улучшатся параметры нейтронного спектрометра, а ввод в строй накопителя поставит его в число лучших импульсных нейтронных источников мира.

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.