CC BY
14
УДК 539.27
МНОГОФУНКЦИОНАЛЬНЫЙ НЕЙТРОННЫЙ СПЕКТРОМЕТР НА ИМПУЛЬСНОМ ИСТОЧНИКЕ
ИН-06 ИЯИ РАН
С. П. Кузнецов1, И. В. Мешков1, Р. А. Садыков2, В. С. Литвин2, Ю. А. Лапушкин1, А. А. Алексеев2, Э. А. Коптелов2
Проведены испытания элементов многофункционального нейтронного спектрометра, предназначенного для, одновременного определения, параметров атомной и на,-датомной структуры и динамических параметров вещества, находящегося, в конденсированном, состоянии. Измерен спектр нейтронов детектором, прямого пучка, размещенным в положении образца на 20-метровой пролетной базе образец-источник. Получены дифрактограм-мы, пороги,ка промышленных алмазов в широк,ом, диапазоне передаиных импульсов. Определены разрешение ди-фра,ктометра обратного рассеяния, и разрешение дифрак-тометра, высокой интенсивности.
Ключевые слова: нейтронный спектрометр, нейтронное рассеяние, дифрактометрия. конденсированное состояние вещества.
Введение. Многофункциональный нейтронный спектрометр (МНС), создаваемый совместно Физическим институтом им. П. Н. Лебедева и Институтом ядерных исследований Российской академии наук предназначен для одновременного определения параметров атомной и надатомной структуры, фононньтх спектров и других термодинамических параметров вещества, находящегося в конденсированном состоянии [1].
Такого рода исследования особенно важны вблизи точек фазовых переходов, в процессе синтеза или роста кристаллов, при изучении морфологии, структуры и динамики биологических объектов, жидких кристаллов и мицеллярньтх растворов, при поиске взаимосвязи структуры новых материалов с их макросвойствами. В МНС используется
1 ФИАН, Россия, 119991 Москва, Ленинский пр-т, 53; e-mail: ckuz@sci.lebedev.ru.
2 ИЯИ РАН, Россия, 117312 Москва, Проспект 60-летия Октября, 7а.
Рис. 1: Нейтронный источник ИН-06.1, 2 - нейтронные мишени, 3 - шибер, 4 - ней-троновод, 5 - защита, 6 - вспомогательный колодец, 7 - пучки протонов. Замедлитель не показан.
высокая проникающая способность нейтронного излучения и времяпролетная методика определения энергии и длины волны рассеянных нейтронов.
МНС состоит из блоков дифрактометрии высокого разрешения, высокой интенсивности, малоуглового рассеяния, а также из блоков спектрометрии неупругого и квазиупругого рассеяния высокого разрешения и высокой интенсивности.
Таким образом, МНС сочетает в себе возможности нейтронного дифрактометра, спектрометров неупругого, квазиупругого и малоуглового рассеяния нейтронов, работающих одновременно в режиме реального времени. Перечисленные возможности МНС могут быть реализованы только при использовании источников нейтронов нового поколения, одним из которых является интенсивный импульсный нейтронный источник ИН-6 на базе линейного ускорителя протонов ИЯИ РАН.
Основные элементы спектрометра. В качестве источника нейтронов используется светящаяся поверхность замедлителя, расположенного над нейтронной мишенью ИН-06 [2, 3]. По проекту ИН-06 состоит из двух независимых источников нейтронов, распо-
Рис. 2: Блок-схема МНС. I - вакуумируемый нейтроновод, 2 - блок сменных коллиматоров, 3 - дифрактометр обратного рассеяния, 4 - стол образца, 5 - дифрактометр высокой интенсивности, 6 - спектрометр квазиупругого и неупругого рассеяния высокой интенсивности, 7 - спектрометр квазиупругого и неупругого рассеяния высокого разрешения, 8 - дифрактометр малоуглового рассеяния, 9 - ловушка прямого пучка.
ложенных каждый в своем боксе в общей биологической защите, и способных работать одновременно (рис. 1). Различие определяется длительностью импульса протонов, направленных на нейтронобразующую мишень. В первом боксе располагается вольфрамовая мишень с водяным замедлителем, на которую подается пучок протонов с параметрами, определяемыми ускорителем. Наличие вспомогательных колодцев позволяет размещать на пучке нейтронов дополнительное оборудование, например, прерыватель потока нейтронов для уменьшения длительности нейтронного импульса и фона, что может быть использовано для увеличения чувствительности блоков неупругого рассеяния. Проектом предусмотрен накопитель-группирователь протонов [4], который позволит генерировать импульсы протонов длительностью 0.25 мкс со средней интенсивностью в телесном угле 4п ^ 1015 нейтр/с, что существенно расширит возможности источника для ведения фундаментальных исследований в области физики конденсированного вещества, ядерной физики, биологии, химии и т.д.
На рис. 2 представлена проектная блок-схема МНС. Основными элементами спектрометра являются:
Вакуумируемьтй нейтроновод. предназначенный для уменьшения поглощения и увеличения доли тепловых и холодных нейтронов в спектре.
Блок сменных коллиматоров, предназначенный для формирования апертуры и размеров падающего на образец пучка нейтронов в зависимости от размеров образца и в соответствии с требуемым разрешением.
Блок образца, предназначенный для установки и юстировки образцов. контеине-ров. эталонов, криостатов и других технологических объемов относительно оси пучка нейтронов.
Блок дифрактометра обратного рассеяния, предназначенный для порошковой ди-фрактометрии. содержит пакет Не-3 детекторов (СНМ18), сфокусированных по времени пролета и расположенных в геометрии отражения назад внутри вакуумируемой камеры.
Количество детекторов в пакете 13.
Разрешение 0.3 0.5%.
Диапазон углов рассеяния - 150-165°.
Диапазон определяемых размеров 0.05 0.5 нм.
Блок дифрактометра высокой интенсивности состоит из двух каналов, в каждом
из которых на расстоянии 35 см от образца располагаются нейтронные Не-3 детекторы
°°
соответственно. Стенки каналов изготовлены из
борированного полиэтилена.
Блок квазиупругого и неупругого рассеяния высокой интенсивности состоит из фокусирующего монохроматора из пирографита. бериллиевого фильтра и Не-3 детектора, размещенных в вакуумируемой камере, и предназначен для определения динамических параметров вещества, таких как коэффициент самодиффузии, спектр молекулярных колебаний, фононньтй спектр и т.д.
Площадь отражающей поверхности зеркала-монохроматора - 40 х 20 см2.
Чувствительность по переданной энергии 0.1 мэВ.
°
Диапазон переданных энергий 0 300 мэВ.
Блок квазиупругого рассеяния высокого разрешения состоит из кристаллов анализаторов (монокристаллы пирографита. кремния, цинка), бериллиевого фильтра, детекторов и коллиматоров, расположенных в геометрии отражения назад и разме-
щенньтх в вакуумируемой камере, предназначен для определения динамических параметров вещества.
Число независимых каналов 3.
Разрешение 1 %.
Угол рассеяния - 15, 25, 35°.
Диапазон переданных энергий 0 300 мэВ.
Блок малоуглового рассеяния состоит из 2-координатного позиционно-чувствительного детектора с изменяемым расстоянием образец-детектор и детектора прямого пучка, которые размещены в вакуумируемой камере. Блок предназначен для определения параметров надатомной и надмолекулярной структуры вещества.
Площадь рабочей поверхности детектора - 40 х 80 см2.
Диапазон определяемых размеров 1 100 нм.
Расстояние образец-детектор 5 10 м.
°
Проектные параметры блоков МНС не являются рекордными, что, конечно, ограничивает круг задач, решение которых возможно на спектрометре, однако, как отмечалось ВЫШ6, ГЛ9|ВНЙ|Я особенность МНС заключается в сочетании возможностей нескольких установок на одном пучке нейтронов. Предлагаемая схбМсЦ н<1 ншн взгляд^ является сбалансированной с точки зрения светосилы, разрешения и фоновых условий.
Первая пролетная база источник-образец Ь1 для всех элементов МНС выбирается, исходя из требуемого разрешения и светосилы блоков спектрометра, с учетом оптимального соотношения пролетных баз источник-образец Ь\ и образец-детектор Ь2 в дифрактометре малоуглового рассеяния и конкретной геометрии физического зала нейтронного источника.
Разрешение по переданному импульсу и энергии определяется шириной нейтронной вспышки5 пролетными базами Ь\ ж Ь2 и другими параметрами конкретных блоков.
Во всех блоках используется сканирование по времени пролета Ь при фиксированном угле рассеяния а При этом величина вектора рассеяния Q может быть выражена через полную длину пролета Ь = Ь\ + Ь2, время пролета и синус угла рассеяния:
Здесь А - длина волны нейтрона. Если предположить, что переменные и а независимы, полное разрешение дифрактометра (AQ/Q) можно выразить через временную
(1)
Рис. 3: Спектр нейтронов, нормированный на максимум, измеренный детектором прямого пучка, расположенным на месте образца на 20 м пролетной базе образец-источник.
неопределенность At и неопределенности рас стояния AL и угл а Аа:
AQ Q
At V
AL
Т) + I ~Т ' + (Аа -ctga}2
1/2
(2)
Из формулы (2) видно, что лучшее разрешение достигается при углах рассеяния, близких к 180°. В блоке дифрактометра обратного рассеяния для увеличения интенсивности рассеянных нейтронов применяется временная фокусировка нейтронных детекторов. При этом расположение детекторов выбирается так, чтобы время пролета было одинаково для рассеянных нейтронов с одинаковым переданным импульсом вне зависимости от начального импульса нейтрона и угла рассеяния. Расстояние от образца до детектора зависит от угла рассеяния и определяется по формуле [5]:
L2 (а} = Li х
1 + L2 (п }/Li sin(a/2)
- 1
(3)
В дифрактометре высокой интенсивности детекторы располагаются под углами, близкими к 90°, и на малых расстояниях образец-детектор (в нашем случае Ь2 = 35 см).
2
300
5.0-103 1.0-104 1.5-104 2.0-104
/, МКС
Рис. 4: Дифрактограмма порошка промышленных алмазов, полученная на времяпро-летном дифрактометре обратного рассеяния (частота протонного пучка 25 Гц).
Результаты испытаний. В настоящее время введены в эксплуатацию вакуумируе-мый нейтроновод, блоки дифрактометра обратного рассеяния и дифрактометра высокой интенсивности. Испытания производились при следующих параметрах источника нейтронов: частота протонных импульсов 1-50 Гц, ширина 90 мкс, энергия протонов 209 МэВ.
Измерен спектр падающих на образец нейтронов (рис.3). Измерения производились детектором прямого пучка, размещенным в положении образца на 20-метровой пролетной базе. Спектр характеризуется ярко выраженным пиком тепловых нейтронов, максимум которого приходится на длину волны ~ 1.3 Ангстрема.
Получены дифрактограммы порошкового образца промышленных алмазов (рис. 4, 5), параметры кристаллической решетки которого хорошо известны, а размеры монокристаллических зерен в образце позволяют использовать его в качестве эталонного при определении инструментального разрешения. В результате проведенных измерений разрешение дифрактометра обратного рассеяния составило 0.5%, а дифрактометра высокой интенсивности ~3%, соответственно, что находится в хорошем согласии с расчетными значениями. Из полученной дифрактограммы может быть определена ширина импульса тепловых нейтронов, которая определяется шириной
300
5.0-103 1.0-104 1.5-104
^ МКС
Рис. 5: Дифрактограмма порошка промышленных алмазов, полученная на дифракто-метре высокой интенсивности (частота протонного пучка 25 Гц).
протонного импульса, временем замедления нейтронов и временем диффузии нейтронов в замедлителе. Из ширины брегговских пиков на полученной дифрактограмме была оценена длительность импульса тепловых нейтронов - 130 мкс при протонном импульсе 90 мкс. Следовательно, при данной конструкции замедлителя минимальная ширина импульса тепловых нейтронов составляет 90 мкс.
Заключение. Проведенные эксперименты показали работоспособность испытанных блоков МНС. Дальнейший прогресс в реализации данного проекта связан с достижением проектных параметров протонного ускорителя и с созданием и испытанием блоков неупругого рассеяния и малоуглового дифрактометра.
Работа была поддержана Минобрнауки, Госконтракт № 16.518.11.7021.
В заключение авторы считают своим приятным долгом выразить благодарность Михаилу Ивановичу Грачеву и Владимиру Александровичу Федченко и всем сотрудникам Отдела экспериментального комплекса за успешный запуск ИН-06 и создание полноценной инфраструктуры источника.
ЛИТЕРАТУРА
[1] А. И. Исаков. С. П. Кузнецов. А. Д. Перекрестенко и др.. Препринт ФИАН №18, (ФИАН, Москва, 1994).
[2] В. С. Литвин и др.. Поверхность Л"2 11. 3 (2010).
[3] А. С. Жуков, Н. М. Соболевский, А. Д. Перекрестенко, Препринт ИЯИ РАН № 1140/2005, 18 (2005).
[4] К). В. Рябов и др., ФТТ 52(5), 957 (2010).
[5] К. Уиндзор, Рассеяние нейтронов от импульсных источников (М., Энергоатом-издат, 1985).
Поступила в редакцию 16 октября 2012 г.
