RU2772969C1

RU2772969C1 - Cold neutron storage

Info

Publication number: RU2772969C1
Application number: RU2021118973A
Authority: RU
Inventors: Юрий Васильевич Никитенко
Original assignee: Объединенный Институт Ядерных Исследований (Оияи)
Filing date: 2021-06-28
Publication date: 2022-05-30

Abstract

FIELD: neutron physics.

SUBSTANCE: invention relates to a cold neutron storage device. The accumulator of neutrons emitted by a pulsed source has two neutron moderators. The neutron-guide channel has a rectangular cross-section 4 and is surrounded by external lateral 5, upper 10 and lower 11 mirror-reflecting walls. The lock 7 is part of the lateral wall 5. The first room temperature moderator 2 is located near the neutron source 1. The second moderator 8 is located in the vacuum chamber 3 close to the lock 7, the surface facing the lock 7 has a concave cylindrical shape, repeating the shape of the outer lateral wall. The second moderator has a lower temperature than the first, for example, liquid nitrogen or liquid helium.

EFFECT: increase in the density of cold neutrons from a pulsed source in the storage.

1 cl, 3 dwg

Description

Настоящее изобретение относится к нейтронной физике, в частности, методам повышения плотности нейтронов в заданном объеме.The present invention relates to neutron physics, in particular, to methods for increasing the density of neutrons in a given volume.

Увеличение плотности нейтронов важно для повышения статистической точности при исследовании фундаментальных явлений, таких, например, как осцилляции нейтрон-антинейтрон и нейтрон-зеркальный нейтрон.An increase in the neutron density is important for increasing the statistical accuracy in the study of fundamental phenomena, such as, for example, neutron-antineutron and neutron-mirror neutron oscillations.

Известен способ накопления нейтронов в тороидальной магнитной ловушке (В.В. Владимирский, ЖЭТФ, 39, 1062, I960.). В ловушке для удержания нейтронов используется магнитное поле, что не позволяет его использовать при изучении таких явлений как преобразование нейтронов в антинейтрон или зеркальный нейтрон.A known method of accumulating neutrons in a toroidal magnetic trap (VV Vladimirsky, ZhETF, 39, 1062, I960.). The trap uses a magnetic field to confine neutrons, which does not allow it to be used in the study of such phenomena as the conversion of neutrons into an antineutron or a mirror neutron.

Известен магнитный накопитель нейтронов (И.М. Матора, авторское свидетельство 341091, заявлено 20. XI. 1970, опубликовано 05.VI. 1972, Бюллетень №18, G21k 3/00). Накопитель представляет собой кольцевую магнитную ловушку в виде свернутого в кольцо магнитного нейтроновода. В накопителе нейтроны удерживаются магнитным полем, величина которого возрастает у стенок.Known magnetic accumulator of neutrons (IM Matora, copyright certificate 341091, declared 20. XI. 1970, published 05. VI. 1972, Bulletin No. 18, G21k 3/00). The storage ring is an annular magnetic trap in the form of a magnetic neutron guide rolled into a ring. In the storage ring, neutrons are kept by a magnetic field, the magnitude of which increases near the walls.

Известно устройство (прототип) для накопления от импульсного источника ультрахолодных нейтронов (УХН) в ловушке с материальными стенками (А.В. Антонов, А.И. Исаков, М.В. Казарновский, В.Е. Солодилов, Письма в ЖЭТФ, том 10, стр. 380-385, 1969). Устройство содержит импульсный источник нейтронов, водородсодержащий замедлитель, механический быстродействующий затвор, ловушку УХН. В замедлителе быстрые нейтроны замедляются. Из поверхностного слоя замедлителя испускаются импульсно УХН. В момент импульса открывается затвор ловушки и УХН входят в ловушку. Между импульсами затвор закрыт, что препятствует выходу УХН из ловушки. В результате, УХН накапливаются в ловушке, то есть, плотность УХН с течением времени возрастает.A device (prototype) is known for accumulating ultracold neutrons (UCN) from a pulsed source in a trap with material walls (A.V. Antonov, A.I. Isakov, M.V. Kazarnovskii, V.E. Solodilov, JETP Letters, vol. 10, pp. 380-385, 1969). The device contains a pulsed neutron source, a hydrogen-containing moderator, a mechanical quick-acting shutter, and a UCN trap. In the moderator, fast neutrons are slowed down. UCN pulses are emitted from the surface layer of the moderator. At the moment of the pulse, the trap shutter opens and UCNs enter the trap. Between pulses, the shutter is closed, which prevents the UCN from leaving the trap. As a result, UCNs accumulate in the trap, that is, the UCN density increases with time.

Технической задачей является повышение плотности холодных нейтронов от импульсного источника в накопителе.The technical task is to increase the density of cold neutrons from a pulsed source in the storage ring.

Техническая результат достигается за счет того, что введен второй замедлитель нейтронов, нейтроноводный канал имеет прямоугольное сечение 4 и окружен внешней боковой 5, верхней 10 и нижней 11 зеркально отражающими стенками; затвор 7 является частью боковой стенки 5; первый замедлитель комнатной температуры 2 расположен вблизи источника нейтронов 1, второй замедлитель 8 расположен в вакуумной камере 3 вплотную к затвору 7, обращенная к затвору 7 поверхность имеет вогнутую цилиндрическую форму, повторяющую форму внешней боковой стенки. Второй замедлитель по сравнению с первым имеет более низкую температуру, например, жидкого азота или жидкого гелия.The technical result is achieved due to the fact that the second neutron moderator is introduced, the neutron guide channel has a rectangular cross section 4 and is surrounded by an outer side 5, top 10 and bottom 11 reflective walls; the shutter 7 is part of the side wall 5; the first room temperature moderator 2 is located near the neutron source 1, the second moderator 8 is located in the vacuum chamber 3 close to the shutter 7, the surface facing the shutter 7 has a concave cylindrical shape, repeating the shape of the outer side wall. The second moderator, compared to the first, has a lower temperature, for example, liquid nitrogen or liquid helium.

На рис. 1 показано сечение накопителя горизонтальной плоскостью:On fig. 1 shows the cross section of the drive in a horizontal plane:

1 - источник нейтронов1 - neutron source

2 - первый замедлитель2 - first moderator

3 - вакуумная камера3 - vacuum chamber

4 - нейтроноводный канал4 - neutron guide channel

5 - боковая материальная внешняя стенка нейтроноводного канала5 - side material outer wall of the neutron guide channel

6 - боковая внутренняя граница нейтроноводного канала в вакууме между заполняемым нейтронами объемом и областью без нейтронов6 - lateral inner boundary of the neutron guide channel in vacuum between the volume filled with neutrons and the region without neutrons

7 - затвор7 - shutter

8 - второй замедлитель8 - second moderator

9 - траектория нейтрона в нейтроноводном канале9 - neutron trajectory in the neutron guide channel

На рис. 2 показано сечения накопителя вертикальной плоскостью в зоне затвора и второго замедлителя:On fig. 2 shows the vertical plane section of the storage ring in the gate area and the second moderator:

3 - вакуумная камера3 - vacuum chamber

4 - нейтроноводный канал4 - neutron guide channel

7 - затвор7 - shutter

8 - второй замедлитель8 - second moderator

10 - верхняя материальная стенка нейтроноводного канала10 - upper material wall of the neutron guide channel

11 - нижняя материальная стенка нейтроноводного канала11 - lower material wall of the neutron guide channel

На рис. 3 показано сечение накопителя вертикальной плоскостью вне зоны затвора и второго замедлителя:On fig. 3 shows the cross section of the storage ring with a vertical plane outside the zone of the shutter and the second moderator:

3 - вакуумная камера3 - vacuum chamber

4 - нейтроноводный канал4 - neutron guide channel

Быстрые нейтроны, испускаемые импульсным источником попадают в замедлитель 2. В замедлителе нейтроны замедляются до тепловой энергии. Тепловые нейтроны из замедлителя 2 проникают в вакуумную камеру и попадают во второй замедлитель 8. Замедлитель 8 находится при более низкой температуре, чем замедлитель 2. В результате, в замедлителе 8 образуются уже холодные нейтроны. Холодные нейтроны через открытый в момент импульса затвор попадают в нейтроноводный канал 4. В нейтроноводном канале 4 нейтроны в промежутках времени между импульсами источника распространяются, отражаясь от боковой 5, верхней 10 и нижней 11 стенок. С внутренней стороны нейтроноводного канала материальная стенка не нужна. Здесь в вакууме существует воображаемая граница 6 (показана штрих - пунктирной линией на рисунках), до которой нейтроны доходят при отражении от внешней боковой стенки.Fast neutrons emitted by the pulsed source enter the moderator 2. In the moderator, the neutrons are slowed down to thermal energy. Thermal neutrons from moderator 2 penetrate into the vacuum chamber and enter the second moderator 8. Moderator 8 is at a lower temperature than moderator 2. As a result, already cold neutrons are formed in moderator 8. Cold neutrons through the gate open at the time of the pulse enter the neutron guide channel 4. In the neutron guide channel 4, neutrons propagate in the time intervals between source pulses, being reflected from the side 5, top 10 and bottom 11 walls. No material wall is needed on the inner side of the neutron guide channel. Here in vacuum there is an imaginary boundary 6 (shown by a dashed-dotted line in the figures), to which neutrons reach upon reflection from the outer side wall.

Существенными и отличительными признаками являются нейтроноводный канал прямоугольного сечения и три его окружающие зеркально отражающие нейтроны стенки. Это верхняя, нижняя и внешняя боковая стенки. В горизонтальной плоскости отражение нейтронов происходит только от одной внешней стенки. В вертикальной плоскости отражение происходит от верхней и нижней стенок.The essential and distinguishing features are the neutron guide channel of rectangular cross section and its three walls surrounding it specularly reflecting neutrons. These are the top, bottom and outer side walls. In the horizontal plane, neutrons are reflected only from one outer wall. In the vertical plane, reflection occurs from the top and bottom walls.

Существенным и отличительным признаком является затвор, который является частью боковой цилиндрической стенки. В момент прохождения импульса нейтронов от источника в нейтроноводный канал затвор открыт.Во время между импульсами нейтронов затвор закрыт и нейтроны не вытекают из нейтроноводного канала и накапливаются в нем с течением времени.An essential and distinctive feature is the shutter, which is part of the side cylindrical wall. At the moment of passage of a neutron pulse from the source to the neutron guide channel, the shutter is open. During the time between neutron pulses, the shutter is closed and neutrons do not flow out of the neutron guide channel and accumulate in it over time.

Существенными признаками является наличие двух замедлителей, установленных в разных местах и находящихся при разной температуре. Один замедлитель расположен вблизи источника нейтронов, что обеспечивает большой телесный угол его видимости из источника, а потому, большой поток нейтронов. Этот замедлитель довольно толстый, порядка 50 мм. Замедлитель находится при комнатной температуре. Нейтроны в нем замедляются до тепловой энергии 300 K. При этих энергиях нейтроны не ослабляются значительно при прохождении стенки вакуумной камеры и попадают во второй замедлитель. Второй замедлитель достаточно тонкий (1-3 мм) и находится при низкой температуре, например, жидкого азота или жидкого гелия. Этот замедлитель находится в вакууме вблизи затвора (вблизи боковой стенки). Обращенная к затвору поверхность замедлителя является, как и боковая стенка, цилиндрической, повторяющей форму внешней боковой стенки. Таким образом, источник холодных нейтронов - второй замедлитель, имеет форму отражающей стенки накопителя. В результате, поток с холодного источника эффективно (без потерь) преобразуется в поток отражаемых и накапливаемых нейтронов.The essential features are the presence of two moderators installed in different places and at different temperatures. One moderator is located near the neutron source, which provides a large solid angle of its visibility from the source, and therefore, a large neutron flux. This retarder is quite thick, about 50 mm. The moderator is at room temperature. Neutrons in it are slowed down to a thermal energy of 300 K. At these energies, neutrons are not significantly attenuated when passing through the wall of the vacuum chamber and enter the second moderator. The second moderator is quite thin (1-3 mm) and is located at a low temperature, for example, liquid nitrogen or liquid helium. This moderator is in vacuum near the gate (near the side wall). The surface of the moderator facing the shutter is, like the side wall, cylindrical, repeating the shape of the outer side wall. Thus, the source of cold neutrons - the second moderator, has the form of a reflective wall of the storage ring. As a result, the flux from the cold source is effectively (without losses) converted into a flux of reflected and accumulated neutrons.

Физическая сущность предложения прежде всего состоит в создании адекватных кольцевому накопителю цилиндрических источника холодных нейтронов, роль которого выполняет размещенный в вакууме вблизи боковой стенки второй замедлитель, и затвор, а также использовании двух замедлителей при различных температурах.The physical essence of the proposal primarily consists in the creation of a cylindrical source of cold neutrons adequate to the ring storage ring, the role of which is played by the second moderator placed in vacuum near the side wall, and the gate, as well as the use of two moderators at different temperatures.

Технический результат состоит в повышении плотности нейтронов до значения, определяемого соотношением для фактора выигрыша плотности ηThe technical result consists in increasing the neutron density to a value determined by the ratio for the density gain factor η

η=N/N₀=(T_s ^-1/[τ_d ^-1+(με₁+ε₂τ_shТ_s ^-1)τ_с ^-1],η=N/N ₀ =(T _s ^-1 /[τ _d ^-1 +(με ₁ +ε ₂ τ _sh T _s ^-1 )τ _s ^-1 ],

где N₀ - плотность нейтронов в накопителе от одного импульса, N - стационарная плотность в накопителе, T_s - период действия источника нейтронов, τ_d≈880 с - постоянная времени распада нейтрона, τ_sh - время открытого состояния затвора, τ_с - время пробега между столкновениями со стенками, μ - вероятность поглощения нейтрона в стенках, ε₁=(S_a-S_sh)/S_a, ε₂=S_sh/S_a, S_sh - площадь поверхности затвора, S_a - площадь поверхности трех стенок накопителя, включая затвор.where N ₀ is the density of neutrons in the storage ring from one pulse, N is the stationary density in the storage ring, T _s is the period of action of the neutron source, τ _d ≈880 s is the time constant of neutron decay, τ _sh is the shutter open time, τ _s is the time distance between collisions with walls, μ is the probability of neutron absorption in the walls, ε ₁ =(S _a -S _sh )/S _a , ε ₂ =S _sh /S _a , S _sh is the gate surface area, S _a is the surface area of three walls of the accumulator, including the gate.

Максимальное значение η, достигаемое при τ_d ^-1 >> (με₁+ε₂τ_shT_s ^-1) и при значении 1/T_s=10 Гц (проектируемый в Дубне новый источник ИБР-3), равно η_макс=8.8×10³. В реальном случае με₁>> ε₂τ_shT_s ^-1, ε₁≈0.999, τ_c=0.1 с и μ≈10^-5-10^-4 получим для фактора увеличения плотности значение в диапазоне (4.8-8.3)×10³.The maximum value of η achieved at τ _d ^-1 >> (με ₁ +ε ₂ τ _sh T _s ^-1 ) and at a value of 1/T _s =10 Hz (the new IBR-3 source being designed in Dubna) is equal to η _max = 8.8×10 ³ . In the real case με ₁ >> ε ₂ τ _sh T _s ^-1 , ε ₁ ≈0.999, τ _c =0.1 s and μ≈10 ^-5 -10 ^-4 we obtain for the density increase factor a value in the range (4.8-8.3)× 10 ³ .

Claims

A cold neutron accumulator from a pulsed source, including an annular neutron guide channel in a vacuum chamber, a shutter and a neutron moderator, characterized in that a second neutron moderator is introduced; the neutron guide channel has a rectangular cross section and is surrounded by external side, top and bottom reflective walls; the shutter is part of the side wall; the first room temperature moderator is located near the neutron source; the second moderator is located in the vacuum chamber close to the gate, its surface facing the gate has a concave cylindrical shape, repeating the shape of the outer side wall; the second moderator has a lower temperature than the first, for example, liquid nitrogen or liquid helium.