Приборы и техника эксперимента, 2021, № 1, стр. 34-39

КОНСТРУКЦИЯ И РАБОТА ЗАМЕДЛЯЮЩЕ-ФОКУСИРУЮЩЕЙ СТРУКТУРЫ

Рассмотрим многократные отражения пристеночного потока тепловых нейтронов на профилированном зеркале с переменной, уменьшающейся кривизной вдоль его движения. Сепарация нейтронов в криволинейных каналах селекции показана на рис. 1.

Результатом многократного отражения пристеночных нейтронов на поверхности пластин, радиус кривизны R которых гладко растет до каждого последующего отражения луча, является то, что при этом идет пристеночная концентрация (сжатие) пучка.

Эффект реализуется для траекторий, которые начинаются в любой точке поверхности при формировании цепочки отражений луча нейтрона. Таким образом, вся поверхность профилированного подобным образом канала ведет себя как непрерывная поверхность стоков в фазовом (угловом) пространстве диффузного поля нейтронов. Такая совокупность стоков на поверхности интегрирует захваченные нейтроны диффузного поля и выводит их в выделенном кривизной поверхности направлении, при этом концентрируя и увеличивая их фазовую плотность. Селективный захват нейтронов идет вдоль всей ее профилированной поверхности, а вывод идет на узкой, h_s ≈ 5 мкм, полосе у торца (при хорошо полированной поверхности). Поэтому плотность потока вдоль этой полоски может быть большой.

Если угол поверхностного отражения нейтронов поверхностью равен φ_s, радиус кривизны поверхности – R, путь нейтронов между отражениями L_s ≈ 2Rsin(φ_s) ≈ 5 мм, а расстояние траектории от поверхности канала будет h_s ≈ R (1 – cos(φ_s)), то коэффициент эффективности захвата нейтронов в ходе селекции:

где $y_{x}^{'}$ – производная изменения координаты точки на поверхности пластины по x; $R_{x}^{'}$ – производная радиуса кривизны R этой поверхности по x в этой точке.

Эффективность селекции K_sel на поверхности элемента вдоль его длины показана на рис. 2.

Для реализации выбирается такая геометрия поверхности селектирующего элемента, чтобы на большей части его поверхности величина K_sel  была максимальна. Например, у элемента с профилем эллипса: $\frac{{{{x}^{2}}}}{{{{a}^{2}}}} + \frac{{{{y}^{2}}}}{{{{b}^{2}}}} = 1,$ где а = 150 мм, b = 15 мм, максимальная эффективность селекции нейтронов K_sel = 15 и лежит на участке длины от 5 до 100 мм. Для селекции тепловых нейтронов всем объемом структуры необходимо, чтобы

где σ_s и σ_a – сечения рассеяния и поглощения нейтронов; N_s – число последовательных рассеяний теплового нейтрона на ядрах вещества до поглощения; ω – угол расходимости селектированного потока вдоль плоскости селекции.

Но при этом тепловой нейтрон в веществе живет достаточно долго, постоянно перерассеиваясь на его ядрах. Число последовательных рассеяний нейтрона на ядрах вещества замедлителя определяется отношением сечения рассеяния нейтрона на ядре к сечению его поглощения этим ядром, например, для графита эта величина составляет: N_s = 1.3 · 10³ раз.

Для пакета пластин из графита [4]:

Размеры з.ф.с. должны быть больше длины диффузии нейтронов в ней.

В пределе тепловой нейтрон может быть отселектирован структурой в выделенном направлении и пройти через фокусную ее область за время жизни до 1.3 · 10³/300 ≈ 4 раз.

Или можно сказать, что добротность, или технологическое альбедо, з.ф.с. из графита больше единицы и может достигать 4.

Заметим, что такой эффект селекции возможен только в з.ф.с. для нейтронов, поскольку тепловые нейтроны диффузного поля в устройстве многократно проходят через поверхности пакета селектирующих пластин и селектируются в нем.

Было проведено три эксперимента с проверкой эффекта селективной сепарации нейтронов на профилированных пластинах [7, 8]. В первом эксперименте 4 раздвинутые селектирующие пластины были выполнены из графита, а кремниевые детектирующие пластины были поставлены поперек формируемого ими потока нейтронов. Во втором и третьем экспериментах селектирующие пластины были выполнены из алюминия, собраны пакетом, а детектирующие кремниевые пластины (две во втором эксперименте и одна в третьем) были поставлены вдоль формируемого ими потока нейтронов, чтобы проанализировать их угловую расходимость.

Эксперименты проводились в канале ГЭК-4 на реакторе ИРТ-Т Национального исследовательского Томского политехнического университета [7]. Реактор – водно-водяной бассейнового типа мощностью 6 МВт, замедлитель – бериллий. Плотность потока тепловых нейтронов составляет 1.0 · 10¹³ см^–2с^–1, спектральный коэффициент 106. Интегральный поток нейтронов реактора в первом эксперименте составил Ф₁ = 3.02 · 10¹⁷ см^–2 [7], во втором эксперименте на пакете пластин Ф₂ = 2.9 · 10¹⁷ см^–2 , а в третьем эксперименте Ф₃ = = 2.3 · 10¹⁷ см^–2.

Внешний вид селектирующей пластины из графита в первом эксперименте показан на рис. 3, а пакета селектирующих элементов во втором и третьем экспериментах – на рис. 4.

После облучения в реакторе и спадания наведенной активности были проведены измерения пластин кремния на кафедре полупроводниковой электроники и физики полупроводников в Национальном исследовательском технологическом университете МИСиС. Работа проводилась на автоматизированной установке ВИК УЭС для измерения удельного электросопротивления (у.э.с.) полупроводниковых материалов четырехзондовым методом. В первом эксперименте получена следующая картина изменения у.э.с. кремния на следе потока нейтронов от четырех селектирующих пластин [8].

На рис. 5 представлен профиль у.э.с. пластины из первого эксперимента.

Снималась карта у.э.с. на поверхности пластин с переменным шагом в цилиндрической системе координат. В связи с наличием зависимости между поглощенной интегральной дозой от потока тепловых нейтронов и проводимостью кремния это эффективный метод измерения поля нейтронов реактора [7]. В эксперименте показано, что полосы повышенной проводимости кремния (а значит, повышенной интенсивности потока нейтронов) находятся в тех районах, где расположены пластины и проводимость в минимумах следа у.э.с. совпадает с расчетной.

Во втором и третьем экспериментах использовался пакет из 20 алюминиевых пластин. В этом случае на пакете селектирующих пластин идет сепарация нейтронов внешнего диффузного поля реактора. Для регистрации эффекта во втором случае использовался пакет из двух кремниевых пластин ∅101.8 и толщиной 2.4 мм, установленных ребром вдоль направления движения потока нейтронов, в третьем случае – из одной пластины толщиной 4 мм. Селектирующие пластины выполнены из алюминиевой прокатанной ленты (марки А0) толщиной 0.5 и шириной 70 мм с дистанционирующей отбортовкой по краям, сформированной таким образом, чтобы геометрический фокус, в направлении которого пластины ориентируют селектируемые нейтроны, находился на расстоянии 100 мм от края пластин. Профиль селектирующих пластин так же, как и в первом эксперименте, был выбран в виде части эллипса.

На рис. 6 показан вид детектирующих пластин со стороны открытого торца контейнера.

На рис. 7 представлена карта распределения у.э.с. в третьем эксперименте.

Расчетная величина у.э.с. облученных участков исходного кремния связана с концентрацией носителей N_q, порожденных облучением интегральным потоком нейтронов Ф как: ρ_exp = (eN_qμ_n)^–1, где е = 1.602 · 10^–19 Кл, μ_n ≈ 1350 см² В^–1 с^–1 – подвижность электронов в кремнии при полученной дозе облучения.

Ожидаемое удельное электрическое сопротивление кремния в интегральном потоке нейтронов реактора в Ф = 3.02 · 10¹⁷ ± 3% см^–2 при отсутствии эффекта селекции должно было быть около 96 Ом ∙ см. Это обычно воспроизводится в экспериментах при среднем потоке тепловых нейтронов в реакторе 1 · 10¹³ см^–2 с точностью до ±3%.

У.э.с. на облученных кремниевых пластинах оказалось ниже ожидаемого, а значит, плотность потока отселектированных тепловых нейтронов экспериментальным блоком элементов селектирующей структуры оказалась более высокой.

По результатам измерений проводимости кремния был восстановлен интеграл потока зарегистрированных тепловых нейтронов.

При этом

где ${{n}_{{{\text{Si}}}}}$ – концентрация кремния в пластине, 0.031 – доля изотопа ³⁰Si в природном кремнии, ${{{\sigma }}_{{{{{30}}_{{{\text{Si}}}}}}}}$ – сечение взаимодействия нейтронов с ³⁰Si.

На рис. 8 представлена карта распределения интегрального потока нейтронов.

Показано, по меньшей мере, двукратное увеличение интегрального потока тепловых нейтронов за счет селективной сепарации нейтронов на пакете из 20 селектирующих элементов. Секториальный блок профилированных селектирующих элементов из алюминия составляет 1/45 часть полного цилиндра и имеет длину 70 мм вдоль оси. И при полноценной цилиндрической з.ф.с. поток тепловых нейтронов был бы в 90 раз больше потока тепловых нейтронов реактора.

В результате проведенных экспериментов в ядерной технике появился инструмент, который:

– во-первых, в отличие от чисто градиентного управления диффузией нейтронов в обычном реакторе, позволяет эффективно управлять потоками тепловых нейтронов; при этом он термализует быстрые нейтроны, создает из диффузного поля тепловых нейтронов направленный поток и эффективно управляет им;

– во-вторых, в связи с высокой эффективностью отражения тепловых нейтронов от зеркальных поверхностей возможно создание широкого класса различных устройств для экспериментальной физики [9] и для управляемого нейтронного легирования веществ [10–12].

ВЫВОДЫ

Зарегистрирован эффект селективной сепарации нейтронов на селектирующих элементах из графита и на блоке профилированных пластин из алюминия. Полученные экспериментальные результаты можно использовать в новом поколении ядерных реакторов и термоядерных реакторов, при разработке различных устройств с повышенной плотностью потока тепловых нейтронов, высокоэффективных детекторов нейтронов, а также и в создании новых технологий нейтронного легирования полупроводников, или в экспериментальной физике. Результаты интересны для разных областей применения плотных нейтронных потоков. В частности, на его основе можно решить такие задачи, как снижение времени набора, интегрального потока тепловых нейтронов, на экспериментальных образцах при их размещении в фокусных областях з.ф.с.