Лаборатория нейтронной физики

ЭКСПЕРИМЕНТАЛЬНЫЕ НАУЧНЫЕ УСТАНОВКИ

Научно-экспериментальные работы лабораторий нейтронной физики в основном проводятся с использованием нейтронных пучков многофункционального исследователького реактора ВВР-К. Этот реактор является многоцелевым водо-водяным реактором бассейнового типа со стационарным потоком нейтронов. В бассейновых реакторах деление ядер в активной зоне осуществляется преимущественно замедленными (тепловыми) нейтронами. Поэтому он относится к классу реакторов на тепловых нейтронах.

В настоящее время на базе ЛНФ функционируют 3 научных установок:

Установка нейтронной радиографии и томографии TITAN

TITAN – экспериментальная станция нейтронной радиографии и томографии предназначенный для проведения диагностики и визуализации внутреннего строения габаритных объектов. Расположен на 1-ом горизонтальном канале исследовательского реактора ВВР-К. Основными узлами установки ТИТАН являются: нейтронные фильтры, апертурная система, система коллиматоров для формирования пучка тепловых нейтронов, гониометр, система детектирования нейтронов и сбора данных. Реализованы следующие режимы работы установки:

Радиография – метод регистрации теневых проекций объекта, просвечиваемого нейтронным пучком. Контраст изображения обусловлен вариациями плотности и/или химического состава, и может быть усилен за счёт изменения длины волны нейтронного пучка.

Томография – метод восстановления трёхмерного распределения нейтроно-оптической плотности по объекту путём математической обработки совокупности оцифрованных теневых проекций, полученных при различных угловых положениях объекта.

Быстрая радиография/томография – метод регистрации нейтронных проекций с короткими экспозициями для быстрых и динамических процессов.

Установка нейтронной рефлектометрии

Нейтронная рефлектометрия — это метод дифракции нейтронов используемый для измерения структуры тонких пленок и является комплементарным взаимодополняющим методом для рентгеновской рефлектометрии. Этот метод предоставляет ценную информацию в широком спектре научных и технологических приложений, включая химическую агрегацию, адсорбцию полимеров и поверхностно-активных веществ, структуру тонкопленочных магнитных систем, биологические мембраны и т. д. При реализации данного метода высоко-коллимированный пучок нейтронов падает на плоскую поверхность образца и измеряется интенсивность отраженного излучения в зависимости от угла или длины волны нейтронов. Точная форма профиля отражательной способности дает подробную информацию о структуре поверхности, включая толщину, плотность и шероховатость любых тонких пленок, нанесенных на подложку.

Данный рефлектометр поляризованных нейтронов на реакторе ВВР-К, оснащён двух-кристальным монохроматором для возможности варирования длины волны (энергии) нейтронов и от ухода прямой видимости пучка относительно активной зоны реактора, при неизменном геометрии установки.

Основные направления исследований

- Исследование структуры тонких пленок на твердотельной подложке.

- Режим неполяризованного нейтронного пучка: восстановление параметров эффективной толщины слоев, шероховатости границ между слоями и свободной поверхности, определение нейтронно-оптической плотности материалов слоев.

- Режим поляризованного нейтронного пучка: оценка магнитных свойств структуры слоев на поверхности подложки, тип магнитного упорядочения слоев во внешнем магнитном поле.

Установка рентгеновской радиографии и томографии

Рентгеновская микротомография стала хорошо зарекомендовавшим себя методом неразрушающего контроля. Высокая глубина проникновения рентгеновских лучей во многие материалы позволяет восстанавливать информацию об объеме из серии 2D-проекционных изображений, раскрывая внутреннюю структуру образца. Это делает данный метод привлекательным, когда целостность образца имеет решающее значение, например. в биомедицинской визуализации, археометрии, палеонтологии , промышленном контроле качества и материаловедении. Также различие в характере взаимодействия с веществом рентгеновского и нейтронного излучений может дать полезную и взаимодополняющую информацию об объектах исследования.

Данный рентгеновский томограф высокого разрешения предназначена для анализа внутренних структур различных образцов, проведении измерений и визуализации трехмерного объема объекта контроля. Микротомограф позволяет управлять коэффициентом увеличения и вращать объект контроля, проводить томографическую реконструкцию до 7200 проекций.

ТЕКУЩИЕ ПРОЕКТЫ ЛНФ

Мега-Science проект «Высокоинтенсивный источник УХН на базе реакторе ВВР-К»

Благодаря своей уникальной особенности ультрахолодные нейтроны (УХН) используются в качестве чувствительного инструмента в экспериментах по фундаментальной физике, где требуются высокоточные измерения. Различные измерения УХН специально направлены на решение оставшихся без ответа вопросов фундаментальной физики, астрофизики и космологии. К ним относятся проверка фундаментальных теорий, таких как поиск электрического дипольного момента нейтрона, измерение времени жизни нейтрона и поиск новых типов взаимодействий на малых расстояниях, поиск нейтрон-антинейтронных колебаний и т. д.

Однако решение этих проблем ограничено интенсивностью источника УХН, поэтому разработка и создание высокоинтенсивного источника УХН крайне важны, что позволит сделать измерения более полными и минимизировать статистические ошибки. В связи с этим предлагается разработать высокоинтенсивный источник УХН в тепловой колонне исследовательского реактора ВВР-К.

Тепловая колонна реактора ВВР-К отвечает по всем требованиям для создания источника УХН с рекордной плотностью УХН для фундаментальных исследований. Большой диаметр (1 метр) тепловой колонны позволяет разместить свинцовый экран толщиной 10 см для снижения тепловой нагрузки; графит при комнатной температуре замедляет нейтроны до диапазона тепловой энергии; низкотемпературный преобразователь 19 К будет производить холодные нейтроны, а сверхтекучий гелий при температуре 0,8–1,25 К будет преобразовывать холодные нейтроны в ультрахолодные нейтроны. Расчетная объемная плотность УХН в камере источника объемом 35 л составляет около 1,6*10⁵ н/см³ при температуре гелия 0,8 К, что более чем в 100 раз превышает максимально достижимую плотность УХН в других источниках нейтронов.

Проект «Нейтронный порошковый дифрактометр для исследования кристаллической и магнитной структуры материалов»

Наиболее прямым и информативным методом исследования кристаллической структуры и магнитного упорядочения в материалах является нейтронная дифракция. Функциональные материалы обладают физическими и химическими свойствами, которые изменяются при изменении внешних условий или параметров окружающей среды, причем задание или изменение этих свойств должны быть предсказываемыми и управляемыми. Разработка таких материалов является основной задачей исследований XXI века во многих областях науки и техники, а конструирование и применение современных методов диагностики функциональных материалов является неотъемлемой частью этой деятельности.

Одним из надежных методов диагностики функциональных материалов является метод нейтронной дифракции. По сравнению с другими методами, этот метод имеет ряд важных преимуществ. Так, нейтронография позволяет изучать структуру кристаллов, содержащих легкие элементы или элементы с близкими атомными номерами, что во многих случаях затруднительно сделать с помощью рентгеновского структурного анализа. Наличие у нейтрона магнитного момента позволяет изучать магнитную структуру веществ. Это позволяет установить наличие и тип магнитной структуры - упорядоченную ориентацию магнитных моментов атомов относительно друг друга и кристаллографических осей, величину магнитного момента атома, температуру и характер магнитных переходов. Нейтронография успешно используется для решения задач современной промышленности: водородной энергетики, нанотехнологий, производства устройств хранения информации, микроэлектроники, фармацевтики.

Оптимальное сочетание нейтронного пучка канала 5 на исследовательском реакторе ВВР-К, фокусирующий блок монохроматоров, уникальная мультидетекторная система разрабатываемого дифрактометра позволит получать качественные данные по кристаллической и магнитной структуре различных соединений.

В данном проекте предлагается создать нейтронный порошковый дифрактометр на 5-ом канале реактора ВВР-К, оснащенный вертикально фокусирующей кристалл-монохроматором и детектором с широким углом охвата (типа «банан»).