Одним из самых интересных строящихся сегодня научных мегаинструментов является Европейский Расщепительный Источник (European Spallation Source — ESS), который возводится сейчас в шведском городе Лунд. Этот ускорительный источник нейтронов входит в “великолепную четверку” новых установок связанных с нейтронной физикой: реакторов МБИР, JHR и ускорительных IFMIF/EVEDA и ESS.

Но в отличии от трех предыдущих, изучающих свойства материи в мощных нейтронных потоках применительно к ядерным и термоядерным технологиям ESS нацелен на использование нейтронов для тонкого исследования свойств материи. Холодные и ультрахолодные нейтроны являются фантастически мощным зондирующим инструментом — лишенные заряда, они легко проникают сквозь образец, а изощренные методы детектирования и обработки информации позволяют изучать множество статических и динамических явлений на атомном уровне.

Один из архитектурных концептов здания лаборатории ESS

Нейтронный дифрактометер похожего ускорительного источника ISIS. Желтые трубки — нейтронные детекторы, позволяющие измерять потоки нейтронов

Сегодня мы поговорим в основном об инженерной стороне ESS и областях применения этого новейшего приобретения нейтронной физики.

Прежде всего вернемся к названию “Европейский расщепительный (спалляционный) источник”. Спалляцией физики называют процесс, когда энергичная частица “скалывает” с атома мишени “горсть” протонов и нейтронов. Результат такого скалывания или раскалывания — мощный поток нейтронов (протоны тормозятся в материале мишени). Такой метод позволяет получить нейтронную яркость в десятки раз выше, чем в самых мощных реакторах, а так же некоторые фишки вроде профилирования мощности потока по времени и его прерывистость, которая порой нужна физикам.

Разные области применения нейтронов, как зондирующего излучения.

Что может дать такой источник? Дело в том, что нейтроны уникальный зонд для исследования материи на наномасштабе. Это не заряженные частицы, а значит они легко проникают в любой материл — будь это легкий полимер или тяжелая сталь. Однако нейтроны рассеиваются на за счет взаимодействия с ядром атомов и магнитными моментами, а значит наблюдение дифракционных картин позволяет понять внутреннюю структуру сложных кристаллов, полимеров и прочих регулярных структур. Спектрометрия нейтронов позволяет отслеживать динамические процессы — например множество биомолекулярных процессов, реакцию материалов на механическую нагрузку в масштабе ансамблей атомов, электрохимические процессы в, скажем, литий-ионных аккумуляторах и даже такие неожиданные вещи, как термохимические процессы в процессе сварки. Кроме того нейтрон обладает магнитным моментом и по поляризации нейтронов можно наблюдать множество магнтино-квантовых эффектов — например переход в сверхпроводящее состояние, спиновые явления, квантовые жидкости и прочее. Сегодня нейтронная физика рутинно используется в прикладных исследованиях в молекулярной биологии, создании новых материалов, улучшении свойств аккумуляторов и систем хранения данных, полупроводниковой технологии и разработке новых сверхпроводников. При этом используются в основном тепловые, холодные и ультрахолодные нейтроны.

Пример изучения нейтронными методами распределения элементов в работающей литий-ионной батарее.

Наконец, немного отстоящим от вышеперечисленного является “нейтронно-активационный анализ”, неразрушающий метод, позволяющий тонко определить состав образца и пространственное распределение примесей в нем за счет активации (превращения в радиоактивный изотоп при поглощении нейтрона) атомов и последующим гамма-спектроскопическим исследованием их распада.

Необходимость в новом высокотехнологичном нейтронном источнике в Европе объясняется как моральным устареванием реакторных, построенных в 60х-70х, так и чисто физическим их старением их выбытием из строя.

Различные источники нейтронов: зеленые радиоизотопные, синие реакторные и красные ускорительные.

Теперь давайте посмотрим на инженерную суть ESS:

Научный комплекс разделен на 3 части — лабораторию с 22 позициями для научных инструментов с выведенными пучками нейтронов, мишенный комплекс “Монолит”, где рождаются, охлаждаются и распределяются нейтроны и акселератор “Линак”, ускоряющий протоны в мишень, где они “скалывают” нейтроны.

Посередине рендера комплекса ESS протянулся 600-метровый линейный ускоритель, упираясь справа в мишенно-лабораторные здания

Линейный акселератор ESS работает в импульсном режиме, ускоряя сгусток протонов 14 раз в секунду. Энергия протонов на выходе — 2 ГэВ, а мощность ускорителя в момент прохода сгустка может достигать 125 мегаватт (в среднем же получается всего 5 мегаватт энергии в пучке и 19 потребляемой самим ускорителем). Устоявшаяся на сегодня схема построения таких установок подразумевает разделение на источник ионов, подготовительную “теплую” часть и сверхпроводящий основной ускоритель. Сверхпроводящая часть нужна для создания большей напряженности ускоряющего поля — ведь по мере ускорения протоны все быстрее проходят установку и времени на передачу им энергии становится все меньше. Ускоритель ESS представляет собой вакуумную трубу длиной 602 метра, на которую надеты ускоряющие, фокусирующие и контролирующие элементы.

Стройплощадка ESS. Посередине кадра виден длинный туннель, где будет расположен ускоритель и здание микроволновых источников энергии и криокомплекс ускорителя

Следующая фокусирующая структура The Medium Energy Beam Transport (MEBT) длиной 3,9 метра производит согласование в ускорительную секцию выполненную по классической технологии трубок дрейфа The Drift Tube Linac (DTL). Здесь энергия протонов возрастает с 3,6 до 90 МэВ, а длина этой части составляет 32 метра. Ускорение так же происходит электромагнитным полем.

Характерный вид линейного ускорителя с трубками дрейфа.

Собственно все современные “большие” ускорители используют один и тот же метод ускорения заряженных частиц сфазированным электромагнитным полем, которое возбуждается мощными радиолампами — чаще всего клистронами. Однако структур, которые передают энергию поля непосредственно ускоряемой материи придумано достаточно много, и главное — не запутаться в них.

Например, такие two-spoke резонаторы будут использоваться на первой стадии сверхпроводящей части ускорителя ESS.

После набора достаточной энергии в первой части ускорителя, протоны переходят в систему сверхпроводящих ниобиевых резонаторов разбитых на несколько групп с возрастающей частотой. Сверхпроводимость позволяет достигать высочайших напряженностей электромагнитного поля при небольших потерях. Именно в сверхпроводящих модулях происходит основное ускорение — с 90 до 2000 МэВ. Резонаторы представляют собой полости сложной формы нескольких типов, в которых сосредотачивается электромагнитное поле очень высокой напряженности (до 40 мегавольт/метр) поддерживая ускоряющий потенциал на уровне 15–20 МэВ/метр ускорителя.

Вакуумный криостат, в котором расположены подобные резонаторы и вспомогательные инструменты для измерения качества протонного пучка

Двухполосные и эллиптические резонаторы подключены к группам импульсных клистронов пиковой мощностью порядка 140 мегаватт и вся эта система настроена с наносекундной точностью, что бы создать точное распределение электромагнитных полей вдоль линака. После прохода ускорителя каждый сгусток протонов имеет энергию близкую к 2000 МэВ, длительность в районе 1 миллисекунды, импульсный ток в 62 мА и частоту повторения 14 герц (т.е. протоны есть 1 мс из каждой 71,4).

Общаяя компоновка элементов ESS и их стоимость.

Этот сгусток на скорости, близкой к скорости света врезается в специальную мишень — 4-х тонное вольфрамовое колесо диаметром 2,5 метра, состоящее из 36 долек и вращающееся с такой скоростью, что каждый следующий импульс протонов приходится в следующую дольку (т.е. порядка 1 оборота за 2,5 секунды).

Колесо-мишень ESS. Кстати, гораздо чаще мишень подобного источника выполняется в виде резервуара с жидким металлом.

Протоны раскалывают ядра вольфрама рождая мощный всплекс из разлетающихся обломков, протонов, нейтронов, мюонов и т.п. и т.д. Заряженные частицы тормозятся в самом колесе (тепловая нагрузка на мишень — почти 5 мегаватт, поэтому оно имеет сложную систему охлаждения газообразным гелием) и окружающей стале-бетонной биозащите весом 6000 тонн, называемой “монолит”. Только нейтроны, практически свободно проходящие через материю улавливаются отражающе-замедляющей системой, находящейся над и под колесом.

Отражающе-замедляющая система может быть убрана от места прихода луча в мишень для замены вольфрамового колеса (раз в 5 лет, по мере деградации материала).

Это ключевая система комплекса — именно она работает нейтронным “фонарем”, на который смотрят все инструменты ESS. В специально спроектированной полости бериллиевого отражателя расположены полости водного предзамедлителя и основного замедлителя с жидким водородом при температуре 20 К.

Замедлитель, находящийся в барабанах над и под колесом. Голубое — вода, синее — жидкий водород. Крестик в центре — источник нейтронов.

“Горячие” изначально нейтроны отдают свой импульс ядрам водорода (в воде или молекулах водорода) остывая до температур в несколько десятков кельвинов. Чем меньше скорость, тем больше длина волны и больше неопределенность положения. Нейтроны охлаждают для того, чтобы их длина волны увеличилась и стала соизмеримой с расстоянием между атомами в изучаемом образце и дифракционная картинка стала различимой. И даже после охлаждения жидким водородом у большинства нейтронов длина волны слишком мала, так что приходится отбирать только ту небольшую их долю, которая относится к «хвосту» максвелловского распределения с сверхнизкими энергиями (спасибо antihydrogen за разъяснение). Собственно при таких температурах длина волны и разрешение нейтронного изображения составляет десятые доли нанометра, т.е. фактически в пределе — единичные атомы.

Четыре бака с водородным замедлителем формирует 4 источника нейтронов, которые выводятся через наборы нейтроноводов (которые представляют собой стальные трубы с многослойным внутренним покрытием специальной формы, работающие фактически зеркальной оптикой).

Линии вывода нейтронов от отражающе-замедляющей системы.

От фокальных точек замедлителя веером расходятся 42 нейтроновода, 22 из которых будут использоваться на первой фазе работы лаборатории, а еще 20 оставлены на дальнейшие апгрейды. Нейтроноводы имеют длину до 160 метров и проходят через множество устройств: затворы, обеспечивающие нужную “выдержку”, вращающиеся чопперы, нарезающие нужны профиль и обеспечивающие стробоскопический режим для динамических измерений и монохроматоры, перекрывающие нейтроновод последовательно так, что бы до образца и прибора долетали нейтроны только одной скорости (= энергии, т.е. обеспечивающие выделение определенного спектра нейтронов).

Хорошее представление о работе типичный станции с нейтронной оптикой и детектором, определяющим сразу пространственное, амплитудное и спектральное распределение нейтронов провзаимодействовавших с образцом дает вот эта интерактивная картинка.

Все в месте. Слева в верху «монолит» с входом протонов (слева) и выходом нейтронов (справа), ниже нейтроновод с оптикой и биозащитой.

А вот так выглядят нейтроноводы.

В настоящий момент для 22 позиций отобрано 16 инструментов, которые группируются по методам исследования. Думаю, интереснее будет посмотреть именно на методы исследования.

Нейтронный комплекс ESS в зданиях (вторая половина здания не показана).

В целом работа на таких установках сводится к взаимодействию подготовленного потока нейтронов с образцом и к изучению пространственного, амплитудного и спектрального распределения нейтронов, провзамодействовавших с образцом. Самым простым вариантом является нейтронная камера, сходная с рентгеновской установкой по принципу действия. В лаборатории ESS таким инструментом является ODIN. Он использует принцип “камеры-обскуры”, вооружен монохроматорами и поляризаторами для получения изображений в луче нейтронов разной энергии и поляризации и имеет крайне высокое (единицы мкм на пиксель) пространственное разрешение. Основная направленность прибора — биология, распределение и транспорт водорода в образцах, однако и в инженерии прибор способен приносить пользу — например с помощью него можно наблюдать материаловедение в процессе сварки стали.

ODIN в защитном бункере…

И сам инструмент блочно. Слева расположен точечный (pinhole) коллиматор, справа камера.

Вторым важным методологическим подходом является исследования дифракции нейтронов на регулярной структуре кристаллов, а так же малоугловое рассеивание на пленках — оба эти методы позволяют восстановить по получившимся пикам яркости пространственное расположение атомов в молекулах исследуемого кристалла или пленки. Для этих задач в ESS будет использоваться сразу масса инструментов SKADI и LoKI для изучения пленок и поверхностей методом малоуглового рассеивания, MAGiC для изучения дифракции нейтронов на монокристаллах, HEIMDAL и DREAM для дифракции на порошках, NMX для изучения дифракции на кристаллах больших биологических молекул (например для восстановления структуры молекул белков, как это делается рентгеноструктурным анализом).

NMX будет использовать роботы-манипуляторы для перемещения детекторов.

Инструмент BEER для изучения одновременно микрокристаллической структуры материалов и их поведения во время работы с анализом характерных энергий взаимодействия. Это пригодится для получения новых волоконных основ композиционных материалов, новых металлических сплавов а так же исследования в области материаловедения аккумуляторов.

Зачастую нейтронные инструменты оборудованы крио-вакуумными сосудами для образцов. В них в свою оиспользуюсяьзуются высокотехнологичные держатели для образцов.

Следующей группой приборов являются рефлектометры, изучающие отражение нейтронов от поверхностей образцов. Для ESS это FREIA и ESTIA Эта техника используется для получения информации о плотности, толщине, шероховатости и магнитных свойствах тонких покрытий и пленок, вплоть до атомной толщины. Кроме очевидных применений в инженерной разработке такие инструменты применяются в изучении биологических мембран, например FREIA будет работать с пленками на поверхности жидкости.

Пример устройства малоуголового рефлектометра, работающего с пленками на жидкости. Справа вход нейтронов и оптика, чуть левее центра — позиционер образцов, слева — детекторный блок.

Наконец, завершающая обзор техника — спектрометрические исследования представлена самым большим количеством приборов. Спектроскопия позволяет изучать динамику и кинетику атомов в образце, за счет того, что налетающие нейтроны имеют примерно такую же энергию, как энергия связей между атомами в кристаллах и биологических молекулах. Спектроскопия в нейтронной технике бывает прямой, когда образец просвечивается нейтронами с постепенно изменяемой длинной волны и обратной, когда используется “белый” источник нейтронов а спектральный отклик рассчитывается по времени движения нейтронов от образца к детекторам. Прямыми спектрометрами в ESS являются инструментам VOR, C-SPEC (с холодными элементами нейтронной оптики), T-REX, и MIRACLES.

А вот пример использования нейтронных дифрактомеров для исследования остаточной напряженности в диске газовой турбины.

Более сложные спектроскопы обратной геометрии пока будут представлены инструментом BIFROST и VESPA. Последний специализируется на изучении вибрационных мод молекул, что очень интересно для поиска новых высокоэнергетических веществ — топлив, взрывчатых веществ, химий аккумуляторов.

Строительство Европейского спаляционного источника на конец 2015 года

Великолепный комплекс нейтронной физики ESS сейчас находится на этапе строительства зданий, и стройка продлится еще минимум два года. Лишь в начале 2018 года начнется монтаж основного оборудования, а с 2019 планируется поэтапный ввод сначала ускорителя, затем мишени и начиная с 2020 — научных приборов. К 2023 году комплекс должен заработать в штатном режиме, обеспечивая сотни экспериментов каждый год.