Устройство для получения холодных и ультрахолодных нейтронов было спроектировано в Объединенном институте ядерных исследований. Ультрахолодные нейтроны (УХН) широко используются в физике элементарных частиц и фундаментальных взаимодействий благодаря своему свойству отражаться от поверхностей из определенных материалов под любым углом падения, в отличие от нейтронов других энергий, которые имеют свойство быстро рассеиваться в окружающем веществе.

В научном мире проблема замедления нейтронов окончательно не решена, поскольку во многих известных устройствах велики потери частиц на выходе. Новое изобретение ОИЯИ способствует решению этой задачи.

Идея изобретения состоит в том, чтобы пучок тепловых нейтронов, выходящий из замедлителя реактора, замедлился или до холодных нейтронов при скоростях порядка 10–100 м/с, или до ультрахолодных нейтронов, до скоростей, меньших 6 м/с, с помощью системы движущихся дифракционных нейтронных зеркал. Далее на пути потока нейтронов устанавливается ловушка, вход в которую перекрывается специальным затвором.

Авторство этого изобретения принадлежит старшему научному сотруднику ЛЯП ОИЯИ Сергею Доле и ведущему научному сотруднику ЛНФ ОИЯИ Юрию Никитенко.

Нейтронное зеркало представляет собой отполированный многослойный материал из никеля и титана или композита никель-титан на подложке. Такой материал отражает пучки нейтронов подобно тому, как обычное зеркало отражает видимый свет. Как волны света отражаются от поверхности обычного зеркала, так и нейтроны, также имеющие определенную длину волны, отражаются от нейтронного зеркала. Нейтронные волны в зеркале интерферируют между собой, накладываясь друг на друга, благодаря чему интенсивность отраженной волны резко увеличивается.

«Если нейтрон догоняет удаляющееся от него зеркало, то при отражении от такого зеркала он затормозится, потому что при отражении из скорости нейтрона вычитается удвоенная скорость зеркала. Если скорость нейтрона в лабораторной системе в два раза больше, чем скорость зеркала, то после отражения он остановится», — прокомментировал соавтор изобретения Сергей Доля.

Он рассказал, что ранее, с конца 60-х годов ХХ века, для снижения энергии нейтронов уже использовались сферические зеркала, однако современные дифракционные зеркала имеют намного большую эффективность и позволяют отражать нейтроны в более широком интервале энергий. У современных зеркал можно менять пространственный период – длину, на которой повторяется последовательность слоев, нанесенных на зеркало. При этом изменяется и энергия отраженных нейтронов на выходе. В новом изобретении речь идет о вращающихся с высокой, около 150 м/с, скоростью, подвешенных на шарнирах дифракционных зеркалах.

«Они переносят нейтроны из области тепловых нейтронов в область холодных или ультрахолодных. Двойная скорость зеркала вычитается из их начальной скорости. Если зеркало на шарнире подвешено так, чтобы, отражаясь от него, нейтроны попадали на вход нейтронной ловушки или накопителя нейтронов, то в них можно будет получить большое количество нейтронов», — заключил Сергей Доля.

На рис. показан пространственный профиль потенциала взаимодействия нейтронов с периодической структурой зеркала, в которой слои попеременно имеют положительный +U1 (никель) и отрицательный -U2 (титан) потенциалы. Величина перепада потенциала напрямую влияет на коэффициент отражения нейтронов от такой многослойной структуры

Согласно предложению авторов, некоторое количество дифракционных зеркал, имеющих плоскую отражающую поверхность, должно быть выполнено в виде слоистой структуры, которая представляет собой систему следующих друг за другом слоев с уменьшающимся пространственным периодом по направлению вглубь структуры от ее поверхности. Полусферические отражатели нейтронов, шарнирно присоединенные к кронштейнам, расположенным на выносных спицах колеса радиусом порядка 1 м, изменяют свой угол наклона синхронно с вращением колеса. Техническим результатом является увеличение потока нейтронов и увеличение диапазона начальных скоростей нейтронов.

«Ультрахолодные нейтроны давно привлекают внимание физиков», — отметил Сергей Доля.

Длительное время хранения нейтронов в ловушке позволяет использовать УХН, например, в экспериментах по определению их фундаментальных свойств, а также в материаловедении.

«Однако холодные нейтроны также могут накапливаться, и их поток больше потока ультрахолодных нейтронов. Поэтому в некоторых экспериментах выгоднее использовать холодные нейтроны», – отметил Юрий Никитенко.

Одним из эффективных вариантов реализации накопителя для таких нейтронов является предложение Юрия Никитенко, патент на которое Объединенный институт получил в 2022 году. Тем же автором ранее был разработан новый способ измерения потерь в накопителе холодных нейтронов.

Новое изобретение Сергея Доли и Юрия Никитенко может найти применение на будущем реакторе ОИЯИ НЕПТУН.