Публикация научных статей.
Вход на сайт
E-mail:
Пароль:
Запомнить
Регистрация/
Забыли пароль?
Международный научно-исследовательский журнал публикации ВАК
Научные направления
Поделиться:
Статья опубликована в №11 (июль) 2014
Разделы: Физика
Размещена 01.06.2014. Последняя правка: 01.09.2014.

Экспериментальная регистрация селективной сепарации тепловых нейтронов

Столбов Сергей Николаевич

Протиус

Инженер

В. А. Варлачев, кфмн, НИ Томский политехнический университет (г. Томск, 634050); Ю. В. Дробышевский, кхн, ООО Протиус (г.Железнодорожный, 143980); С. А. Некрасов, ктн, кэн, НИУ Московский энергетический институт(г.Москва, 111250 ); Г. Н. Петров, ЗАО Эллина НТ (г.Москва, 117312); А.К. Прохоров,кфмн, ЗАО Эллина НТ (г.Москва, 117312); С. Н. Столбов ООО Протиус (г.Железнодорожный, 143980)


Аннотация:
Предложен способ и устройство для формирования интенсивных тонких пучков тепловых нейтронов. Устройство, содержащее графитовые эллиптические нейтронные зеркала, было испытано в потоке реакторных тепловых нейтронов. Плотность потока тепловых нейтронов в зоне облучения составляла 1.0×1013см-2с-1. Зарегистрированный тонкий поток отселектированных нейтронов был более чем в 10-15 раз больше потока тепловых нейтронов реактора.


Abstract:
A method and apparatus for forming intense thin thermal neutron beams has been introduced. An apparatus comprising graphite neutron elliptical mirror was tested in a flow thermal neutron reactor. Thermal neutron flux density in the irradiation zone equaled 1.0 × 1013 cm-2s-1. The density of selected neutrons in the registered thin stream was over 10-15 times as large as that in the flux reactor.


Ключевые слова:
плотность нейтронного потока, тонкие пучки тепловых нейтронов, эллиптические зеркала.

Keywords:
neutron flux density, thin thermal neutron beams, elliptical mirror.


УДК 621.01

В настоящее время в различных областях науки и техники существует потребность в создании устройств формирующих и использующих направленные высокоинтенсивные пучки тепловых нейтронов. Создание таких устройств открывает путь к разработке высокоэффективных детекторов, ядерных и термоядерных реакторов[1,2]  нового поколения и новых технологий нейтронного легирования полупроводников[3].

Для достижения поставленной цели были разработаны способ и устройство селективной сепарации тепловых нейтронов. В основе способа селективной сепарации тепловых нейтронов лежит использование эффектов отражения нейтронов от поверхности[4]. Для полного внешнего отражения нейтронов от поверхности необходимо, чтобы поперечная компонента кинетической энергии нейтрона у поверхности была меньше средней потенциальной энергии отталкивания нейтронов в среде, которая может быть определена и как граничная энергия Egr, нейтронов в среде. Это понятие может быть переопределено через граничную длину волны λgr, и поперечную граничную скорость нейтронов vгр для разных веществ на поверхности замедлителя[4]:

При этом угол полного внешнего отражения тепловых нейтронов может быть раскрыт, как

угол полного внешнего отражения тепловых нейтронов

Экспериментально было установлено[5], что этот угол составляет φs = 10' для поверхности из графита, φs = 12' для поверхности из бериллия, φs = 10.7' для поверхности из железа, φs = 11.5' для поверхности из никеля и φs = 9.5' для поверхности из меди.

Для селективной сепарации тепловых нейтронов замедлитель должен быть выполнен в виде многослойной анизотропной протяженной структуры. В процессе рассеяния диффузного поля нейтронов угол пересечения ими поверхности раздела сред может стать меньше угла φs – угла полного внешнего отражения нейтронов от поверхности этого вещества φ2 ≤ φs и нейтрон отразится от этой поверхности. Профиль элементов замедляющей фокусирующей структуры[6] (ЗФС) при этом выполняется таким, чтобы всякое последующее отражение такого нейтрона проходило под углом меньшим угла полного внешнего отражения его веществом.

Для того чтобы щелевой канал обладал способностью селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны, он должен иметь переменную, спадающую к его выходу кривизну поверхности. Или, радиус кривизны этой поверхности должен непрерывно расти в направлении выхода из канала, см. рис. 1.

чтобы щелевой канал обладал способностью селективно захватывать движущиеся в нем нейтроны, он должен иметь переменную, спадающую к его выходу кривизну поверхности

 Если угол внешнего поверхностного отражения нейтронов равен φs а радиус кривизны поверхности равен R,то (см. рис. 2) при этом длина хорды по которой движется отраженный нейтрон, будет Ls ≈ 2 R·sin(φs), а максимальное расстояние между хордой и поверхностью канала, будет hs ≈ R (1 - cos(φs)). Можно показать, что коэффициент относительной эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel может быть представлен, как

расчет коэффициента эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel
Здесь поверхность селектирующей пластины задается в координатах (x,y), а  при малых φs, L= a1+a2 ≈ 2· R· sin φs. Важно, что коэффициент эффективности захвата нейтронов в ходе селекции Ksel не зависит от φs , но при этом существенно определяется кривизной канала селекции.

Иллюстрация процесса формирования угловой области селекции нейтронов на поверхности

Для формирования эффекта селекции были выбраны пластины, одна сторона которых представляла профиль части эллипса формула элиптической зависимости . При этом выбирался такой участок поверхности эллипса, на котором коэффициент эффективности селекции нейтронов имеет максимальное значение, см. рис. 3.

кривая зависимости эффективности селекции на поверхности пластины.

На участке с максимальной эффективностью селекции нейтронов, радиус кривизны поверхности селектирующей пластины составляет около 1 м, длина хорды по которой движется отраженный нейтрон, составляет около Ls≈5мм, а hs ≈ 5мкм.

Причем у пластин с b=15 мм, Ksel=15, а у пластин с b=20 мм, Ksel =10.

Где: а=150 мм, b=20 мм, эллипс повернут на угол в 2.4 градуса,

и размером: а=150 мм, b=15 мм, эллипс повернут на угол в 1.8 градуса.

Пластины были изготовлены из графита марки МИГ-2 (ТУ-1915-029-002-00851).

Форма рабочей поверхности была выполнена фрезой на станке с ЧПУ, чистота поверхности примерно соответствовала 6 классу чистоты поверхности. Для исключения попадания абразива в вещество дополнительная полировка не проводилась, см. рис. 4.

Фотография изготовленной селектирующей пластины.
Расчетная плотность нейтронов в потоке, отселектированных широкой пластиной, определялась зависимостью:  Расчетная плотность нейтронов в потоке, отселектированных широкой пластиной, определялась зависимостью где n0 – это плотность потока тепловых нейтронов в области селектирующей пластины, n0 = 1.0×1013 см-2с-1; Lplast – длина селектирующей пластины, Lplast= 100 мм. Потери в плоскости пластины по угловой области захвата оценивались множителем ½.

Отсюда: nsel= 1.5×1015 см-2с-1.

Для формирования эффекта селекции тепловых нейтронов были изготовлены селектирующие пластины из графита. Они были размещены в контейнере параллельно друг другу. Две пластины с b=15 мм были размещены в центре и две пластины с b=20 мм были размещены по краям. Контейнер был изготовлен из алюминия АД0.

Для регистрации эффекта селекции нейтронов были использованы пластины из кристаллического кремния, размещенные поперек потока. Толщина пластин была около 4мм, диаметр - 102мм. Пластины были размещены группами по две из легированного до 100 ом·см и не легированного кремния на расстоянии в 10 мм между группами.

Исходный кремний представлял собой слиток диаметром 102мм и длиной 150мм, с ориентацией ±2, тип электропроводности N, сопротивление более 2000 ом·см, время жизни неосновных носителей заряда н.н.з. более 1000 μs, дислокаций и свирлов, нет.

Облучение проводилось на реакторе ИРТ-Т НИ Томского политехнического университета. Реактор водно-водяной бассейнового типа мощностью 6 МВТ, замедлитель бериллий.

Плотность потока тепловых нейтронов в зоне облучения составляет 1.0×1013 см-2с-1, спектральный коэффициент 106. Облучение проводилось на канале ГЭК-4[7].

В процессе облучения кремния Si-30 нейтронами образуется P-31, происходит нейтронное легирование кремния[8] и изменение его проводимости. После облучения в реакторе и спадания наведенной активности, были проведены измерения проводимости пластин кремния. Измерения (см. рис. 5) проводились на автоматизированной установке ВИК УЭС для измерения удельного электрического сопротивления (у.э.с.) полупроводниковых материалов четырехзондовым методом, на кафедре полупроводниковой электроники и физики полупроводников в НИТУ МИСИС

измерения удельного электрического сопротивления (у.э.с.) полупроводниковых материалов четырехзондовым методом,

Здесь 1- след нейтронных потоков от внешних селектирующих пластин и

2 - след нейтронных потоков от внутренних селектирующих пластин

Прежде всего, эффект селекции тепловых нейтронов селектирующими пластинами явно наблюдается. Полосы повышенной проводимости кремния находятся в тех районах, где они должны быть. Заметно различие в глубине профиля проводимости для внутренних и внешних пластин, поскольку у них Ksel=15 и Ksel=10 различаются в полтора раза.

Интегральный поток нейтронов реактора на пластинах кремния Ф= 3.02×1017 см-2

Расчетная величина у.э.с., облученных участков связана с интегральным потоком нейтронов как

Расчетная величина у.э.с., облученных участков связана с интегральным потоком нейтронов как

где е=1.602×10-19 кулон, μn ≈ 1250 см2В-1сек-1.

Расчетное у.э.с. пластин в области линейного следа
Расчетное у.э.с. пластин в области линейного следа
Можно оценить отношение у.э.с. кремния на следе от селектированных нейтронов к у.э.с. материала фоново облученного кремния. Размер электрода зонда hel=15мкм. Рассматривая параллельное течение тока по следу и по каналу равному толщине электрода, получим.
Отношение сопротивлений при параллельном течении тока по следу и по каналу равному толщине электрода прибора

Измеренное у.э.с. пластин после облучения их нейтронами фона: Измеренное у.э.с. пластин после облучения их нейтронами фона

 и в области следа Измеренное у.э.с. пластин после облучения в области следа

Поэтому наблюдаемое отношение у.э.с. наблюдаемое отношение у.э.с.

Измерения на противоположной стороне кремниевых пластин дают близкие результаты.

Итак, в результате эксперимента установлено, что выбранные нами геометрические характеристики поверхности селектирующих пластин позволили сформировать плотный направленный поток тепловых нейтронов. Плотность селектированного потока нейтронов была более чем в 10-15 раз больше потока тепловых нейтронов реактора. Ширина полосы  селектированного пластиной потока нейтронов составила меньше 10 мкм.

Авторы выражают благодарность за любезно предоставленный графитовый материал Бейлиной Наталье Юрьевне, Петрову Анатолию Михайловичу, Габову Алексею Владимировичу изготовившему графитовые пластины, Светлане Петровне Кобелевой и Анфимову Илье Михайловичу за проведение измерений проводимости облученных кремниевых пластин.

Библиографический список:

1. «Способ управляемого термоядерного синтеза и управляемый термоядерный реактор для его осуществления» Патент RU №2056649.
2. «Способ получения энергии в процессе управляемого деления ядер и устройство для его осуществления» Патент RU №2075116.
3. «Способ и устройство для нейтронного легирования вещества» заявка №2012156229/05(088941) Патент RU №2514943.
4. И.И. Гуревич, В.П. Протасов «Нейтронная физика», М., Энергоатомиздат, 1997г.
5. Н.А. Власов, «Нейтроны», издательство Наука, М., 1971.
6. «Устройство для формирования направленного потока нейтронов», Патент RU №1821818.
7. Варлачев В.А., Зенков А.Г., Солодовников Е.С. Особенности нейтронно – трансмутационного легирования кремния на исследовательских реакторах // Известия вузов. Физика, 1998, № 4, с. 210-215.
8. П.Г. Баранов и др. «Особенности нейтронного легирования фосфором кристаллов кремния, обогащенных изотопом 30Si» Физика и техника полупроводников, 2006, том 40, вып. 8.




Рецензии:

16.08.2014, 12:55 Мордашев Владимир Михайлович
Рецензия: Отзыв на статью «Экспериментальная регистрация селективной сепарации тепловых нейтронов», авторы: В.А.Варлачев, Ю.В.Дробышевский и др. В статье рассмотрены способ и устройство для формирования интенсивных тонких пучков медленных нейтронов. Их принципиальная осуществимость обоснована авторами как рассчетно-теоретическим путем, так и экспериментально. Они могут найти приложения в фундаментальных и прикладных исследованиях и работах. Статья представляет интерес и рекомендуется к публикации. В качестве пожелания для дальнейших исследований: следует проводить расчеты не только для средних значений параметров нейтронов и элементов структуры, которые (расчеты) могут оказаться недостаточно точными для конструирования конкретной структуры, но и с помощью, например, расчетов Монте-Карло, более детально учитывающих спектры, сечения и индикатрисы рассеяния нейтронов. к.ф.-м.н. В.М.Мордашев в.н.с. НИЦ КИ



Комментарии пользователей:

Оставить комментарий


 
 

Вверх