Дать старт проекту Нейтронный Источник 21-го века

Практический парадокс Ферми-Чайдвика

Л.П.Черненко
ММО ОИЯИ, Франковская лаборатория нейтронной физики, г.Дубна
Аннотация
Известно, что основная часть активности исследовательского реактора, предназначенного для вывода тепловых нейтронов на базы около 50 м, в зону расположения исследуемых образцов методами нейтронографии, не используется. Не лучше положение и на так называемых spalletion sourses. Данная ситуация сформировалась историческим развитием данной отрасли науки. Накопление научного опыта к настоящему времени позволяет искать более плодотворный подход в организации базовых установок ядерно-физических исследований. Главная цель - миниатюризация устройств, позволили сконцентрировать поиск в нетрадиционном направлении. Для решения проблемы, названной парадоксом Ферми-Чайдвика, предлагается использовать припороговую генерацию эпитепловых нейтронов в реакции ускоренных до энергии порядка 1.88 Мэв протонов на ядрах литий-7.
Введение
Пороговое рождение эпитепловых нейтронов (~10-50 кэв) в реакции протон-литий-7=нейтрон-бериллий при энергии протонов около 1.88 Мэв предлагалось использовать в бор-нейтронзахватной терапии [1]. При токе протонов 1 ма в конусе с углом открытия 19 град. расчетный поток генерируемых эпитепловых нейтронов составляет про расчетам [1] 2.2х10^9 нейтронов/сек. Установки на этом принципе выглядят эффективными в отношении дозовых нагрузок на опухоли и с хорошей локализацией пучка нейтронов. Ускорители необходимого класса разрабатываются для широкого промышленного применения. Мы будем опираться на условия проведения экспериментов такого класса, имеющиеся на ускорителе типа Ван-де-Граафа в нашей Лаборатории. Покажем, что уже в настоящее время имеются простые условия расширить сферу поиска решений для создания эффективных нейтронных установок и перекинуть мостик на другие области применения нейтронов.
Неэффективность использования нейтронов на реакторах и ускорителях традиционного типа может быть пояснен геометрическими оценками. Зона реактора имеет размеры порядка выше нескольких десятков сантиметров и генерирует быстрые энергичные нейтроны с высокой проникающей способностью, которые по этому их свойству идентифицировал Чайдвик в 1932 году. На расстояниях не более метра от зоны располагается замедлитель, обязаный трансформировать спектр энергий нейтронов в тепловую область, чтобы затем они могли быть транспортированы оптическими элементами на расстояния, где снижается фон остаточных быстрых нейтронов до приемлемого. При этом в игру вступает закономерность открытая экспериментально в работах Ферми с сотрудниками (1946 г.). Она заключается в том, что малые количества вещества у поверхности тела могут отражать нейтроны практически стопроцентно. Для этого необходимо выполнить условия падения тепловых нейтронов на поверхность под малыми углами. Разработанные для этой цели нейтроноводы имеют малый аксептанс и выбирают от замедлителя незначительную часть тепловой активности. Известный в оптике коэффициент адиабатичности чрезвычайно мал. Существуют финансовоемкие проекты повыщения эффективности транспортировки тепловых нейтронов, как и другие проекты увеличения мощности реакторов или spalletion sourses. Однако, заранее очевидно, что выигрыш в оптимизации транспортировки в 2-4 раза не уменьшает потерь на порядки (до 9-ти), которые остаются в традиционной схеме. Данная неэффективность, связанная с большими потерями нейтронов на пути от источника к образцу и детекторам (составляющая порядки величин) и называется парадоксом Ферми-Чайдвика и заставляет искать более эффективные решения. Могут возразить, что такова природа и ее не обманешь, мол. Надо понимать, что историческая схема компановки спектрометров вокруг источников нейтронов возникла под влиянием основной задачи, на которые источники были рассчитаны. Главная задача была наработка изотопов для военных целей. Выводные нейтронные каналы появлялись в небольшом количестве для воспомогательных целей и не имели того качества, которое появилось со временем, обусловленное развитием нейтронографии вообще. Это практический парадокс, так как он связан с образом мышления исследователей, погруженных в очень сложный по технологии и затратам процесс. Его трудно приостановить, так как для многих участие в нем обеспечивает занятость и жизнеобеспечение. Фактически это монополия. Экскурс в античную историю машин и механизмов может проиллюстрировать, что парадоксы возникали не один раз. Например, парадокс Ахилла и Черепахи был связан с недостаточностью математического аппарата, неимевшего понятия о производной (или скорости, в физике). Механизмы и машины образа мышления того периода преобладающе использовали итеррационные процедуры сближения, содержавшие парадокс Ахилла и Черепахи в основаниях. Накопившееся знание привело к разрешению парадокса и вызвало появление новых технических решений. Мы называем парадокс Чайдвика-Ферми практическим, так как его теоретическое решение, наметившееся в последнее время, еще не реализуемо из-за огромных социальных трудностей. Невозможно пока из-за этических соображений разрушить монополию традиционного подхода. Поэтому все рассмотрение ниже будет носить теоретический оттенок, важный для недалекой в будущем переориентации труда исследователей. То, что мы будем предлагать, является больше качественным рассмотрением, нуждающимся в серьезном моделировании. Проведение его будет составлять отдельный предмет исследования. Намеченную альтернативу традиционным схемам базовых установок следует прорабатывать.
Схема нового подхода к решению проблемы
Прежде всего следует обратить внимание на то, что в упомянутой реакции нейтроны рождаются с энергией много ниже реакторных энергий и их замедление потребует меньшего количества вещества. Можно мыслить себе использование для этого полусферы пластмассы богатой водородом, при нескольких столкновениях с которым нейтроны перейдут в тепловую область энергий. Грубые оценки дают диаметр сферы около сантиметра достаточным и позволяют расположить ее, окружая зону реакции почти полностью, оставляя канал для ввода сфокусированного пучк а протонов.
Центр сферы заполнен так, что может содержать литий-7 в микроколичествах. Для целей, которые будут объяснены ниже, необходимо протоны пропускать через пленку тяжелого элемента до взаимодействия с литием-7. Это позволит сбросить часть их энергии в канал генерации рентгеновских квантов (характеристическое излучение), которые можно эффективно регистрировать (создав условия пропускания квантов в германиевый детектор, например) для создания метки протона порождающего нейтрон. Такая схема генерации нейтронов позволит осуществить вариант времяпролетного спектрометра, в котором нейтроны на базе пролета помечены в шкале времени с наносекундной точностью. При этом накапливать события образования и рассеяния нейтронов можно пособытийно. Такой режим выгоден для непрерывного тока пучка протонов, генерирующих нейтроны. При недостатке интенсивности нейтронов, имеется возможность проводить интерференционные опыты с "отдиночными" нейтронами. Если же ускорять ионы водородной молекулы, то пары нейтронов от коррелированных протонов молекулы водорода являются интересным объектом для изучения нетривиальных физических процессов (интерференционные явления).
В описанной схеме генерации тепловых нейтронов существует возможность разработки спектрометров с пучком высокой локализации вплоть до нескольких нанометров. Тогда возникает новая возможность, которую обсуждают обычно проекты связанные с фокусировкой нейтронов. Этот вариант фокусировки нейтронов при генерации их протонами нам кажется выгоднее и допускает эффективное использование линз Кумахова. Нейтронография на тонких пучках нейтронов может вернуть многие образцы для исследований из традиционного синхротронного сектора структурного анализа.
Так как зона замедления миниатюрна, то существует возможность накапливать меченные ультрахолодные нейтроны испаряемые замедлителем по новому принципу, а именно, не изнутри зоны генерации, когда основная масса частиц уходит по радиусу вне системы, но окружив накопителем зону испарения реализуя самую светосильную геометрию. При этом исчезают многие проблемы, связанные с выносом накопителя УХН из зоны накопления в обычных вариантах накопителей. Достаточно лишь после накопления выключить пучок заряженных частиц идущих от ускорителя, что может быть реализовано самыми разными способами (например, отклонением пучка на другую мишень для других экспериментов, т.е. может быть реализован своеобразный режим разделения времени в использовании тока пучка ускоренных частиц). Важно при этом, что сосуд с УХН не требуется передвигать из зоны накопления.
Существуют многие другие достоинства стратегии поиска решения парадокса, которую мы наметили. Одним из них, очень важным, является упрощение детекторного сектора установок. Многопозиционные детекторы могут быть малой площади их чувствительной зоны из-за миниатюризации установок. Что позволит выиграть в их стоимости и сохранить валютную затратную часть создания спектрометров для других целей. Аналогичная экономия связана и с уменьшением габаритов нейтроноводов. Это упрощает проблемы использования высокотехнологичных суперзеркал как для неполяризационных, так и для поляризационных вариантов спектрометров.
Учитывая, что ионный пучок и ядра лития-7 могут быть поляризованы, открывается путь увеличения эффективности генерации нейтронов в конусе, уже чем это известно для варианта бор-нейтронзахватной терапии. Последнее замечание, однако, практически не проработано и является новым направлением исследований.
Интересно рассмотреть и другие низкоэнергетичные реакции с генерацией нейтронов.
Автор благодарит Роберта Голуба за приглашение с лекцией, подготовка которой и посещение института в Берлине (24-27 июля 2000 г.) способствовали усилению интереса к теме данного сообщения, а так же А.Г.Гальперина - за стимулирующие дискуссии. Проф. В.Л.Аксенова приятно поблагодарить за поддержку (в 1995 г. он фактически зародил у автора желание думать над поиском эффективных методов создания базовых установок).
1 октября 2000 г.

[1] В.Н.Кононов, М.В.Боховко, В.И.Регушевский, В.А.Романов "Интенсивный направленный источник нейтронов на базе эл ектростатического ускорителя для нейтроно-захватной терапии" Труды XI совещания по электростатическим ускорителям/Сборник, стр. 119-122, Обнинск -1996 г.

+)))
http://www.proza.ru/2012/09/12/88
http://www.proza.ru/2012/09/20/1317