مصدر الانشطار الأوروبي

واحدة من أكثر الأدوات العلمية العلمية إثارة للاهتمام قيد الإنشاء اليوم هي مصدر Spallation الأوروبي (ESS) ، الذي يتم بناؤه حاليًا في مدينة لوند السويدية. هذا مصدر النيوترون مسرع هو جزء من "فاب فور" مرافق جديدة تتعلق فيزياء النيوترونات: المفاعلات MBIR ، JHR ومسرع IFMIF / EVEDA وESS.


أحد المفاهيم المعمارية لمبنى مختبر ESS

ولكن على عكس الخصائص الثلاثة السابقة التي تدرس خصائص المادة في التدفق النيوتروني عالي الطاقة كما هو مطبق على التقنيات النووية والنووية الحرارية ، تهدف ESS إلى استخدام النيوترونات لإجراء دراسة دقيقة لخصائص المادة. النيوترونات الباردة والمرتفعة للغاية هي أداة بحث قوية خيالية - خالية من الشحن ، فهي تخترق العينة بسهولة ، وتتيح لنا الطرق المتطورة للكشف عن المعلومات ومعالجتها دراسة العديد من الظواهر الساكنة والديناميكية على المستوى الذري.


مقياس الانكسار النيوتروني لمصدر مسرع ISIS مماثل. الأنابيب الصفراء عبارة عن كاشفات نيوترونية تقيس تدفقات النيوترونات.

سنتحدث اليوم بشكل أساسي عن الجانب الهندسي لـ ESS وتطبيقات هذا الاكتساب الأخير لفيزياء النيوترونات.
بادئ ذي بدء ، بالعودة إلى عنوان "مصدر التقسيم الأوروبي (التمليح)". يدعو الفيزيائيون تمليح العملية عندما "يشق" جزيء حيوي حفنة من البروتونات والنيوترونات من ذرة مستهدفة. نتيجة هذا الانقسام أو الانقسام هو تدفق نيوتروني قوي (يتم تثبيط البروتونات في المادة المستهدفة). تتيح لك هذه الطريقة الحصول على سطوع نيوتروني أعلى بعشر مرات من أقوى المفاعلات ، وكذلك بعض الرقائق مثل تحديد قوة تيار في الوقت وتقطعه ، والذي يحتاجه الفيزيائيون في بعض الأحيان.


تطبيقات مختلفة من النيوترونات كإشعاع متحقق.

ماذا يمكن أن يعطي مثل هذا المصدر؟ والحقيقة هي أن النيوترونات هي مسبار فريد لدراسة المادة على مقياس النانو. هذه ليست جزيئات مشحونة ، مما يعني أنها تخترق بسهولة أي مادة - سواء كانت بوليمر خفيف أو فولاذ ثقيل. ومع ذلك ، فإن النيوترونات منتشرة بسبب التفاعلات مع النواة الذرية واللحظات المغناطيسية ، مما يعني أن مراقبة أنماط الحيود تسمح لنا بفهم البنية الداخلية للبلورات المعقدة والبوليمرات والهياكل العادية الأخرى. يسمح لك قياس الطيف النيوتروني بتتبع العمليات الديناميكية - على سبيل المثال ، العديد من العمليات الجزيئية الحيوية ، وتفاعل المواد مع الحمل الميكانيكي على نطاق المجموعات الذرية ، والعمليات الكهروكيميائية في بطاريات ليثيوم أيون ، وحتى أشياء غير متوقعة مثل العمليات الحرارية الكيميائية في عملية اللحام.بالإضافة إلى ذلك ، يحتوي النيوترون على عزم مغناطيسي ، ويمكن ملاحظة العديد من التأثيرات الكمومية النيوترونية في الاستقطاب النيوتروني - على سبيل المثال ، الانتقال إلى حالة التوصيل الفائق ، وظواهر الدوران ، والسوائل الكمومية ، إلخ. اليوم ، يتم استخدام فيزياء النيوترونات بشكل روتيني في البحث التطبيقي في علم الأحياء الجزيئي ، وإنشاء مواد جديدة ، وتحسين خصائص البطاريات وأنظمة تخزين البيانات ، وتكنولوجيا أشباه الموصلات وتطوير الموصلات الفائقة الجديدة. في هذه الحالة ، يتم استخدام النيوترونات الحرارية والباردة والمرتفعة للغاية.تحسين خصائص البطاريات وأنظمة التخزين وتكنولوجيا أشباه الموصلات وتطوير موصلات فائقة جديدة. في هذه الحالة ، يتم استخدام النيوترونات الحرارية والباردة والمرتفعة للغاية.تحسين خصائص البطاريات وأنظمة التخزين وتكنولوجيا أشباه الموصلات وتطوير موصلات فائقة جديدة. في هذه الحالة ، يتم استخدام النيوترونات الحرارية والباردة والمرتفعة للغاية.


مثال على الدراسة بالطرق النيوترونية لتوزيع العناصر في بطارية ليثيوم أيون عاملة.

وأخيرًا ، فإن "تحليل التنشيط النيوتروني" ، وهي طريقة غير مدمرة تجعل من الممكن تحديد تركيبة العينة والتوزيع المكاني للشوائب فيها بسبب التنشيط (التحويل إلى نظائر مشعة عند امتصاص النيوترون) للذرات والتحقيق الطيفي لأشعة غاما اللاحق لتحللها ، بعيدًا قليلاً عما سبق.

تفسر الحاجة إلى مصدر نيوتروني جديد عالي التقنية في أوروبا من قِبل تقادم المفاعلات التي بنيت في الستينيات والسبعينيات ، والشيخوخة الجسدية البحتة بسبب فشلها.


مصادر مختلفة للنيوترونات: النظائر المشعة الخضراء والمفاعل الأزرق والمسرع الأحمر.

الآن دعونا نلقي نظرة على الجوهر الهندسي لـ ESS:

ينقسم المجمع العلمي إلى 3 أجزاء - معمل يحتوي على 22 موضعًا للأدوات العلمية مع الحزم النيوترونية المستخرجة ، مجمع الهدف Monolith ، حيث يتم إنشاء النيوترونات وتبريدها وتوزيعها ، ومسرع Linac يسرع البروتونات إلى الهدف حيث "يقطعون" النيوترونات.


في منتصف عرض ESS المركب ، تم تمديد مسرع خطي طوله 600 متر ، يستقر على اليمين مقابل مباني المختبر المستهدف

يعمل المعجل الخطي ESS في الوضع النبضي ، مما يسرع من تجلط البروتونات 14 مرة في الثانية. طاقة البروتون عند الإخراج هي 2 GeV ، ويمكن أن تصل قوة المعجل في لحظة مرور المجموعة إلى 125 ميجاوات (في المتوسط ​​، تتحول فقط إلى 5 ميجاوات من الطاقة في الشعاع و 19 يستهلكها المعجل نفسه). يتضمن المخطط الحالي لبناء مثل هذه المرافق الفصل في مصدر أيوني ، وجزء تحضيري "دافئ" ، ومسرع رئيسي فائق التوصيل. هناك حاجة إلى الجزء الموصل الفائق لخلق كثافة أكبر للحقل المتسارع - لأنه مع تسارع التسارع ، تمر البروتونات عبر التثبيت بشكل أسرع ويقل وقت نقل الطاقة إليها. مسرع ESS عبارة عن أنبوب فراغ بطول 602 متر ترتديه عناصر التسريع والتركيز والتحكم.


موقع البناء ESS. في منتصف الإطار ، يمكنك رؤية النفق الطويل حيث يوجد المسرع وبناء مصادر طاقة الميكروويف والمسرع

cryocomplex. يتطابق هيكل التركيز التالي لشعاع النقل متوسط ​​الطاقة (MEBT) الذي يبلغ طوله 3.9 أمتار مع قسم المسرع باستخدام التكنولوجيا الكلاسيكية لأنابيب الانجراف أنبوب الانجراف Linac ( DTL). هنا ، تزيد طاقة البروتون من 3.6 إلى 90 MeV ، ويبلغ طول هذا الجزء 32 مترًا. يحدث التسارع أيضًا بواسطة المجال الكهرومغناطيسي.


عرض مميز لمسرع خطي مع أنابيب الانجراف.

في الواقع ، تستخدم جميع المسرّعات "الكبيرة" الحديثة نفس طريقة تسريع الجسيمات المشحونة بمجال كهرومغناطيسي مرحلي ، والذي يثيره أنابيب راديوية قوية - غالبًا ما تكون كليسترون. ومع ذلك ، هناك الكثير من الهياكل التي تنقل طاقة مجال المادة المتسارعة التي تم اختراعها ، والأهم من ذلك ، لا يتم الخلط بينها.


على سبيل المثال ، سيتم استخدام مثل هذه المرنانات ذات الخطوتين في المرحلة الأولى من جزء التوصيل الفائق من مسرِّع ESS.

بعد اكتساب طاقة كافية في الجزء الأول من المعجل ، تنتقل البروتونات إلى نظام من مرنانات النيوبيوم فائقة التوصيل مقسمة إلى عدة مجموعات بتواتر متزايد. تتيح لك الموصلية الفائقة تحقيق أعلى شدة المجال الكهرومغناطيسي مع خسائر صغيرة. في الوحدات فائقة التوصيل ، يحدث التسارع الرئيسي - من 90 إلى 2000 MeV. الرنانات هي تجاويف ذات شكل معقد من عدة أنواع ، حيث يتم تركيز المجال الكهرومغناطيسي ذو التوتر العالي للغاية (حتى 40 ميجا فولت / متر) ، مما يدعم إمكانات التسارع عند مستوى 15-20 MeV / متر من المعجل.


مبرد فراغ يوضع فيه مرنانات وأدوات مساعدة مماثلة لقياس جودة شعاع البروتون

ترتبط الرنانات ثنائية النطاق وبيضاوية الشكل بمجموعات من كليسترونات نابضة بقدرة ذروة تبلغ حوالي 140 ميجاوات ويتم ضبط النظام بأكمله بدقة نانوثانية لإنشاء توزيع دقيق للمجالات الكهرومغناطيسية على طول اللينك. بعد مرور المسرِّع ، يكون لكل مجموعة بروتون طاقة قريبة من 2000 MeV ، ومدة حوالي 1 مللي ثانية ، وتيار نبضي يبلغ 62 مللي أمبير ، ومعدل التكرار 14 هيرتز (أي أن البروتونات هي 1 مللي ثانية من كل 71.4).


التصميم العام لعناصر ESS وتكلفتها.

هذه المجموعة بسرعة قريبة من سرعة الضوء تصطدم بهدف خاص - عجلة التنغستن 4 طن بقطر 2.5 متر ، تتكون من 36 فصيصات وتدور بسرعة تجعل كل نبضة تالية من البروتونات تقع في الفصيص التالي (أي حوالي 1 ثورة في 2.5 ثانية).


عجلة ESS الهدف. بالمناسبة ، في كثير من الأحيان يكون الهدف من مثل هذا المصدر في شكل خزان مع معدن سائل.

تقوم البروتونات بتقسيم نوى التنغستن مما يؤدي إلى موجة قوية من الحطام المتناثر والبروتونات والنيوترونات والميونات ، إلخ. الخ. يتم تباطؤ الجسيمات المشحونة في العجلة نفسها (الحمل الحراري على الهدف هو ما يقرب من 5 ميغاوات ، لذلك يحتوي على نظام تبريد معقد مع الهليوم الغازي) والحماية الحيوية من الخرسانة والصلب المحيطة التي تزن 6000 طن ، وتسمى "متراصة". فقط النيوترونات التي تمر بحرية تقريبًا عبر المادة يتم التقاطها بواسطة نظام تثبيط عاكس يقع فوق وتحت العجلة.


يمكن إزالة نظام التثبيط العكسي من النقطة التي يصل فيها الشعاع إلى الهدف لاستبدال عجلة التنغستن (مرة كل 5 سنوات ، مع تدهور المواد).

هذا هو النظام الأساسي للمجمع - إنه يعمل مع "مصباح يدوي" النيوتروني ، الذي تنظر إليه جميع أجهزة ESS. في تجويف مصمم خصيصًا لعاكس البريليوم ، توجد تجاويف لمُسهل مُسبقًا للمياه ووسيطًا رئيسيًا بهيدروجين سائل عند درجة حرارة 20 كلفن. الوسيط


الموجود في الأسطوانات فوق وتحت العجلة. الأزرق ماء ، والأزرق هيدروجين سائل. الصليب في المركز هو مصدر النيوترونات.

تعطي النيوترونات "الساخنة" في البداية زخمها إلى نوى الهيدروجين (في الماء أو جزيئات الهيدروجين) التي تبرد إلى درجات حرارة عدة عشرات من الكلفن. كلما انخفضت السرعة ، كلما زاد طول الموجة وزاد عدم اليقين في الموقف. يتم تبريد النيوترونات بحيث يزيد طولها الموجي ويصبح قابلاً للمقارنة مع المسافة بين الذرات في العينة ويصبح نمط الحيود مميزًا. وحتى بعد التبريد بالهيدروجين السائل ، فبالنسبة لمعظم النيوترونات ، يكون الطول الموجي قصيرًا جدًا ، لذلك يجب عليك تحديد هذا الجزء الصغير الذي يرتبط فقط بـ "ذيل" توزيع ماكسويل مع طاقات منخفضة للغاية (بفضل مضاد الهيدروجين للتوضيح). في الواقع ، في مثل هذه درجات الحرارة ، يكون الطول الموجي ودقة الصورة النيوترونية أعشار نانومتر ، أي في الواقع ، في الحد ذرات مفردة.
تتكون أربعة خزانات مع وسيط هيدروجين من 4 مصادر نيوترونية ، يتم إخراجها من خلال مجموعات من أدلة النيوترون (وهي أنابيب فولاذية ذات طلاء داخلي متعدد الطبقات لشكل خاص ، تعمل في الواقع بواسطة بصريات المرآة).


خطوط الإخراج النيوترونية من نظام التراجع الانعكاسي.

من النقاط البؤرية للمدير ، يتم توجيه 42 دليلًا نيوترونيًا ، سيتم استخدام 22 منها في المرحلة الأولى من المختبر ، ويتم ترك 20 أخرى لمزيد من التحسينات. يصل طول أدلة النيوترون إلى 160 مترًا ويمر عبر العديد من الأجهزة: مصاريع توفر "سرعة الغالق" اللازمة ، والمروحيات الدوارة ، وقص الملف الشخصي ، وتوفر وضع اصطرابي للقياسات الديناميكية ، وأحادية اللون التي تتداخل مع دليل النيوترون بطريقة لا تصل إلا إلى النيوترونات إلى العينة والجهاز سرعة واحدة (= الطاقة ، أي توفير إطلاق طيف معين من النيوترونات).

تعطي فكرة جيدة عن تشغيل محطة نموذجية مع البصريات النيوترونية وكاشف يحدد على الفور التوزيع المكاني والسعة والتوزيع الطيفي للنيوترونات المتفاعلة مع العينةهذه هي الصورة التفاعلية .


كل شيء في مكانه. يوجد في أعلى اليسار "متراصة" مع إدخال بروتون (يسار) ومخرج نيوتروني (يمين) ، أسفل دليل نيوتروني مع البصريات والحماية الحيوية.


وهذا ما تبدو عليه أدلة النيوترونات.

يتم حاليًا اختيار 16 أداة لـ 22 وظيفة ، والتي يتم تجميعها حسب طرق البحث. أعتقد أنه سيكون من المثير للاهتمام أن ننظر بشكل خاص إلى طرق البحث.


مجمع النيوترون ESS في المباني (لا يظهر النصف الثاني من المبنى).

بشكل عام ، يقلل العمل في هذه المرافق من تفاعل تفاعل النيوترون المحضر مع العينة ودراسة التوزيع المكاني والسعة والتوزيع الطيفي للنيوترونات المتفاعلة مع العينة. أبسط خيار هو كاميرا نيوترونية ، تشبه نظام الأشعة السينية من حيث المبدأ. في مختبر ESS ، هذه الأداة هي ODIN. وهي تستخدم مبدأ الكاميرا ذات الثقب ، وهي مسلحة بآلات أحادية اللون ومستقطبات للحصول على صور في حزمة نيوترونية ذات طاقة واستقطاب مختلفة ولها دقة مكانية عالية للغاية (وحدات من الميكرون لكل بكسل). ينصب التركيز الرئيسي للجهاز على بيولوجيا وتوزيع ونقل الهيدروجين في العينات ، ومع ذلك ، في الهندسة ، يمكن للجهاز أن يكون مفيدًا أيضًا - على سبيل المثال ، باستخدامه ، يمكن ملاحظة علم المواد أثناء لحام الفولاذ.


ODIN …


. (pinhole) , .

النهج المنهجي المهم الثاني هو دراسة حيود النيوترون على بنية بلورية منتظمة ، وكذلك تشتت الزاوية الصغيرة على الأفلام - يمكن لكلتا الطريقتين استعادة الترتيب المكاني للذرات في جزيئات البلورة المدروسة أو الفيلم من قمم السطوع الناتجة. لهذه المهام ، ستستخدم ESS على الفور كتلة من أدوات SKADI و LoKI لدراسة الأفلام والسطوح عن طريق التشتت ذي الزاوية الصغيرة ، MAGiC لدراسة حيود النيوترونات على بلورات مفردة ، HEIMDAL و DREAM لحيود المسحوق ، NMX لدراسة الحيود على بلورات الجزيئات البيولوجية الكبيرة (على سبيل المثال ، استعادة بنية جزيئات البروتين ، كما يتم عن طريق تحليل الأشعة السينية).


سيستخدم NMX الأسلحة الروبوتية لتحريك أجهزة الكشف.

أداة BEER لدراسة بنية المواد البلورية الدقيقة وسلوكها في وقت واحد أثناء العمل مع تحليل طاقات التفاعل المميزة. هذا مفيد للحصول على أسس الألياف الجديدة من المواد المركبة ، والسبائك المعدنية الجديدة ، وكذلك البحث في مجال مواد البطاريات.




غالبًا ما تكون أجهزة النيوترونات مجهزة بأوعية عينات مفردة بالتبريد. إنهم يستخدمون حاملي عينات عالية التقنية بطريقتهم الخاصة.

المجموعة التالية من الأجهزة هي مقاييس انعكاسية تدرس انعكاس النيوترونات من أسطح العينات. بالنسبة لـ ESS ، هذه هي FREIA و ESTIA. يتم استخدام هذه التقنية للحصول على معلومات حول الكثافة والسماكة والخشونة والخصائص المغناطيسية للطلاء الرقيق والأغشية حتى السُمك الذري. بالإضافة إلى التطبيقات الواضحة في الهندسة ، يتم استخدام هذه الأدوات في دراسة الأغشية البيولوجية ، على سبيل المثال ، ستعمل FREIA مع أفلام على سطح سائل.


مثال على جهاز قياس الانعكاس بزاوية صغيرة يعمل مع أفلام على السائل. مدخلات النيوترونات والبصريات على اليمين ، وموضع العينة على يسار المركز ، ووحدة الكاشف على اليسار.

وأخيرًا ، تمثل تقنية المراجعة النهائية - دراسات القياس الطيفي بأكبر عدد من الأدوات. يسمح لك التحليل الطيفي بدراسة ديناميكيات وحركية الذرات في العينة ، نظرًا لأن النيوترونات المصاحبة لها نفس طاقة طاقة الروابط بين الذرات في البلورات والجزيئات البيولوجية تقريبًا. يكون التحليل الطيفي في تكنولوجيا النيوترونات مباشرًا عندما تضيء العينة بالنيوترونات ذات الطول الموجي المتغير تدريجيًا والعودة عند استخدام مصدر نيوتروني "أبيض" ويتم حساب الاستجابة الطيفية من الوقت الذي تنتقل فيه النيوترونات من العينة إلى الكاشفات. أجهزة مطياف ESS المباشرة هي أجهزة VOR و C-SPEC (مع بصريات نيوترونية باردة) و T-REX وأدوات MIRACLES.


فيما يلي مثال على استخدام مقاييس حيود النيوترون لدراسة التوتر المتبقي في قرص التوربين الغازي.

سيتم تقديم مطياف أكثر تعقيدًا للهندسة العكسية بواسطة BIFROST و VESPA. هذا الأخير متخصص في دراسة الأنماط الاهتزازية للجزيئات ، وهو أمر مثير للاهتمام للغاية للبحث عن مواد جديدة عالية الطاقة - الوقود والمتفجرات وكيمياء البطارية.


بناء مصدر سبا أوروبي في نهاية عام 2015

إن المجمع الرائع لفيزياء النيوترونات ESS هو الآن في مرحلة تشييد المباني ، وسوف يستمر البناء لمدة عامين آخرين على الأقل. فقط في بداية عام 2018 ، سيبدأ تركيب المعدات الرئيسية ، واعتبارًا من عام 2019 ، من المخطط إدخاله في المسرِّع الأول ، ثم الهدف ، واعتبارًا من عام 2020 - الأجهزة العلمية. بحلول عام 2023 ، يجب أن يبدأ المجمع في العمل بشكل طبيعي ، حيث يوفر مئات التجارب كل عام.

Source: https://habr.com/ru/post/ar389279/