Europäische Spaltquelle

Eines der interessantesten wissenschaftlichen Mega-Tools, die derzeit gebaut werden, ist die European Spallation Source (ESS), die derzeit in der schwedischen Stadt Lund gebaut wird. Diese beschleunigende Neutronenquelle ist eine der „großartigen vier“ neuen Einrichtungen im Zusammenhang mit der Neutronenphysik: MBIR- , JHR-Reaktoren sowie IFMIF / EVEDA- und ESS- Beschleunigerreaktoren .


Eines der architektonischen Konzepte des ESS-Laborgebäudes

Im Gegensatz zu den drei vorherigen, in denen die Eigenschaften von Materie im Hochleistungs-Neutronenfluss bei nuklearen und thermonuklearen Technologien untersucht werden, zielt ESS darauf ab, Neutronen für eine subtile Untersuchung der Eigenschaften von Materie zu verwenden. Kalte und ultrakalte Neutronen sind ein fantastisch leistungsfähiges Sondenwerkzeug - sie sind ladungsfrei, dringen leicht in die Probe ein und ausgefeilte Methoden zur Erkennung und Verarbeitung von Informationen ermöglichen es uns, viele statische und dynamische Phänomene auf atomarer Ebene zu untersuchen.


Neutronendiffraktometer einer ähnlichen ISIS-Beschleunigerquelle. Gelbe Röhren sind Neutronendetektoren, die Neutronenflüsse messen.

Heute werden wir hauptsächlich über die technische Seite von ESS und die Anwendungen dieser neuesten Akquisition der Neutronenphysik sprechen.
Zunächst zurück zum Titel „Europäische Spaltquelle“. Physiker nennen das Salzen einen Prozess, bei dem ein energetisches Teilchen eine Handvoll Protonen und Neutronen von einem Zielatom „abspaltet“. Das Ergebnis einer solchen Spaltung oder Spaltung ist ein starker Neutronenfluss (Protonen werden im Zielmaterial gehemmt). Mit dieser Methode können Sie die Neutronenhelligkeit zehnmal höher als in den leistungsstärksten Reaktoren sowie einige Chips wie die zeitliche Profilierung der Leistung eines Stroms und seine Unterbrechung erzielen, die manchmal von Physikern benötigt werden.


Verschiedene Anwendungen von Neutronen als Sondierungsstrahlung.

Was kann eine solche Quelle geben? Tatsache ist, dass Neutronen eine einzigartige Sonde für die Untersuchung von Materie im Nanobereich sind. Dies sind keine geladenen Teilchen, was bedeutet, dass sie leicht in jedes Material eindringen können - sei es ein leichtes Polymer oder schwerer Stahl. Neutronen werden jedoch aufgrund von Wechselwirkungen mit dem Atomkern und magnetischen Momenten gestreut, was bedeutet, dass die Beobachtung von Beugungsmustern es uns ermöglicht, die innere Struktur komplexer Kristalle, Polymere und anderer regulärer Strukturen zu verstehen. Mit der Neutronenspektrometrie können Sie dynamische Prozesse verfolgen - zum Beispiel viele biomolekulare Prozesse, die Reaktion von Materialien auf mechanische Belastungen im Maßstab von Atomensembles, elektrochemische Prozesse in beispielsweise Lithium-Ionen-Batterien und sogar unerwartete Dinge wie thermochemische Prozesse im Schweißprozess.Darüber hinaus hat ein Neutron ein magnetisches Moment, und durch die Polarisation von Neutronen kann man viele Magnetoquanteneffekte beobachten - zum Beispiel einen Übergang in einen supraleitenden Zustand, Spinphänomene, Quantenflüssigkeiten usw. Die Neutronenphysik wird heute routinemäßig in der angewandten Forschung in der Molekularbiologie, der Schaffung neuer Materialien, der Verbesserung der Eigenschaften von Batterien und Datenspeichersystemen, der Halbleitertechnologie und der Entwicklung neuer Supraleiter eingesetzt. In diesem Fall werden hauptsächlich thermische, kalte und ultrakalte Neutronen verwendet.Verbesserung der Eigenschaften von Batterien und Speichersystemen, Halbleitertechnologie und Entwicklung neuer Supraleiter. In diesem Fall werden hauptsächlich thermische, kalte und ultrakalte Neutronen verwendet.Verbesserung der Eigenschaften von Batterien und Speichersystemen, Halbleitertechnologie und Entwicklung neuer Supraleiter. In diesem Fall werden hauptsächlich thermische, kalte und ultrakalte Neutronen verwendet.


Ein Beispiel für die Untersuchung der Verteilung von Elementen in einer funktionierenden Lithium-Ionen-Batterie mit Neutronenmethoden.

Schließlich ist die „Neutronenaktivierungsanalyse“, eine zerstörungsfreie Methode, die es ermöglicht, die Zusammensetzung der Probe und die räumliche Verteilung der darin enthaltenen Verunreinigungen aufgrund der Aktivierung (Umwandlung in ein radioaktives Isotop bei Absorption eines Neutrons) von Atomen und anschließender gammastrahlenspektroskopischer Untersuchung ihres Zerfalls fein zu bestimmen, geringfügig von der obigen entfernt.

Die Notwendigkeit einer neuen High-Tech-Neutronenquelle in Europa erklärt sich sowohl aus der Veralterung der in den 60er und 70er Jahren gebauten Reaktoren als auch aus ihrer rein physikalischen Alterung aufgrund ihres Ausfalls.


Verschiedene Neutronenquellen: grünes Radioisotop, blauer Reaktor und roter Beschleuniger.

Schauen wir uns nun die technische Essenz von ESS an: Der

wissenschaftliche Komplex ist in drei Teile unterteilt - ein Labor mit 22 Positionen für wissenschaftliche Instrumente mit extrahierten Neutronenstrahlen, der Monolith-Zielkomplex, in dem Neutronen erzeugt, gekühlt und verteilt werden, und der Linac-Beschleuniger, der Protonen zum Ziel beschleunigt wo sie Neutronen "abplatzen".


In der Mitte des ESS-Komplex-Renderings streckte sich ein 600-Meter-Linearbeschleuniger und ruhte rechts an den Ziellaborgebäuden

Der ESS-Linearbeschleuniger arbeitet in einem gepulsten Modus und beschleunigt das Protonengerinnsel 14 Mal pro Sekunde. Die Protonenenergie am Ausgang beträgt 2 GeV, und die Beschleunigerleistung zum Zeitpunkt des Durchgangs des Bündels kann 125 Megawatt erreichen (im Durchschnitt werden nur 5 Megawatt Energie im Strahl und 19 vom Beschleuniger selbst verbraucht). Das derzeit etablierte Schema zum Bau solcher Anlagen impliziert die Trennung in eine Ionenquelle, einen vorbereitenden "warmen" Teil und einen supraleitenden Hauptbeschleuniger. Der supraleitende Teil wird benötigt, um eine größere Intensität des Beschleunigungsfeldes zu erzeugen - denn mit der Beschleunigung passieren Protonen die Anlage schneller und haben weniger Zeit für die Energieübertragung auf sie. Der ESS-Beschleuniger ist eine 602 Meter lange Vakuumröhre, an der Beschleunigungs-, Fokussierungs- und Steuerelemente getragen werden.


Baustelle ESS. In der Mitte des Rahmens sehen Sie den langen Tunnel, in dem sich der Beschleuniger und der Aufbau von Mikrowellenenergiequellen sowie der Beschleuniger-

Kryokomplex befinden. Die nächste Fokussierungsstruktur des Medium Energy Beam Transport (MEBT) mit einer Länge von 3,9 Metern entspricht dem Beschleunigerabschnitt unter Verwendung der klassischen Technologie der Drift Tube Linac-Driftröhren ( DTL). Hier steigt die Protonenenergie von 3,6 auf 90 MeV und die Länge dieses Teils beträgt 32 Meter. Die Beschleunigung erfolgt auch durch ein elektromagnetisches Feld.


Eine charakteristische Ansicht eines Linearbeschleunigers mit Driftröhren.

Tatsächlich verwenden alle modernen „großen“ Beschleuniger dieselbe Methode zur Beschleunigung geladener Teilchen mit einem phasengesteuerten elektromagnetischen Feld, das von leistungsstarken Funkröhren - meistens Klystrons - angeregt wird. Es gibt jedoch viele Strukturen, die die Energie des Feldes der direkt beschleunigten Materie übertragen, die erfunden wurden und vor allem nicht in ihnen verwechselt werden.


Beispielsweise werden solche Zwei-Speichen-Resonatoren in der ersten Stufe des supraleitenden Teils des ESS-Beschleunigers verwendet.

Nachdem im ersten Teil des Beschleunigers ausreichend Energie gewonnen wurde, gelangen Protonen in ein System supraleitender Niobresonatoren, die mit zunehmender Frequenz in mehrere Gruppen unterteilt sind. Mit der Supraleitung können Sie mit geringen Verlusten die höchsten elektromagnetischen Feldstärken erzielen. In supraleitenden Modulen tritt die Hauptbeschleunigung auf - von 90 auf 2000 MeV. Resonatoren sind Hohlräume komplexer Form verschiedener Typen, in denen ein elektromagnetisches Feld mit sehr hoher Spannung (bis zu 40 Megavolt / Meter) konzentriert ist, wobei das Beschleunigungspotential auf dem Niveau von 15 bis 20 MeV / Meter des Beschleunigers gehalten wird.


Ein Vakuum-Kryostat, in dem sich ähnliche Resonatoren und Hilfsinstrumente zur Messung der Qualität eines Protonenstrahls befinden

Zweiband- und elliptische Resonatoren sind mit Gruppen gepulster Klystrons mit einer Spitzenleistung von etwa 140 Megawatt verbunden, und dieses gesamte System ist mit einer Genauigkeit von Nanosekunden abgestimmt, um eine genaue Verteilung der elektromagnetischen Felder entlang des Linac zu erzeugen. Nach dem Durchgang des Beschleunigers hat jeder Protonenbündel eine Energie nahe 2000 MeV, eine Dauer von etwa 1 Millisekunde, einen Impulsstrom von 62 mA und eine Wiederholungsrate von 14 Hertz (d. H. Protonen sind 1 ms von 71,4).


Das allgemeine Layout der ESS-Elemente und ihre Kosten.

Dieser Haufen stößt mit einer Geschwindigkeit nahe der Lichtgeschwindigkeit gegen ein spezielles Ziel - ein 4-Tonnen-Wolframrad mit einem Durchmesser von 2,5 Metern, das aus 36 Läppchen besteht und sich mit einer solchen Geschwindigkeit dreht, dass jeder nächste Protonenimpuls in den nächsten Läppchen fällt (d. H. ca. 1 Umdrehung in 2,5 Sekunden).


Zielrad ESS. Übrigens liegt das Ziel einer solchen Quelle viel häufiger in Form eines Reservoirs mit flüssigem Metall vor.

Protonen spalten Wolframkerne und verursachen einen starken Ausbruch von fliegenden Trümmern, Protonen, Neutronen, Myonen usw. usw. Geladene Partikel werden im Rad selbst abgebremst (die thermische Belastung des Ziels beträgt fast 5 Megawatt, es verfügt also über ein komplexes Kühlsystem mit gasförmigem Helium) und der umgebende Stahlbeton-Bioprotektion mit einem Gewicht von 6.000 Tonnen, der als „Monolith“ bezeichnet wird. Nur Neutronen, die nahezu frei durch Materie laufen, werden von einem reflektierenden Verzögerungssystem erfasst, das sich über und unter dem Rad befindet.


Das reflektierende Verzögerungssystem kann von dem Punkt entfernt werden, an dem der Strahl am Ziel ankommt, um das Wolframrad zu ersetzen (einmal alle 5 Jahre, wenn sich das Material verschlechtert).

Dies ist das Schlüsselsystem des Komplexes - es funktioniert mit der Neutronen-Taschenlampe, die alle ESS-Instrumente betrachten. In einem speziell entworfenen Hohlraum des Berylliumreflektors befinden sich Hohlräume eines Wasservormoderators und des Hauptmoderators mit flüssigem Wasserstoff bei einer Temperatur von 20 K. Der Moderator befindet


sich in den Trommeln über und unter dem Rad. Blau ist Wasser, Blau ist flüssiger Wasserstoff. Das Kreuz in der Mitte ist die Quelle von Neutronen.

"Heiße" Neutronen geben zunächst den Wasserstoffkernen (in Wasser oder Wasserstoffmolekülen) ihren Impuls, die auf Temperaturen von mehreren zehn Kelvin abkühlen. Je niedriger die Geschwindigkeit, desto länger die Wellenlänge und desto größer die Positionsunsicherheit. Die Neutronen werden so gekühlt, dass ihre Wellenlänge zunimmt und mit dem Abstand zwischen den Atomen in der Probe vergleichbar wird und das Beugungsmuster unterscheidbar wird. Und selbst nach dem Abkühlen mit flüssigem Wasserstoff ist die Wellenlänge für die meisten Neutronen zu kurz, sodass Sie nur den kleinen Anteil auswählen müssen, der sich auf den „Schwanz“ der Maxwell-Verteilung mit extrem niedrigen Energien bezieht (dank Antiwasserstoff zur Klärung). Tatsächlich beträgt bei solchen Temperaturen die Wellenlänge und Auflösung des Neutronenbildes Zehntel Nanometer, d.h. in der Tat sind in der Grenze einzelne Atome.
Vier Tanks mit einem Wasserstoffmoderator werden von 4 Neutronenquellen gebildet, die durch Sätze von Neutronenführungen (Stahlrohre mit einer mehrschichtigen Innenbeschichtung einer speziellen Form, die tatsächlich durch Spiegeloptik betrieben wird) entfernt werden.


Neutronenausgangsleitungen eines reflektierenden Verzögerungssystems.

Von den Schwerpunkten des Moderators aus fächern sich 42 Neutronenführungen auf, von denen 22 in der ersten Phase des Labors verwendet werden, und weitere 20 bleiben für weitere Upgrades übrig. Neutronenführungen sind bis zu 160 Meter lang und durchlaufen viele Geräte: Verschlüsse, die die erforderliche „Verschlusszeit“ bieten, rotierende Zerhacker, schneiden das Profil und bieten einen stroboskopischen Modus für dynamische Messungen sowie Monochromatoren, die die Neutronenführung nacheinander überlappen, sodass nur Neutronen die Probe und das Gerät erreichen eine Geschwindigkeit (= Energie, d. h. Bereitstellung der Freisetzung eines bestimmten Spektrums von Neutronen).

Eine gute Vorstellung vom Betrieb einer typischen Station mit Neutronenoptik und einem Detektor, der sofort die räumliche, Amplituden- und Spektralverteilung von Neutronen bestimmt, die mit der Probe interagieren, ergibtHier ist dieses interaktive Bild .


Alle zusammen. Oben links befindet sich ein „Monolith“ mit Protoneneingang (links) und Neutronenausgang (rechts) unterhalb einer Neutronenführung mit Optik und Bioprotektion.


Und so sehen Neutronenführungen aus.

Derzeit werden 16 Instrumente für 22 Positionen ausgewählt, die nach Forschungsmethoden gruppiert sind. Ich denke, es wird interessanter sein, die Forschungsmethoden genauer zu betrachten.


ESS-Neutronenkomplex in Gebäuden (die zweite Gebäudehälfte ist nicht dargestellt).

Im Allgemeinen reduziert sich die Arbeit an solchen Einrichtungen auf die Wechselwirkung des hergestellten Neutronenflusses mit der Probe und auf die Untersuchung der räumlichen, Amplituden- und Spektralverteilung von Neutronen, die mit der Probe interagieren. Die einfachste Option ist eine Neutronenkamera, die im Prinzip einem Röntgensystem ähnelt. Im ESS-Labor ist dieses Tool ODIN. Es verwendet das Prinzip einer Lochkamera, ist mit Monochromatoren und Polarisatoren ausgestattet, um Bilder in einem Neutronenstrahl unterschiedlicher Energie und Polarisation zu erhalten, und hat eine extrem hohe räumliche Auflösung (Einheiten von Mikrometern pro Pixel). Das Hauptaugenmerk des Geräts liegt auf der Biologie, Verteilung und dem Transport von Wasserstoff in Proben. In der Technik kann das Gerät jedoch auch von Vorteil sein. Beispielsweise kann bei seiner Verwendung die Materialwissenschaft beim Stahlschweißen beobachtet werden.


ODIN …


. (pinhole) , .

Der zweite wichtige methodische Ansatz ist die Untersuchung der Neutronenbeugung an einer regulären Kristallstruktur sowie der Kleinwinkelstreuung an Filmen. Beide Methoden können die räumliche Anordnung der Atome in den Molekülen des untersuchten Kristalls oder Films aus den resultierenden Helligkeitsspitzen wiederherstellen. Für diese Aufgaben wird ESS sofort eine Masse von SKADI- und LoKI-Werkzeugen zur Untersuchung von Filmen und Oberflächen durch Kleinwinkelstreuung verwenden, MAGiC zur Untersuchung der Neutronenbeugung an Einkristallen, HEIMDAL und DREAM zur Pulverbeugung, NMX zur Untersuchung der Beugung an Kristallen großer biologischer Moleküle (z. Wiederherstellung der Struktur von Proteinmolekülen (wie durch Röntgenanalyse).


NMX verwendet Roboterarme, um die Detektoren zu bewegen.

Ein BIER-Werkzeug zur gleichzeitigen Untersuchung der mikrokristallinen Struktur von Materialien und ihres Verhaltens während der Arbeit mit der Analyse charakteristischer Wechselwirkungsenergien. Dies ist nützlich, um neue Faserfundamente aus Verbundwerkstoffen, neuen Metalllegierungen sowie Forschungen auf dem Gebiet der Batteriematerialien zu erhalten.




Oft sind Neutroneninstrumente mit Kryo-Vakuum-Probengefäßen ausgestattet. Sie verwenden High-Tech-Probenhalter auf ihre eigene Weise.

Die nächste Gruppe von Geräten sind Reflektometer, die die Reflexion von Neutronen von den Oberflächen von Proben untersuchen. Für ESS sind dies FREIA und ESTIA. Diese Technik wird verwendet, um Informationen über die Dichte, Dicke, Rauheit und magnetischen Eigenschaften dünner Beschichtungen und Filme bis zur Atomdicke zu erhalten. Zusätzlich zu offensichtlichen Anwendungen in der Technik werden solche Werkzeuge bei der Untersuchung biologischer Membranen verwendet. Beispielsweise wird FREIA mit Filmen auf der Oberfläche einer Flüssigkeit arbeiten.


Ein Beispiel für ein Kleinwinkelreflektometer, das mit Filmen auf Flüssigkeit arbeitet. Der Neutroneneingang und die Optik befinden sich rechts, der Probenpositionierer links von der Mitte und die Detektoreinheit links.

Schließlich wird die endgültige Überprüfungstechnik - spektrometrische Studien - durch die größte Anzahl von Instrumenten dargestellt. Mit der Spektroskopie können Sie die Dynamik und Kinetik von Atomen in einer Probe untersuchen, da einfallende Neutronen ungefähr die gleiche Energie haben wie die Energie der Bindungen zwischen Atomen in Kristallen und biologischen Molekülen. Die Spektroskopie in der Neutronentechnologie ist direkt, wenn die Probe von Neutronen mit einer sich allmählich ändernden Wellenlänge beleuchtet wird, und zurück, wenn eine „weiße“ Neutronenquelle verwendet wird und die spektrale Antwort aus der Zeit berechnet wird, in der die Neutronen von der Probe zu den Detektoren wandern. Direkte Spektrometer in ESS sind VOR-, C-SPEC- (mit kalter Neutronenoptik), T-REX- und MIRACLES-Instrumente.


Hier ist ein Beispiel für die Verwendung von Neutronendiffraktometern zur Untersuchung der Restspannung in einer Gasturbinenscheibe.

Komplexere Spektroskope mit inverser Geometrie werden von BIFROST und VESPA vorgestellt. Letzteres ist auf die Untersuchung der Schwingungsmoden von Molekülen spezialisiert, was für die Suche nach neuen hochenergetischen Substanzen - Brennstoffen, Sprengstoffen, Batteriechemie - sehr interessant ist.


Bau einer europäischen Spa-Quelle Ende 2015

Der prächtige Komplex der Neutronenphysik ESS befindet sich derzeit im Bau und wird noch mindestens zwei Jahre dauern. Erst zu Beginn des Jahres 2018 wird mit der Installation der Hauptausrüstung begonnen. Ab 2019 soll der erste Beschleuniger, dann das Ziel und ab 2020 die wissenschaftlichen Instrumente eingeführt werden. Bis 2023 sollte der Komplex seinen normalen Betrieb aufnehmen und jedes Jahr Hunderte von Experimenten durchführen.

Source: https://habr.com/ru/post/de389279/