Sumber fisi Eropa

Salah satu mega-alat ilmiah paling menarik yang sedang dibangun saat ini adalah European Spallation Source (ESS), yang saat ini sedang dibangun di kota Lund, Swedia. Sumber neutron percepatan ini termasuk dalam "empat yang luar biasa" dari fasilitas baru yang terkait dengan fisika neutron: MBIR , reaktor JHR dan reaktor akselerator IFMIF / EVEDA dan ESS.


Salah satu konsep arsitektur bangunan lab ESS

Tetapi tidak seperti tiga yang sebelumnya yang mempelajari sifat-sifat materi dalam fluks neutron daya tinggi seperti yang diterapkan pada teknologi nuklir dan termonuklir, ESS bertujuan untuk menggunakan neutron untuk studi yang halus tentang sifat-sifat materi. Neutold dingin dan ultracold adalah alat probing yang luar biasa kuat - tanpa biaya, mereka dengan mudah menembus sampel, dan metode canggih untuk mendeteksi dan memproses informasi memungkinkan kita untuk mempelajari banyak fenomena statis dan dinamis pada tingkat atom.


Difraktometer neutron dari sumber akselerator ISIS yang serupa. Tabung kuning adalah detektor neutron yang mengukur fluks neutron.

Hari ini kita terutama akan berbicara tentang sisi rekayasa ESS dan aplikasi dari akuisisi terakhir fisika neutron ini.
Pertama-tama, kembali ke judul "Sumber membelah Eropa (salting)". Fisikawan menyebut proses pengasinan ketika sebuah partikel yang energetik “membelah” sejumlah proton dan neutron dari atom target. Hasil dari pembelahan atau pemisahan tersebut adalah fluks neutron yang kuat (proton dihambat dalam bahan target). Metode ini memungkinkan Anda untuk mendapatkan kecerahan neutron sepuluh kali lebih tinggi daripada di reaktor paling kuat, serta beberapa chip seperti profil kekuatan aliran waktu dan diskontinuitas, yang kadang-kadang dibutuhkan oleh fisikawan.


Aplikasi neutron yang berbeda sebagai radiasi yang menyelidik.

Apa yang bisa diberikan sumber seperti itu? Faktanya adalah bahwa neutron adalah penyelidikan unik untuk mempelajari materi pada skala nano. Ini bukan partikel bermuatan, yang berarti mereka dengan mudah menembus bahan apa pun - baik itu polimer ringan atau baja berat. Namun, neutron tersebar karena interaksi dengan inti atom dan momen magnetik, yang berarti bahwa pengamatan pola difraksi memungkinkan kita untuk memahami struktur internal kristal kompleks, polimer, dan struktur reguler lainnya. Spektrometri neutron memungkinkan Anda melacak proses dinamis - misalnya, banyak proses biomolekul, reaksi bahan terhadap beban mekanis pada skala ensembel atom, proses elektrokimia dalam, katakanlah, baterai lithium-ion, dan bahkan hal-hal yang tidak terduga seperti proses termokimia dalam proses pengelasan.Selain itu, neutron memiliki momen magnetik, dan dengan polarisasi neutron orang dapat mengamati banyak efek magneto-kuantum - misalnya, transisi ke keadaan superkonduktor, fenomena putaran, cairan kuantum, dll. Saat ini, fisika neutron secara rutin digunakan dalam penelitian terapan dalam biologi molekuler, pembuatan bahan baru, peningkatan sifat baterai dan sistem penyimpanan data, teknologi semikonduktor, dan pengembangan superkonduktor baru. Dalam hal ini, neutron termal, dingin, dan ultracold digunakan.meningkatkan sifat baterai dan sistem penyimpanan, teknologi semikonduktor dan pengembangan superkonduktor baru. Dalam hal ini, neutron termal, dingin, dan ultracold digunakan.meningkatkan sifat baterai dan sistem penyimpanan, teknologi semikonduktor dan pengembangan superkonduktor baru. Dalam hal ini, neutron termal, dingin, dan ultracold digunakan.


Contoh studi dengan metode neutron tentang distribusi elemen dalam baterai lithium-ion yang berfungsi.

Akhirnya, "analisis aktivasi neutron", metode non-destruktif yang memungkinkan untuk menentukan komposisi sampel dan distribusi spasial pengotor di dalamnya karena aktivasi (konversi menjadi isotop radioaktif setelah penyerapan neutron) atom dan penyelidikan spektroskopi sinar gamma selanjutnya dari peluruhan mereka, agak jauh dari yang di atas.

Kebutuhan akan sumber neutron berteknologi tinggi baru di Eropa dijelaskan oleh keusangan reaktor yang dibangun pada tahun 60an dan 70an, dan penuaan fisik semata-mata karena kegagalannya.


Berbagai sumber neutron: radioisotop hijau, reaktor biru dan akselerator merah.

Sekarang mari kita lihat esensi rekayasa ESS:

kompleks ilmiah dibagi menjadi 3 bagian - laboratorium dengan 22 posisi untuk instrumen ilmiah dengan balok neutron yang diekstraksi, kompleks target Monolith, di mana neutron dihasilkan, didinginkan dan didistribusikan, dan akselerator Linac yang mempercepat proton ke target di mana mereka "chip" neutron.


Di tengah-tengah render kompleks ESS, akselerator linier 600 meter membentang, bersandar di kanan terhadap bangunan laboratorium target

Akselerator linear ESS beroperasi dalam mode berdenyut, mempercepat gumpalan proton 14 kali per detik. Energi proton pada output adalah 2 GeV, dan daya akselerator pada saat lewatnya gugus dapat mencapai 125 megawatt (rata-rata, ternyata hanya 5 megawatt energi dalam balok dan 19 dikonsumsi oleh akselerator itu sendiri). Skema yang saat ini ditetapkan untuk membangun fasilitas tersebut menyiratkan pemisahan menjadi sumber ion, bagian "hangat" persiapan, dan akselerator utama superkonduktor. Bagian superkonduktor diperlukan untuk menciptakan intensitas yang lebih besar dari bidang akselerasi - karena dengan akselerasi, proton melewati instalasi lebih cepat dan lebih sedikit waktu untuk transfer energi kepada mereka. Akselerator ESS adalah tabung vakum sepanjang 602 meter yang dipakai untuk mempercepat, memfokuskan, dan mengendalikan elemen.


ESS situs konstruksi. Di tengah-tengah bingkai Anda dapat melihat terowongan panjang di mana akselerator dan pembangunan sumber energi gelombang mikro dan

cryocomplex akselerator akan berada. Struktur fokus selanjutnya dari Medium Energy Beam Transport (MEBT) sepanjang 3,9 meter cocok dengan bagian akselerator menggunakan teknologi klasik dari tabung Drift Linac drift tubes ( DTL). Di sini, energi proton meningkat dari 3,6 menjadi 90 MeV, dan panjang bagian ini adalah 32 meter. Akselerasi juga terjadi oleh medan elektromagnetik.


Tampilan karakteristik akselerator linier dengan tabung melayang.

Sebenarnya, semua akselerator "besar" modern menggunakan metode yang sama untuk mempercepat partikel bermuatan dengan medan elektromagnetik bertahap, yang bersemangat dengan tabung radio yang kuat - paling sering klystron. Namun, ada banyak struktur yang mentransmisikan energi bidang percepatan langsung yang telah ditemukan, dan yang paling penting, jangan bingung di dalamnya.


Sebagai contoh, resonator dua-bicara semacam itu akan digunakan pada tahap pertama bagian superkonduktor dari akselerator ESS.

Setelah mendapatkan energi yang cukup di bagian pertama akselerator, proton masuk ke dalam sistem resonator niobium superkonduktor yang dibagi menjadi beberapa kelompok dengan frekuensi yang meningkat. Superkonduktivitas memungkinkan Anda untuk mencapai kekuatan medan elektromagnetik tertinggi dengan kerugian kecil. Dalam modul superkonduktor itulah akselerasi utama terjadi - dari 90 hingga 2000 MeV. Resonator adalah rongga dengan bentuk kompleks dari beberapa jenis, di mana medan elektromagnetik dengan tegangan sangat tinggi (hingga 40 megavolt / meter) terkonsentrasi, menjaga potensi akselerasi pada level 15-20 MeV / meter akselerator.


Sebuah cryostat vakum di mana resonator dan instrumen bantu serupa untuk mengukur kualitas berkas proton berada

Resonator dua-band dan elips terhubung ke kelompok klystron berdenyut dengan kekuatan puncak sekitar 140 megawatt dan seluruh sistem ini disetel dengan akurasi nanosecond untuk membuat distribusi akurat medan elektromagnetik sepanjang linac. Setelah akselerator lewat, setiap gugus proton memiliki energi mendekati 2000 MeV, durasi sekitar 1 milidetik, arus pulsa 62 mA, dan tingkat pengulangan 14 hertz (mis., Proton adalah 1 ms dari setiap 71,4).


Tata letak umum elemen ESS dan biayanya.

Tandan ini dengan kecepatan mendekati kecepatan cahaya menabrak target khusus - roda tungsten 4-ton dengan diameter 2,5 meter, terdiri dari 36 lobulus dan berputar dengan kecepatan sedemikian rupa sehingga setiap pulsa proton berikutnya jatuh ke lobulus berikutnya (mis. sekitar 1 revolusi dalam 2,5 detik).


Roda Target ESS. Ngomong-ngomong, lebih sering target dari sumber seperti itu adalah dalam bentuk reservoir dengan logam cair.

Proton membelah inti tungsten sehingga menimbulkan ledakan kuat puing terbang, proton, neutron, muon, dll. dll. Partikel bermuatan melambat di roda itu sendiri (beban termal pada target hampir 5 megawatt, sehingga memiliki sistem pendingin kompleks dengan gas helium) dan bioproteksi baja-beton di sekitarnya dengan berat 6.000 ton, yang disebut "monolith". Hanya neutron yang melewati hampir bebas melalui materi yang ditangkap oleh sistem perlambatan reflektif yang terletak di atas dan di bawah roda.


Sistem reflektif-perlambatan dapat dilepas dari titik di mana balok tiba di target untuk mengganti roda tungsten (setiap 5 tahun sekali, saat material terdegradasi).

Ini adalah sistem kunci kompleks - inilah yang bekerja dengan "senter" neutron, yang dilihat oleh semua instrumen ESS. Dalam rongga reflektor berilium yang dirancang khusus terdapat rongga pra-moderator air dan moderator utama dengan hidrogen cair pada suhu 20 K. Moderator


terletak di drum di atas dan di bawah roda. Biru adalah air, biru adalah hidrogen cair. Salib di tengah adalah sumber neutron.

Neutron "panas" pada awalnya memberikan momentumnya pada inti hidrogen (dalam molekul air atau hidrogen) yang mendingin hingga suhu beberapa puluh Kelvin. Semakin rendah kecepatan, semakin lama panjang gelombang dan semakin besar ketidakpastian posisi. Neutron didinginkan sehingga panjang gelombangnya meningkat dan menjadi sebanding dengan jarak antara atom dalam sampel dan pola difraksi menjadi dapat dibedakan. Dan bahkan setelah didinginkan dengan hidrogen cair, untuk sebagian besar neutron panjang gelombangnya terlalu pendek, jadi Anda harus memilih hanya sebagian kecil yang berhubungan dengan "ekor" distribusi Maxwell dengan energi sangat rendah (berkat antihidrogen untuk klarifikasi). Sebenarnya pada suhu seperti itu, panjang gelombang dan resolusi gambar neutron adalah sepersepuluh dari nanometer, yaitu sebenarnya, dalam batasnya adalah atom tunggal.
Empat tangki dengan moderator hidrogen dibentuk oleh 4 sumber neutron, yang merupakan output melalui set panduan neutron (yang merupakan pipa baja dengan lapisan dalam multilayer dengan bentuk khusus, yang sebenarnya beroperasi dengan cermin optik).


Jalur output neutron dari sistem perlambatan reflektif.

Dari titik fokus moderator, 42 panduan neutron menyebar, 22 di antaranya akan digunakan pada fase pertama laboratorium, dan 20 lainnya tersisa untuk peningkatan lebih lanjut. Panduan Neutron hingga 160 meter dan melewati banyak perangkat: jendela yang memberikan "kecepatan rana" yang diperlukan, helikopter berputar, memotong profil dan menyediakan mode stroboskopik untuk pengukuran dinamis, dan monokromator yang tumpang tindih dengan panduan neutron secara berurutan sehingga hanya neutron yang mencapai sampel dan perangkat satu kecepatan (= energi, mis. memberikan pelepasan spektrum neutron tertentu).

Ide yang baik tentang pengoperasian stasiun tipikal dengan optik neutron dan detektor yang segera menentukan distribusi spasial, amplitudo, dan spektral neutron yang berinteraksi dengan sampel memberikandi sini adalah gambar interaktif ini .


Semuanya ada di tempatnya. Di kiri atas adalah "monolith" dengan input proton (kiri) dan keluar neutron (kanan), di bawah panduan neutron dengan optik dan bioproteksi.


Dan inilah yang terlihat seperti panduan neutron.

Saat ini, 16 instrumen dipilih untuk 22 posisi, yang dikelompokkan berdasarkan metode penelitian. Saya pikir akan lebih menarik untuk melihat secara khusus pada metode penelitian.


Kompleks neutron ESS dalam bangunan (bagian kedua bangunan tidak diperlihatkan).

Secara umum, pekerjaan di fasilitas tersebut direduksi menjadi interaksi fluks neutron yang disiapkan dengan sampel dan untuk mempelajari distribusi spasial, amplitudo, dan spektral neutron yang berinteraksi dengan sampel. Pilihan paling sederhana adalah kamera neutron, mirip dengan sistem x-ray pada prinsipnya. Di lab ESS, alat ini adalah ODIN. Ini menggunakan prinsip kamera lubang jarum, dipersenjatai dengan monokromator dan polarizer untuk mendapatkan gambar dalam berkas neutron energi dan polarisasi yang berbeda dan memiliki resolusi spasial yang sangat tinggi (unit mikron per piksel). Fokus utama perangkat ini adalah biologi, distribusi, dan transportasi hidrogen dalam sampel, namun, dalam rekayasa, perangkat ini juga dapat bermanfaat - misalnya, dapat digunakan untuk mengamati ilmu material selama pengelasan baja.


ODIN …


. (pinhole) , .

Pendekatan metodologis penting kedua adalah studi tentang difraksi neutron pada struktur kristal biasa, serta hamburan sudut kecil pada film - kedua metode ini dapat mengembalikan pengaturan spasial atom dalam molekul kristal yang dipelajari atau film dari puncak kecerahan yang dihasilkan. Untuk tugas-tugas ini, ESS akan segera menggunakan alat SKADI dan LoKI untuk mempelajari film dan permukaan dengan hamburan sudut kecil, MAGiC untuk mempelajari difraksi neutron pada kristal tunggal, HEIMDAL dan MIMPI untuk difraksi bubuk, NMX untuk mempelajari difraksi pada kristal molekul biologis besar (misalnya, restorasi struktur molekul protein, seperti yang dilakukan oleh analisis x-ray).


NMX akan menggunakan lengan robot untuk memindahkan detektor.

Alat BEER untuk mempelajari secara simultan struktur material mikrokristalin dan perilaku mereka selama bekerja dengan analisis energi interaksi karakteristik. Ini berguna untuk mendapatkan dasar serat baru dari bahan komposit, paduan logam baru, serta penelitian di bidang bahan baterai.




Seringkali instrumen neutron dilengkapi dengan wadah sampel cryo-vakum. Mereka menggunakan pemegang sampel teknologi tinggi dengan cara mereka sendiri.

Kelompok perangkat berikutnya adalah reflektometer yang mempelajari pantulan neutron dari permukaan sampel. Untuk ESS, ini adalah FREIA dan ESTIA. Teknik ini digunakan untuk memperoleh informasi tentang kerapatan, ketebalan, kekasaran, dan sifat magnetik lapisan dan film tipis, hingga ketebalan atom. Selain aplikasi yang jelas dalam rekayasa, alat-alat tersebut digunakan dalam studi membran biologis, misalnya, FREIA akan bekerja dengan film pada permukaan cairan.


Contoh perangkat reflektometer sudut kecil yang bekerja dengan film pada cairan. Input dan optik neutron ada di kanan, positioner sampel di sebelah kiri tengah, dan unit detektor di sebelah kiri.

Akhirnya, teknik ulasan akhir - studi spektrometri diwakili oleh jumlah instrumen terbesar. Spektroskopi memungkinkan Anda untuk mempelajari dinamika dan kinetika atom dalam sampel, karena fakta bahwa neutron memiliki energi yang kira-kira sama dengan energi ikatan antara atom dalam kristal dan molekul biologis. Spektroskopi dalam teknologi neutron langsung ketika sampel diterangi oleh neutron dengan panjang gelombang yang berubah secara bertahap dan kembali ketika sumber neutron "putih" digunakan dan respons spektral dihitung dari saat neutron bergerak dari sampel ke detektor. Spektrometer langsung dalam ESS adalah instrumen VOR, C-SPEC (dengan optik neutron dingin), T-REX, dan MIRACLES.


Berikut adalah contoh penggunaan difraktometer neutron untuk mempelajari tegangan sisa dalam cakram turbin gas.

Spektroskopi geometri terbalik yang lebih kompleks akan disajikan oleh BIFROST dan VESPA. Yang terakhir mengkhususkan diri dalam studi mode getaran molekul, yang sangat menarik untuk mencari zat berenergi baru - bahan bakar, bahan peledak, kimia baterai.


Pembangunan sumber spa Eropa pada akhir 2015

Kompleks luar biasa dari fisika neutron ESS sekarang berada pada tahap konstruksi bangunan, dan konstruksi akan berlangsung setidaknya dua tahun lagi. Hanya pada awal 2018 akan dimulai pemasangan peralatan utama, dan mulai 2019 direncanakan untuk fase akselerator pertama, kemudian target dan, mulai tahun 2020, instrumen ilmiah. Pada tahun 2023, kompleks tersebut akan mulai beroperasi secara normal, menyediakan ratusan percobaan setiap tahun.

Source: https://habr.com/ru/post/id389279/