Европейский расщепительный источник
Одним из самых интересных строящихся сегодня научных мегаинструментов является Европейский Расщепительный Источник (European Spallation Source - ESS), который возводится сейчас в шведском городе Лунд. Этот ускорительный источник нейтронов входит в “великолепную четверку” новых установок связанных с нейтронной физикой: реакторов МБИР, JHR и ускорительных IFMIF/EVEDA и ESS.
Один из архитектурных концептов здания лаборатории ESS
Но в отличии от трех предыдущих, изучающих свойства материи в мощных нейтронных потоках применительно к ядерным и термоядерным технологиям ESS нацелен на использование нейтронов для тонкого исследования свойств материи. Холодные и ультрахолодные нейтроны являются фантастически мощным зондирующим инструментом - лишенные заряда, они легко проникают сквозь образец, а изощренные методы детектирования и обработки информации позволяют изучать множество статических и динамических явлений на атомном уровне.
Нейтронный дифрактометер похожего ускорительного источника ISIS. Желтые трубки - нейтронные детекторы, позволяющие измерять поток нейтронов.
Сегодня мы поговорим в основном об инженерной стороне ESS и областях применения этого новейшего приобретения нейтронной физики.
Прежде всего вернемся к названию “Европейский расщепительный (спалляционный) источник”. Спалляцией физики называют процесс, когда энергичная частица “скалывает” с атома мишени “горсть” протонов и нейтронов. Результат такого скалывания или раскалывания - мощный поток нейтронов (протоны тормозятся в материале мишени). Такой метод позволяет получить нейтронную яркость в десятки раз выше, чем в самых мощных реакторах, а так же некоторые фишки вроде профилирования мощности потока по времени и его прерывистость, которая порой нужна физикам.
Разные области применения нейтронов, как зондирующего излучения.
Что может дать такой источник? Дело в том, что нейтроны уникальный зонд для исследования материи на наномасштабе. Это не заряженные частицы, а значит они легко проникают в любой материл - будь это легкий полимер или тяжелая сталь. Однако нейтроны рассеиваются на за счет взаимодействия с ядром атомов и магнитными моментами, а значит наблюдение дифракционных картин позволяет понять внутреннюю структуру сложных кристаллов, полимеров и прочих регулярных структур. Спектрометрия нейтронов позволяет отслеживать динамические процессы - например множество биомолекулярных процессов, реакцию материалов на механическую нагрузку в масштабе ансамблей атомов, электрохимические процессы в, скажем, литий-ионных аккумуляторах и даже такие неожиданные вещи, как термохимические процессы в процессе сварки. Кроме того нейтрон обладает магнитным моментом и по поляризации нейтронов можно наблюдать множество магнтино-квантовых эффектов - например переход в сверхпроводящее состояние, спиновые явления, квантовые жидкости и прочее. Сегодня нейтронная физика рутинно используется в прикладных исследованиях в молекулярной биологии, создании новых материалов, улучшении свойств аккумуляторов и систем хранения данных, полупроводниковой технологии и разработке новых сверхпроводников. При этом используются в основном тепловые, холодные и ультрахолодные нейтроны.
Пример изучения нейтронными методами распределения элементов в работающей литий-ионной батарее.
Наконец, немного отстоящим от вышеперечисленного является “нейтронно-активационный анализ”, неразрушающий метод, позволяющий тонко определить состав образца и пространственное распределение примесей в нем за счет активации (превращения в радиоактивный изотоп при поглощении нейтрона) атомов и последующим гамма-спектроскопическим исследованием их распада.
Необходимость в новом высокотехнологичном нейтронном источнике в Европе объясняется как моральным устареванием реакторных, построенных в 60х-70х, так и чисто физическим их старением их выбытием из строя.
Различные источники нейтронов: зеленые радиоизотопные, синие реакторные и красные ускорительные.
Теперь давайте посмотрим на инженерную суть ESS:
Научный комплекс разделен на 3 части - лабораторию с 22 позициями для научных инструментов с выведенными пучками нейтронов, мишенный комплекс “Монолит”, где рождаются, охлаждаются и распределяются нейтроны и акселератор “Линак”, ускоряющий протоны в мишень, где они “скалывают” нейтроны.
Посередине рендера протянулся 600-метровый линейный ускоритель, упираясь в мишенно-лабораторный комплекс зданий ESS
Линейный акселератор ESS работает в импульсном режиме, ускоряя сгусток протонов 14 раз в секунду. Энергия протонов на выходе - 2 ГэВ, а мощность ускорителя в момент прохода сгустка может достигать 125 мегаватт (в среднем же получается всего 5 мегаватт энергии в пучке и 19 потребляемой самим ускорителем). Устоявшаяся на сегодня схема построения таких установок подразумевает разделение на источник ионов, подготовительную “теплую” часть и сверхпроводящий основной ускоритель. Сверхпроводящая часть нужна для создания большей напряженности ускоряющего поля - ведь по мере ускорения протоны все быстрее проходят установку и времени на передачу им энергии становится все меньше. Ускоритель ESS представляет собой вакуумную трубу длиной 602 метра, на которую надеты ускоряющие, фокусирующие и контролирующие элементы.
Для начала источнике протонов The Microwave Discharge Ion Source (MDIS) установленном на торце акселератора, водород ионизируется микроволновым излучением, и получившиеся протоны электростатически вытягиваются в фокусирующую систему 2-х метровую Low Energy Beam Transport (LEBT), которая подготавлявает пучок для входа в ускоритель. Первая секция ускорителя имеет длину всего 4,6 метра и называется The Radio-Frequency Quadrupole (RFQ) , где синхронизированным электромагнитным полем радиочастоты 353.21 МГц пучок ускоряется до энергии 3,62 МэВ. Кроме того, этот модуль “режет” непрерывный поток протонов на сгустки.
Стройплощадка ESS. Посередине кадра виден длинный туннель, где будет расположен ускоритель и здание микроволновых источников энергии и криокомплекс ускорителя
Следующая фокусирующая структура The Medium Energy Beam Transport (MEBT) длиной 3,9 метра производит согласование в ускорительную секцию выполненную по классической технологии трубок дрейфа The Drift Tube Linac (DTL). Здесь энергия протонов возрастает с 3,6 до 90 МэВ, а длина этой
части составляет 32 метра. Ускорение так же происходит электромагнитным полем.
Характерный вид линейного ускорителя с трубками дрейфа.
Собственно все современные “большие” ускорители используют один и тот же метод ускорения заряженных частиц сфазированным электромагнитным полем, которое возбуждается мощными радиолампами - чаще всего клистронами. Однако структур, которые передают энергию поля непосредственно ускоряемой материи придумано достаточно много, и главное - не запутаться в них.
Например, такие two-spoke резонаторы будут использоваться на первой стадии сверхпроводящей части ускорителя ESS.
После набора достаточной энергии в первой части ускорителя, протоны переходят в систему сверхпроводящих ниобиевых резонаторов разбитых на несколько групп с возрастающей частотой. Сверхпроводимость позволяет достигать высочайших напряженностей электромагнитного поля при небольших потерях. Именно в сверхпроводящих модулях происходит основное ускорение - с 90 до 2000 МэВ. Резонаторы представляют собой полости сложной формы нескольких типов, в которых сосредотачивается электромагнитное поле очень высокой напряженности (до 40 мегавольт/метр) поддерживая ускоряющий потенциал на уровне 15-20 МэВ/метр ускорителя.
Вакуумный криостат, в котором расположены подобные резонаторы и вспомогательные инструменты для измерения качества протонного луча
Двухполосные и эллиптические резонаторы подключены к группам импульсных клистронов пиковой мощностью порядка 140 мегаватт и вся эта система настроена с наносекундной точностью, что бы создать точное распределение электромагнитных полей вдоль линака. После прохода ускорителя каждый сгусток протонов имеет энергию близкую к 2000 МэВ, длительность в районе 1 миллисекунды, импульсный ток в 62 мА и частоту повторения 14 герц (т.е. протоны есть 1 мс из каждой 71,4).
Общаяя компоновка элементов ESS и их стоимость.
Этот сгусток на скорости, близкой к скорости света врезается в специальную мишень - 4-х тонное вольфрамовое колесо диаметром 2,5 метра, состоящее из 36 долек и вращающееся с такой скоростью, что каждый следующий импульс протонов приходится в следующую дольку (т.е. порядка 1 оборота за 2,5 секунды).
Колесо-мишень ESS. Кстати, гораздо чаще мишень подобного источника выполняется в виде прокачиваемого жидкого металла
Протоны раскалывают ядра вольфрама рождая мощный всплекс из разлетающихся обломков, протонов, нейтронов, мюонов и т.п. и т.д. Заряженные частицы тормозятся в самом колесе (тепловая нагрузка на мишень - почти 5 мегаватт, поэтому оно имеет сложную систему охлаждения газообразным гелием) и окружающей стале-бетонной биозащите весом 6000 тонн, называемой “монолит”. Только нейтроны, практически свободно проходящие через материю улавливаются отражающе-замедляющей системой, находящейся над и под колесом.
Отражающе-замедляющая система может быть убрана от места прихода луча в мишень для замены вольфрамового колеса (раз в 5 лет, по мере деградации материала).
Это ключевая система комплекса - именно она работает нейтронным “фонарем”, на который смотрят все инструменты ESS. В специально спроектированной полости бериллиевого отражателя расположены полости водного предзамедлителя и основного замедлителя с жидким водородом при температуре 20 К.
Замедлитель, находящийся в барабанах над и под колесом. Голубое - вода, синее - жидкий водород. Крестик в центре - источник нейтронов,
“Горячие” изначально нейтроны отдают свой импульс ядрам водорода (в воде или молекулах водорода) остывая до температур в несколько десятков кельвинов. Чем меньше скорость, тем больше длина волны и больше неопределенность положения. Нейтроны охлаждают для того, чтобы их длина волны увеличилась и стала соизмеримой с расстоянием между атомами в изучаемом образце и дифракционная картинка стала различимой. И даже после охлаждения жидким водородом у большинства нейтронов длина волны слишком мала, так что приходится отбирать только ту небольшую их долю, которая относится к "хвосту" максвелловского распределения с сверхнизкими энергиями (спасибо antihydrogen за разъяснение). Собственно при таких температурах длина волны и разрешение нейтронного изображения составляет десятые доли нанометра, т.е. фактически в пределе - единичные атомы.
Четыре бака с водородным замедлителем формирует 4 источника нейтронов, которые выводятся через наборы нейтроноводов (которые представляют собой стальные трубы с многослойным внутренним покрытием специальной формы, работающие фактически зеркальной оптикой).
Линии вывода нейтронов от отражающе-замедляющей системы.
От фокальных точек замедлителя веером расходятся 42 нейтроновода, 22 из которых будут использоваться на первой фазе работы лаборатории, а еще 20 оставлены на дальнейшие апгрейды. Нейтроноводы имеют длину до 160 метров и проходят через множество устройств: затворы, обеспечивающие нужную “выдержку”, вращающиеся чопперы, нарезающие нужны профиль и обеспечивающие стробоскопический режим для динамических измерений и монохроматоры, перекрывающие нейтроновод последовательно так, что бы до образца и прибора долетали нейтроны только одной скорости (= энергии, т.е. обеспечивающие выделение определенного спектра нейтронов).
Хорошее представление о работе типичный станции с нейтронной оптикой и детектором, определяющим сразу пространственное, амплитудное и спектральное распределение нейтронов провзаимодействовавших с образцом дает вот эта интерактивная картинка
Все в месте. Слева в верху "монолит" с входом протонов (слева) и выходом нейтронов (справа), ниже нейтроновод с оптикой и биозащитой.
А вот так выглядят нейтроноводы.
В настоящий момент для 22 позиций отобрано 16 инструментов, которые группируются по методам исследования. Думаю, интереснее будет посмотреть именно на методы исследования.
Нейтронный комплекс ESS в зданиях (вторая половина не показана)
В целом работа на таких установках сводится к взаимодействию подготовленного потока нейтронов с образцом и к изучению пространственного, амплитудного и спектрального распределения нейтронов, провзамодействовавших с образцом. Самым простым вариантом является нейтронная камера, сходная с рентгеновской установкой по принципу действия. В лаборатории ESS таким инструментом является ODIN. Он использует принцип “камеры-обскуры”, вооружен монохроматорами и поляризаторами для получения изображений в луче нейтронов разной энергии и поляризации и имеет крайне высокое (единицы мкм на пиксель) пространственное разрешение. Основная направленность прибора - биология, распределение и транспорт водорода в образцах, однако и в инженерии прибор способен приносить пользу - например с помощью него можно наблюдать материаловедение в процессе сварки стали.
ODIN в защитном бункере..
И сам инструмент блочно. Слева расположен точеньный коллиматор, справа камера.
Вторым важным методологическим подходом является исследования дифракции нейтронов на регулярной структуре кристаллов, а так же малоугловое рассеивание на пленках - оба эти методы позволяют восстановить по получившимся пикам яркости пространственное расположение атомов в молекулах исследуемого кристалла или пленки. Для этих задач в ESS будет использоваться сразу масса инструментов SKADI и LoKI для изучения пленок и поверхностей методом малоуглового рассеивания, MAGiC для изучения дифракции нейтронов на монокристаллах, HEIMDAL и DREAM для дифракции на порошках, NMX для изучения дифракции на кристаллах больших биологических молекул (например для восстановления структуры молекул белков, как это делается рентгеноструктурным анализом).
NMX будет использовать роботы-манипуляторы для перемещения детектеров.
Инструмент BEER для изучения одновременно микрокристаллической структуры материалов и их поведения во время работы с анализом характерных энергий взаимодействия. Это пригодится для получения новых волоконных основ композиционных материалов, новых металлических сплавов а так же исследования в области материаловедения аккумуляторов.
Зачастую нейтронные инструменты оборудованы крио-вакуумными сосудами для образцов. В них в свою очередь используюся высокотехнологичные держатели для образцов.
Следующей группой приборов являются рефлектометры, изучающие отражение нейтронов от поверхностей образцов. Для ESS это FREIA и ESTIA Эта техника используется для получения информации о плотности, толщине, шероховатости и магнитных свойствах тонких покрытий и пленок, вплоть до атомной толщины. Кроме очевидных применений в инженерной разработке такие инструменты применяются в изучении биологических мембран, например FREIA будет работать с пленками на поверхности жидкости.
Пример устройства малоуголового рефлектометра, работающего с пленками на жидкости. Справа вход нейтронов и оптика, чуть левее центра - позиционер образцов, слева - детекторный блок.
Наконец, завершающая обзор техника - спектрометрические исследования представлена самым большим количеством приборов. Спектроскопия позволяет изучать динамику и кинетику атомов в образце, за счет того, что налетающие нейтроны имеют примерно такую же энергию, как энергия связей между атомами в кристаллах и биологических молекулах. Спектроскопия в нейтронной технике бывает прямой, когда образец просвечивается нейтронами с постепенно изменяемой длинной волны и непрямой, когда используется “белый” источник нейтронов а спектральный отклик рассчитывается по времени движения нейтронов от образца к детекторам. Прямыми спектрометрами в ESS являются инструментам VOR, C-SPEC (с холодными элементами нейтронной оптики), T-REX, и MIRACLES.
А вот пример использования нейтронных дифрактомеров для исследования остаточной напряженности в диске газовой турбины.
Более сложные непрямые спектроскопы пока будут представлены инструментом BIFROST и VESPA. Последний специализируется на изучении вибрационных мод молекул, что очень интересно для поиска новых высокоэнергетических веществ - топлив, взрывчатых веществ, химий аккумуляторов.
Строительство Европейского спаляционного источника на конец 2015 года
Великолепный комплекс нейтронной физики ESS сейчас находится на этапе строительства зданий, и стройка продлится еще минимум два года. Лишь в начале 2018 года начнется монтаж основного оборудования, а с 2019 планируется поэтапный ввод сначала ускорителя, затем мишени и начиная с 2020 - научных приборов. К 2023 году комплекс должен заработать в штатном режиме, обеспечивая сотни экспериментов каждый год.