Zahlavi

Neutrony, nabité částice

Metodickou bází neutronového výzkumného programu oddělení jsou generátory rychlých neutronů, využívající srážky urychlených protonů cyklotronu U-120M s terčovými jádry lithia (Li) a beryllia (Be).

Základním programem je experimentální validace datové knihovny průřezů neutronových reakcí na jádrech monitorovacích (Au, Bi, Nb, Co, Tm a další – reakce n, xn) a konstrukčních (Fe, Cr, W, Ta – reakce n, nabitá částice) materiálů termojaderných technologií, jako jsou urychlovače-testory neutronové odolnosti jaderných materiálů IFMIF-DONES a rovněž experimentální fúzní reaktor ITER. Srovnávací testy spočívají ve stanovení integrálních účinných průřezů reakcí metodou neutronové aktivace zkoumaných jader a následného měření rozpadu dceřiných jader technikou gama detekce. Součástí laboratoře je soubor HPGe gama-detektorů vysokého rozlišení, doplněný pneumatickým transportem ozářených terčů a vybavený programovým zabezpečením pro vyhodnocení měřených gama spekter.

Měření účinných průřezů vyžaduje detailní znalost produkovaných neutronových polí z generátorů. Neutronové spektrum je měřeno metodou Time-Of-Flight - TOF), v případě generátorů p+Li je množství dopředných píkových neutronů srovnáváno s výsledky, změřenými gama-spektrometrií aktivovaného Li terče. Modelové výpočty kódem MCNPX a knihovnami LA150H a JENDL4.0/HE pak umožňují extrapolovat naměřené výsledky do pozic, kde jsou umístěny aktivační vzorky. Metoda doby letu využívá časovou strukturu neutronového pole, způsobeného přirozenou pulzací urychlených protonů z cyklotronu U-120M, a umožňuje velmi přesně měřit transmise neutronů pres jakýkoliv materiál, například průřez reakce (n,tot) na kyslíku.

Intenzivní neutronové pole vytvářené generátorem p+Be (flux neutronu dosahuje 1011 n/cm2/s) je používáno pro testy odolnosti materiálů a elektronických přístrojů (čtecí elektronika pro kalorimetr ATLAS/CERN, MPI Mnichov) vůči ozáření rychlými neutrony. Elektronické přístroje či jejich součástky jsou ozářeny neutrony, procesy způsobené ozářením jsou sledovány online, nebo jsou elektronické součástky po ozáření testovány různými metodami, aby bylo možné určit změnu jejich charakteristik.

Ozařování materiálu po delší dobu v intenzivním neutronovém poli (desítky hodin, integrál toku neutronů 1016 n/cm2) vytvoří dostatečné poškození materiálu pro detekci změny materiálu metodou pozitronové anihilační spektrometrie (PALS, ve spolupráci s KFNT, Univerzita Karlova). Pro zkoumané materiály tak může být určena míra poškození neutrony v jednotkách dpa (atomární posuv, displacement per atom).

Kolimace neutronového svazku umožňuje provádět experimenty, při kterých je zkoumaný vzorek vystaven intenzivnímu poli neutronů, a detektory vylétajících částic jsou přitom ve stínu kolimátoru. Pro studium reakcí (n,charged particle) je v rámci infrastruktury CANAM stavěn detekční systém teleskopu ve vakuové komoře. Systém by měl být uveden do provozu v roce 2019 a pracovníci oddělení budou díky němu schopni měřit účinné průřezy reakcí (n,charged particle) a jejich úhlovou závislost.

Princip kolimátoru bude využit také pro pole HPGe detektoru, které bude postaveno do stínu kolimátoru a s jehož pomocí bude měřeno gama záření z materiálu, ozařovaného v neutronovém svazku. Systém řízení cyklotronu pomocí mikrokontroleru umožní opakované rychlé vypínání a zapínání svazku a měření gama záření produktů s dobou života od několika ms. Detektorový systém umožnuje měřit také promptní gama záření z jaderné reakce.

Řízení cyklotronu pomocí mikrokontroleru dále poskytuje možnost měřit zpožděné neutrony z reakcí různých štěpných materiálů s neutronovým polem. Zpomalené neutrony jsou měřeny bezprostředně po vypnutí cyklotronu detektory BF3, pro moderaci je používán setup z polyetylenu (PE). Poznatky těchto studií a studií štěpných materiálů pomocí neutronové aktivace jsou porovnávány s modelovými výpočty (např. GEF) a poskytují důležitou informaci o štěpení neutrony vyšších energií.

Oddělení se podílí na vývoji neutronové terčové stanice a na návrzích prvních experimentů NFS@SPIRAL2. V rámci výzkumné infrastruktury SPIRAL2-CZ připravuje specializované ozařovací zařízení pro aktivaci zkoumaných materiálů protonovými a deuteronovými svazky, jejich automatický transport a měření zbytkové radiace HPGe detektorem.

Studium aktivace nabitými částicemi má velký význam pro řadu oblastí. Jednou z nich je studium materiálů v kontextu řady běžících strategických výzkumných programů pro velká mezinárodní zařízení, souvisejících s energetikou. Ve spolupráci s teoretiky z IFIN-HH (Magurele, Rumunsko) oddělení provádí aktivace deuteronovými svazky do 20 MeV izotopů, jako jsou Al, Cu, Nb, Ni a Fe. Výsledky přinášejí důležité informace pro reakční databáze pro budoucí IFMIF-DONES a další zařízení, postavená na urychlovačích. Ukazuje se, že pro správný popis experimentálních výsledků je třeba uvažovat celý komplex procesů – přímé reakce, před-rovnovážné procesy i reakce přes složené jádro. Výsledky také iniciovaly intenzivní vylepšování jaderných modelů, což je důležité pro popis reakcí, které v současnosti nelze měřit experimentálně. Vylepšené teoretické modely vedou k bezpečnější energetice v budoucnosti a většímu porozumění procesům nukleosyntézy, např. při výbuchu supernov.