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.
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.
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.
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.
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 комплекса ESS протянулся 600-метровый линейный ускоритель, упираясь справа в мишенно-лабораторные здания
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.
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.
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).
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).
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.