В рамках реализации задачи «Развитие передовой инфраструктуры научных исследований и разработок, инновационной деятельности, включающей создание и развитие сети уникальных установок класса «Мегасайнс» национального проекта Наука сотрудники Международного научно-исследовательского центра БФУ им. И. Канта «Когерентная рентгеновская оптика для установок Мегасайенс» совместно с европейскими исследователями института Лауэ-Лангевина (Institut Laue-Langevin, ILL, Гренобль, Франция), провели успешные исследования перспективных материалов для нового типа рефлекторов – оптических элементов для источников нейтронного излучения.
Как поясняют исследователи, рефлекторы выполняют очень важную функцию на современных источниках нейтронного излучения – это, прежде всего, транспорт излучения и формирование узконаправленного потока нейтронов высокой плотности. Сегодня все крупные ведущие установки и инженерные группы бьются над задачами по увеличению плотности потока нейтронов и их эффективной доставке до исследуемого образца. Яркие источники нейтронов необходимы не только для фундаментальных исследований, но также и для промышленности. Поэтому разработка именно компактных высокоэффективных нейтронных рефлекторов является приоритетной задачей для нейтронного сообщества.
Отметим, что существующие рефлекторы для нейтронных источников обладают сравнительно низкой эффективностью и обладают большими размерами, что накладывает свои ограничения на разработку компактных нейтронных источников, в которых очень заинтересованы исследователи всего мира.
Принцип работы рефлекторов нового типа будет основан на эффекте рассеяния излучения на наноструктурированном материале, т.е. на материале, состоящем из структурных элементов с характерными размерами от нескольких нанометров (!) до нескольких десятков нанометров. Ученым удалось существенно повысить эффективность работы основного материала рефлектора за счет использования ультрадисперсной матрицы из слабопоглощающего материала. Этот подход имеет большой потенциал, считают исследователи, и может быть использован в дальнейшем для разработки высокоэффективных оптических элементов для нейтронных источников. При этом исследования и поиск высокоэффективных материалов продолжаются. На данный момент ученые выделяют два наиболее перспективных материала с малым атомным номером. Разрабатываемые рефлекторы на базе новых материалов позволят получить большую плотность потока. Это позволит существенно развить создаваемую уникальную научно-исследовательскую инфраструктуру установок класса «Мегасайенс». Большая яркость новых источников неизбежно приедет к сокращению времени эксперимента и возможности наблюдения процессов, которые протекают на нанораметровом уровне с высокими скоростями.
Источник холодных нейтронов, установленный в ILL, является источником с самой большой интенсивностью нейтронного излучения в мире. Это источники с малой энергией нейтронов. Различают источники холодных нейтронов с характерной энергией 1-5 мегаэлектронвольт или длиной волны 4-15 Å (ангстрем) и ультрахолодные – с энергией менее 0,18 микро-электрон-вольт или длиной волны более 670 Å. Последнее время все большое внимание уделяется источникам холодных и ультрахолодных нейтронов, особенно интересны ультрахолодные нейтроны, поскольку они используются для изучения фундаментальных свойств самого нейтрона и являются чувствительным инструментом в исследованиях конденсированного состояния вещества.
Сегодня холодные нейтроны являются уникальным инструментом в различных областях фундаментальных и прикладных исследованиях, а также обладают ярко выраженными волновыми свойствами. Одним из основных направлений использования нейтронов в современной физике конденсированного состояния является изучение структурно-динамических свойств наноматериалов. Однако, несмотря на сравнительно давнее открытие нейтронного излучения, оно до сих пор является объектом повышенного интереса для исследователей, в том числе и с точки зрения оптики.
Анатолий Снигирев, научный руководитель направления «Когерентная оптика», директор Международного научно-исследовательского центра (МНИЦ РО) «Когерентная рентгеновская оптика для установок «Мегасайенс» БФУ им. И. Канта:
«Хотелось бы отметить, что компетенции нашего исследовательского центра не ограничиваются разработкой рентгеновской оптики для современных когерентных источников синхротронного излучения, поэтому успешно начатая работа по разработке новой оптики для холодных нейтронных источников не является случайностью, а скорее закономерностью. Дело в том, что взаимодействие нейтронного и рентгеновского излучения с веществом принципиально не сильно различаются – здесь есть место преломлению, дифракции и рассеянию излучения. А это значит, что наши наработки и достижения могут легко применимы и для источников нейтронного излучения. Наши успехи в области нейтронной оптики востребованы в связи с запуском нейтронного реактора ПИК, который строится в Гатчине под Санкт-Петербургом. Высокопоточный реактор ПИК — это установка класса «Мегасайенс» и современный источник нейтронов, который по ряду своих параметров является лучшей в мире установкой для изучения вещества на нано-уровне с помощью нейтронного излучения. Как раз этот факт является ключевым, так как на самом мощном реакторе можно получить еще более заметный выигрыш в плотности потока за счет использования нового типа рефлекторов. Поэтому старта исследований на ПИК ждут с нетерпением не только физики, химики, биологи, геологи и материаловеды, но и оптики для разработки и тестирования новой оптики для нейтронов. Очевидно, что увеличение плотности потока нейтронов на новом источнике требует не менее эффективной оптики для управления и транспорта этого излучения до исследователей. Поэтому тесная совместная работа с ведущими учеными из ILL в области разработки нейтронной оптики нового поколения несомненно перспективна!».
Иван Лятун, научный сотрудник группы диагностики и метрологии рентгеновской оптики МНИЦ РО БФУ им. И. Канта:
«Несмотря на существенные успехи ученых в области получения потоков нейтронов большой плотности, оптика, используемая на нейтронных источниках, еще далека от совершенства в сравнении с оптикой для рентгеновских лучей. Это очень воодушевляет, когда наработанный нами материал в области жесткого рентгеновского излучения может быть востребован в таких неожиданных областях, как холодные нейтронные источники. За короткую экспериментальную сессию (с 16 по 20 сентября) мы получили обнадеживающий результат: удалось достичь эффективного рассеяния для холодных нейтронов уже на первом эксперименте. Очевидно, что впереди сложная, но интересная совместная работа по улучшению рабочего материала для нового типа рефлекторов».
Исследования в институте Лауэ-Лангевина (Institut Laue-Langevin, ILL) были выполнены в рамках реализации проекта РНФ “Когерентная рентгеновская оптика и методы на ее основе для высокоэнергетичных дифракционно ограниченных источников”, также за счет средств субсидии, выделенной на реализацию программы повышения конкурентоспособности в БФУ им. И. Канта.
