Нейтроны являются незаряженными составляющими атомов и хорошо проникают в материалы, отклоняясь только от ядер атомов. Статистическое накопление отклоненных нейтронов в разных положениях за пределами образца может быть использовано для определения структуры материала, а потеря или приобретение энергии нейтронами может выявить динамическое поведение частей образца, например, диффузионные процессы в твердых телах. В ISIS нейтроны создаются путем ускорения «сгустков» протонов в синхротроне , а затем их столкновения с тяжелой мишенью из вольфрамового металла под постоянной охлаждающей нагрузкой для рассеивания тепла от протонного пучка мощностью 160 кВт. Удары заставляют нейтроны откалываться от атомов вольфрама, и нейтроны направляются через направляющие или каналы пучка примерно к 20 приборам, каждый из которых индивидуально оптимизирован для изучения различных типов взаимодействий между нейтронным пучком и веществом. Целевая станция и большинство приборов установлены в большом зале. Нейтроны являются опасной формой излучения, поэтому мишень и каналы пучка надежно защищены бетоном. [ необходима цитата ]
Источник нейтронов и мюонов ISIS производит мюоны путем столкновения части протонного пучка с графитовой мишенью, производя пионы , которые быстро распадаются на мюоны, доставляемые в спин-поляризованном пучке на станции образцов. [ необходима ссылка ]
История
Источник был одобрен в 1977 году для площадки RAL в кампусе Харвелла и переработанных компонентов из более ранних научных программ Великобритании, включая зал ускорителя, который ранее был занят ускорителем Нимрод . Первый пучок был произведен в 1984 году, и объект был официально открыт тогдашним премьер-министром Маргарет Тэтчер в октябре 1985 года. [2] [1] [3]
Название ISIS не является аббревиатурой: оно относится к древнеегипетской богине и местному названию реки Темзы . Название было выбрано для официального открытия объекта в 1985 году, до этого он был известен как SNS, или Spallation Neutron Source. Название посчитали подходящим, поскольку Isis была богиней, которая могла возвращать жизнь мертвым, а ISIS использовала оборудование, ранее созданное для ускорителей Nimrod и NINA .
Вторая целевая станция получила финансирование в 2003 году от лорда Сейнсбери , тогдашнего министра науки, и была завершена в 2009 году, в срок и в рамках бюджета, с открытием 7 инструментов. В марте 2011 года министр науки Дэвид Уиллеттс выделил £21 млн инвестиций [4] на строительство 4 новых инструментов, которые сейчас все находятся на этапе ввода в эксплуатацию или полностью запланированы. [1]
Первоначально предполагалось, что срок службы источника нейтронов и мюонов ISIS составит 20 лет (с 1985 по 2005 год), но его дальнейший успех привел к процессу реконструкции и дальнейших инвестиций, направленных на развитие объекта и продление срока службы ISIS до 2030 года. [5]
Согласно годовому отчету за 2017–2018 годы, STFC ожидает, что конец импульсного нейтронного источника ISIS и связанной с ним станции Second Target произойдет в 2040 году, а вывод из эксплуатации займет 55 лет. Стоимость утилизации радиоактивных отходов может составить от 9 до 16 миллионов фунтов стерлингов. [6] : 51
Наука
ISIS Neutron and Muon Source администрируется и управляется Советом по научным и технологическим объектам (ранее CCLRC ). Совет по научным и технологическим объектам, или STFC, является частью UK Research and Innovation. Экспериментальное время открыто для академических пользователей из стран-спонсоров и подается через «конкурс заявок», проводимый дважды в год. Исследовательское распределение, или «время пучка», выделяется заявителям через процесс рецензирования. Пользователи и их головные учреждения не оплачивают текущие расходы на объект, которые составляют до 11 000 фунтов стерлингов за прибор в день. Транспортные и жилые расходы покрываются для тех, кто связан с университетами Великобритании. Большинство пользователей останавливаются в Ridgeway House, отеле недалеко от объекта, или в Cosener's House , конференц-центре в Абингдоне , которым управляет STFC . Ежегодно 1600 пользователей проводят более 600 экспериментов.
Большое количество вспомогательного персонала управляет объектом, помогает пользователям и проводит исследования. В диспетчерской работают 24 часа в сутки, каждый день года. Ученые-инструменталисты контролируют работу каждого прибора и поддерживают связь с пользователями, а другие подразделения предоставляют среду для образцов, анализ данных и экспертизу вычислений, обслуживают ускоритель и проводят образовательные программы. ISIS также является одним из немногих нейтронных объектов, имеющих значительную группу детекторов, которая исследует и разрабатывает новые методы сбора данных.
Среди важных и пионерских работ было открытие структуры высокотемпературных сверхпроводников и твердой фазы бакминстер-фуллерена. Другие недавние разработки можно найти здесь.
Строительство второй целевой станции (TS2) началось в 2003 году, а первые нейтроны были доставлены на цель 14 декабря 2007 года. [7] TS2 использует низкоэнергетические нейтроны для изучения мягких конденсированных сред , биологических систем, современных композитов и наноматериалов .
В настоящее время на ISIS Neutron and Muon Source установлены следующие приборы: [10]
Целевая станция 1
Экспериментальный зал источника нейтронов и мюонов ISIS, целевая станция 1
Alf — это установка для выравнивания кристаллов.
Crisp — нейтронный рефлектометр, предназначенный для высокоразрешающих исследований широкого спектра интерфейсных явлений.
Engin-X — нейтронный дифрактометр, оптимизированный для измерения деформации и, следовательно, напряжения глубоко внутри кристаллического материала.
Gem — нейтронный дифрактометр, позволяющий проводить эксперименты с высокой интенсивностью и высоким разрешением для изучения структуры неупорядоченных материалов и кристаллических порошков.
Hrpd — нейтронный дифрактометр, который является одним из самых высокоразрешающих нейтронных порошковых дифрактометров такого типа в мире.
Ines — нейтронный порошковый дифрактометр, созданный и управляемый Итальянским национальным исследовательским советом (CNR) в рамках соглашения о сотрудничестве с STFC.
Iris — нейтронный спектрометр, предназначенный для квазиупругой и низкоэнергетической неупругой спектроскопии высокого разрешения.
LOQ — это прибор для малоуглового рассеяния нейтронов, используемый для исследования формы и размера крупных молекул, мелких частиц или пористых материалов с размерами, как правило, в диапазоне 1–100 нм.
Maps — нейтронный спектрометр, в первую очередь предназначенный для исследования магнитных и структурных возбуждений в монокристаллах.
MARI — нейтронный спектрометр, идеально подходящий для изучения фононных плотностей состояний в кристаллических и неупорядоченных системах, а также возбуждений кристаллического поля в магнитных материалах.
Merlin — нейтронный спектрометр с высокой скоростью счета, средним энергетическим разрешением и прямой геометрией прерывателя.
Osiris может использоваться как нейтронный спектрометр или дифрактометр. Он оптимизирован для исследований с очень низкой энергией и длинноволновой дифракции.
Pearl — нейтронный дифрактометр, предназначенный для порошковой дифракции под высоким давлением.
Polaris — нейтронный дифрактометр, оптимизированный для быстрой характеристики структур, изучения небольших объемов материалов, сбора наборов данных в короткие сроки и исследования материалов в условиях, отличных от окружающей среды.
Rotax используется для испытаний детекторов и оборудования.
Другой вид на экспериментальный зал источника нейтронов и мюонов ISIS, целевая станция 1
SANDALS — нейтронный дифрактометр, специально созданный для исследования структуры жидкостей и аморфных материалов.
SURF — нейтронный рефлектометр, один из ведущих в мире приборов для исследования границ раздела жидкостей.
SXD — нейтронный дифрактометр, эффективный в приложениях, связанных с исследованием обратного пространства, например, фазовых переходов и несоразмерных структур, а также в приложениях, где ориентация образца может быть ограничена.
Tosca — нейтронный спектрометр, оптимизированный для изучения молекулярных колебаний в твердом состоянии.
Vesuvio — нейтронный спектрометр, который использует высокую интенсивность нейтронов в диапазоне энергий эВ (эпитепловые нейтроны) для разделения спектров по массе в набор распределений ядерного импульса.
EMU — это μSR-спектрометр, оптимизированный для измерений в нулевом и продольном поле.
MuSR — это μSR-спектрометр, который можно поворачивать на 90 градусов, что позволяет проводить как продольные, так и поперечные измерения.
HIFI — это высокопольный мюонный прибор, обеспечивающий прикладные продольные поля до 5 Тл.
Argus — мюонный спектрометр для исследований конденсированных сред и молекул.
CHRONUS — мюонный прибор на японской установке RIKEN-RAL Muon Facility.
Вторая целевая станция источника нейтронов и мюонов ИСИС.
Целевая станция 2
Прибор для облучения микросхем ChipIR, предназначенный для облучения микроэлектроники нейтронами, подобными атмосферным.
IMAT — прибор для получения нейтронных изображений и дифракции в материаловедении, обработке материалов и машиностроении.
Inter — это высокоинтенсивный рефлектометр для исследования химических интерфейсов, предлагающий уникальную возможность для изучения различных интерфейсов воздух/жидкость, жидкость/жидкость, воздух/твердое тело и жидкость/твердое тело.
Лармор — это гибкий прибор для малоуглового рассеяния нейтронов, оптимизированный для разработки новых методов рассеяния нейтронов, использующих ларморовскую прецессию нейтронов для кодирования энергии или направления.
LET — нейтронный спектрометр, оптимизированный для изучения динамики конденсированных сред с целью понимания микроскопического происхождения свойств материалов.
NIMROD — нейтронный дифрактометр, предназначенный для измерения масштабов длин от межатомных (< 1 Å) до мезоскопических (> 300 Å).
Offspec — нейтронный рефлектометр, дающий доступ к нанометровым масштабам длины параллельно и перпендикулярно интерфейсам.
Polref — нейтронный рефлектометр, предназначенный для изучения магнитного упорядочения внутри и между слоями и поверхностями тонкопленочных материалов.
Sans2d — это прибор для малоуглового рассеяния нейтронов, который можно использовать для изучения размера, формы, внутренней структуры и пространственного расположения в наноматериалах, «мягкой материи» и коллоидных системах, в том числе биологического происхождения, в масштабах длин от* 0,25 до 300 нм.
Wish — нейтронный дифрактометр, предназначенный для порошковой дифракции при больших d-расстояниях в магнитных системах и системах с большими элементарными ячейками, с возможностью проведения экспериментов с монокристаллами и поляризованными пучками.
Zoom — это гибкий прибор для измерения малоуглового рассеяния с высокой скоростью счета.
В популярной культуре
Финальный эпизод 1-го сезона Sparticle Mystery был снят на месте. Это место также упоминается в книге Itch Rocks . [11]
Ссылки
^ abc "ISIS Neutron and Muon Source Annual Review 2017" (PDF) . 18 декабря 2017 г. . Получено 17 апреля 2018 г. .
^ D. Findlay. "Linacs at the Rutherford Appleton Laboratory". STFC ePubs . UKRI. Архивировано (PDF) из оригинала 29-06-2006 . Получено 03-05-2021 .
^ "Phase Two instruments" . Получено 17 июля 2012 г. .
^ "Исследование воздействия ИГИЛ на протяжении всей жизни, том 1 – Полный отчет". stfc.ukri.org . Ноябрь 2016 . Получено 17 апреля 2018 .
^ Совет по научным и технологическим учреждениям (июль 2018 г.). Годовой отчет и счета 2017-18 гг . стр. 91. OCLC 1053748833.
^ Проект второй целевой станции ИГИЛ. Архивировано 21 сентября 2005 г. на Wayback Machine.
^ Thomason, JWG (2019). «Источник нейтронов и мюонов ISIS Spallation — первые тридцать три года». Ядерные приборы и методы в физических исследованиях . A917 (1): 61–67. Bibcode : 2019NIMPA.917...61T. doi : 10.1016/j.nima.2018.11.129 .
^ Макдональд, К. "Отчет Международной рабочей группы по мюонным пучкам" (PDF) . Мюонный коллайдер Targetry и вращение фаз (NuFACT'01) . Архивировано (PDF) из оригинала 2006-09-11 . Получено 3 мая 2021 .
^ "Страница инструментов ISIS" . Получено 17 апреля 2018 г.
