| 散裂中子源靶站技术的发展的主要目标,是提高中子通量和拓宽中子波长范围进行。一般认为,束流功率低于500kW时,水冷片状固体重金属靶是散裂中子源较合适的靶系统方案。为进一步提高中子通量和靶的使用寿命,依据束流功率水平和用户需求,相继提出和应用了扁平形状靶体、整体靶边缘冷却、分离靶概念、缩减靶片间距、降低靶冷却水量以及靶材料抗辐射损伤和腐蚀技术等许多新设计概念和技术。对于更高的束流功率,为解决高功率下靶的冷却和辐射损伤等问题,一般采用液体金属靶,MW级的SNS和J-PARC均采用水银靶方案,PSI发展了液体铅铋靶,靶密度增加可产生更高的中子通量,但铅铋靶比水银靶的技术难度更大。在慢化器设计方面,预慢化器、复合慢化器、不同形状的慢化器概念以及固体甲烷慢化器等已应用于最近的靶站设计中,以求获得更多的长波中子、更高的中子通量和更好的中子脉冲形状。在反射体设计上,边缘冷却方式提高了反射体材料密度进而提高中子通量,不对称式设计可减少铍材料的使用从而降低投资。在靶站维护的设计中更加注重维护的快速、可靠和安全,增加用户的使用时间。
中子散射谱仪也因中子源热中子通量的提高、谱仪硬件和软件的进步而不断地向前发展,从初期的中等波长、中等能量和中等分辨率的谱仪,逐步向使用中子波长更短或更长、能量更高或更低、分辨率更高的方向发展。
早期谱仪大多放置在中子源生物屏蔽体外,距中子源很近。中子导管改变了这一局限,它可以把相当部分中子,特别是长波中子(即冷中子),低损耗地传送到远处,使小角中子散射和中子反射实验变为现实。在中子导管的帮助下,粉末衍射的分辨率得到提高。目前,中子导管不仅为所有新建的散裂中子源广泛采用,也被列入ISIS、LANSCE等已运行的散裂中子源的谱仪升级计划中。中子导管对中子的反射能力也在不断提高,从制造自然镍m=1的导管开始,逐步发展为同位素镍m=1.2。目前广泛使用的为m=2~3的超镜导管。最近,日本科学家成功制备八千余层的多层膜超镜导管,m值高达6.7。中子导管反射能力的提高,内插超镜反射片的超弯导管被制造出来,可使热中子束在短距离内偏离直射束,抛开快中子、g 射线,提高谱仪的信噪比。
大面积的位置灵敏探测器的使用,是散裂中子源谱仪发展的重要标志。IPNS谱仪大多采用传统的气体正比计数器,为了获得合适的分辨率,探测器覆盖面积较小,中子利用率降低。ISIS谱仪率先采用气体或闪烁晶体位置灵敏探测器,不仅大幅度提高了中子使用效率,也大幅度提高了谱仪的分辨能力。SNS、J-PARC和ISIS第二靶站的新设计和建设的谱仪,均采用位置灵敏探测器,CSNS谱仪也不例外。大面积的位置灵敏探测器的使用,也使得谱仪的数据量级数般地增加。散裂源谱仪的数据量至少高出反应堆谱仪四个量级,每个脉冲就可产生108数据。快电子学和数据处理技术得到了长足的发展。经过各谱仪数据采集系统的累加、合并和归一化等处理后,成为用户使用的数据量仍在逐年激增。2000年,ISIS用户数据量为100GB左右,2003年增至550GB,2004年880GB,2005年1200GB,五年之内,增长了十多倍。
在过去的几十年中,不仅中子散射数据采集软件有了快速的发展,中子散射数据分析软件也相应地飞速进步。许多领域都有与之相适应的分析软件。比如,粉末衍射数据处理,不仅有大家常用的各种Rietveld谱形拟合和精修程序,而且针对非晶和液态物质,有相应的原子对分布函数处理程序。当前,纳米材料是人们研究的重点领域,相应的分析纳米材料的衍射数据的全散射实验技术和对分布函数处理方法也逐步被科学家熟悉和应用。这些软件大多采用友好的人机对话界面,极大地方便了用户的使用。
中子散射谱仪和数据分析软件的功能越来越强大,使用越来越方便,使得中子散射应用范围越来越广,用户越来越多。1940年代,中子散射仅在物理学领域尝试使用。今天,它已变为在物理学、化学、生物学、地学、工程材料学甚至考古学等众多领域中广泛使用的研究工具之一。ISIS的用户数也从最初不到300发展到今天超过1500。
综上所述,散裂中子源的有效脉冲中子通量已超过反应堆几个数量级,并正快速地向前发展,成为当前研究用中子源的主流发展方向。发达国家正把建设高性能散裂中子源作为提高科技创新能力的重要举措,散裂中子源正在向更高的束流功率、更高的中子通量和更高的实验技术发展。
项目建设背景(四) | | | 高通量中子源在我国有近半个世纪的发展历程。1958年,我国建成第一座实验性重水反应堆,为我国原子能事业的发展打下了坚实的基础,赢得了国际同行的尊重,也同时也发展了中子散射研究。上世纪八十年代,我国中子散射研究得到快速发展,在中国原子能科学研究院建成了国内唯一的一个初具规模的热中子散射实验室,并建成了曾是亚洲地区唯一的液氢冷却的冷中子源。在这台装置上,通过与国内有关单位合作,在凝聚态物理、材料科学等方面做出了一批具有国际水平的工作,并在不少方面有所创新和突破,近十多年来共完成了200余项研究成果;例如,在声子圆偏振色散关系、高温超导材料中氧原子位置、稀土永磁材料的磁结构等方面做出了出色的工作,结果在Phys. Rev. Lett., Phys. Rev. B等国际刊物上发表,为我国的热中子散射工作在国际上争得了一席之地。
进入二十一世纪,我国科学研究快速发展,越来越多的研究人员希望利用中子散射深化自己的研究。然而,我国研究用中子源发展相对滞后,高水平中子散射设施缺乏,技术发展缓慢,许多科学家转向国际合作,到国外的中子散射装置上做实验。为适应我国科学研究的发展,增强我国基础科学的原始创新能力,尽快建设我国的散裂中子源和相应的中子散射国家实验室势在必行。
中国原子能研究院正在建设的中国先进研究堆(CARR)已于2010年建成,它将成为亚洲主要的中子散射中心之一。如上所述,由于反应堆中子源的特点,CARR堆上进行的研究工作会有一定的局限。为了增加我国科技的整体竞争能力,在我国建设一台脉冲散裂中子源是十分必要的。散裂中子源与CARR堆两者各具特色,相互补充,共同为我国中子科学的发展贡献力量。例如,CSNS谱仪能同时测量大范围的动量能量变化,方便物质整体性能的表征,而CARR谱仪每次都测量某一特殊的动量能量变化点,适合物质某些特定性质的精确表征;CSNS的衍射谱仪将重点关注高动量转移的衍射数据,而CARR的衍射谱仪更有利于小的动量转移数据的测量;CSNS散射谱仪利用飞行时间相应的中子能量分辨,重点测量多晶态物质中基本元激发及相应的态密度等,而CARR的三轴谱仪利用单色能量的甄别,重点测量单晶物质中各种激发的色散关系等。除中子散射外,CSNS与CARR在其他研究和应用的领域内也各有优势。例如,CSNS有利于基于质子束、μ子和快中子束的各项基础和应用研究以及核废料嬗变研究等;CARR堆则更有利于同位素生产、半导体辐照、中子照相等。
高通量的散裂中子源是当前研究用中子源的主流发展方向,发达国家把它作为提高科技创新能力的重要举措之一,正在积极建设。我国科技水平和经济实力正在迅速提高,也迫切需要自己的散裂中子源这一多学科应用的大型综合性平台,为科学技术和经济建设的可持续发展提供强有力的支持。尽管散裂中子源在我国尚属空白,但部分相关技术在我国有不同程度的储备。高能物理研究所拥有35MeV质子直线加速器的建造和运行经验,可为散裂中子源的质子直线加速器的设计、制造、安装和调试提供经验和借鉴。强流质子加速器组经过5年的奋斗,成功研制了一台能量为3.5MeV的强流质子射频四极(RFQ)加速器,这是我国自主建成的第一台强流RFQ加速器,其束流工作比已达到了6%,主要指标位居世界前列。自上世纪80年代以来,我国的同步加速器技术取得了长足的发展。北京正负电子对撞机BEPC于1988年竣工,束流能量为1.0~2.5 GeV,已成功运行了近20年,现已完成升级改造;1989年,合肥国家同步辐射光源HLS建成出光,能量为800 MeV、平均流强达100~300mA。兰州重离子冷却储存环HIRFL-CSR也在2007年建成并达到验收指标。能量为3.5GeV的第三代同步辐射光源-上海光源SSRF已在2009年建成,并投入运行。上述同步加速器的设计和建造也可为我国散裂中子源的质子同步加速器的建设提供宝贵的经验。散裂中子源的中子散射谱仪通常使用的飞行时间技术,在我国反应堆的部分谱仪上也曾使用,其方法、技术和工艺均可借鉴。
CSNS是我国第一台散裂中子源。建造综合性能位居世界前列的CSNS,设计和技术上必然存在挑战,众多关键技术必须进行预制研究,研究成果也将为国际散裂中子源的发展做出重要贡献。CSNS的建设将广泛调研国际上散裂中子源的建设和运行情况,认真总结经验和教训,尽可能地采用先进和成熟的技术,确保建成后的CSNS达到设计指标。
CSNS将是发展中国家拥有的第一台散裂中子源,其脉冲中子通量将位居世界前列。在加速器、靶站和谱仪等各方面采用了一系列世界先进的设计和技术,束流功率为100kW的CSNS其有效中子通量将与英国卢瑟福实验室的散裂中子源ISIS目前所达到的水平相当,可以满足我国在多学科领域内对中子散射的强劲需求。
对中子散射而言,更高的中子通量在进一步减少实验所要求的最小样品量和缩短测量时间上具有优势。与兆瓦级的美国散裂中子源SNS和日本散裂中子源J-PARC相比,只有极小部分课题如超薄膜、快速反应和快速相变过程等不能在CSNS开展。CSNS设计的最小样品量在毫克量级,最短测量时间在分钟量级,能满足各学科90%以上的中子散射研究需求。
综上所述,投资仅为国际上兆瓦量级散裂中子源百分之十几的CSNS是符合我国国情的、能满足我国科技发展需要的、高性价比的大科学装置。
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