中国散裂中子源的多学科应用

中国散裂中子源(China Spallation Neutron Source,CSNS)是我国首台、世界第4台脉冲型中子大科学设施。CSNS基于加速器产生的高能质子轰击钨靶产生中子,然后利用中子进行实验。CSNS面向全世界的用户开放,为科学研究和工业研发服务,在物理、化学、生物、能源、材料等领域都有广泛的应用。文章将介绍CSNS的基本构成、发展历程和中子散射的多学科应用。     

中国散裂中子源小角中子散射谱仪探测器研制

中子小角散射探测器是小角散射（SANS）谱仪的关键设备之一,探测器要求有足够大的探测面积、较高的探测效率及较好的空间分辨率,能够在真空腔中稳定地工作并可在腔体内前后移动。综合考虑,SANS探测器采用120只8 mm直径位置灵敏3He管,组成有效面积1 000 mm（X）×1 020 mm（Y）的二维探测器阵列。探测器阵列分为10个模块,每一个模块功能完全独立,包括12只3He管及其对应的读出电子学和数据获取系统。读出电子学位于探测器背面的回字形密闭腔体内,由CSNS电子学组自主研发。SANS探测器从设计、选型、样机、调试到安装历时三年,中子束流实验结果显示探测器探测效率大于50%（@2Å）,空间分辨率好于10 mm（FWHM）,完全达到设计要求,目前正在中国散裂中子源小角散射谱仪运行使用。     

Study on induced radioactivity of China Spallation Neutron Source

China Spallation Neutron Source (CSNS) is the first High Energy Intense Proton Accelerator planned to be constructed in China during the State Eleventh Five-Year Plan period, whose induced radioac- tivity is very important for occupational disease hazard assessment and environmental impact assessment. Adopting the FLUKA code, the authors have constructed a cylinder-tunnel geometric model and a line-source sampling physical model, deduced proper formulas to calculate air activation, and analyzed various issues with regard to the activation of different tunnel parts. The results show that the environmental impact resulting from induced activation is negligible, whereas the residual radiation in the tunnels has a great influence on maintenance personnel, so strict measures should be adopted.     

Study on induced radioactivity of China Spallation Neutron Source

China Spallation Neutron Source (CSNS) is the first High Energy Intense Proton Accelerator planned to be constructed in China during the State Eleventh Five-Year Plan period, whose induced radioactivity is very important for occupational disease hazard assessment and environmental impact assessment. Adopting the FLUKA code, the authors have constructed a cylinder-tunnel geometric model and a line-source sampling physical model, deduced proper formulas to calculate air activation, and analyzed various issues with regard to the activation of different tunnel parts. The results show that the environmental impact resulting from induced activation is negligible, whereas the residual radiation in the tunnels has a great influence on maintenance personnel, so strict measures should be adopted.     

Development of Time-of-Flight Polarized Neutron Imaging at the China Spallation Neutron Source

A time-of-flight polarized neutron imaging setup was realized by integrating an in situ pumped polarized ³He spin filter and energy dispersive neutron camera on the neutron technique development beamline（BL-20） of the China Spallation Neutron Source（CSNS）. Test experiments were performed with a solenoid with aluminum wire as a sample. These demonstrated that polarized radiography with a field of view in diameter 2.0 cm at different wavelengths can be obtained. The wavelength-dependent...     

ADS中子源散裂靶物理研究

运用蒙卡程序DCM CEM对ADS标准散裂中子靶进行了计算研究.计算了在0.1~1.6GeV的质子轰击下,标准Pb靶发生散裂反应产生的泄漏中子产额及分布、中子能谱以及靶内能量沉积分布.计算结果与文献理论数据、实验数据进行了比较.     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

中国散裂中子源直线射频功率源系统的研制

中国散裂中子源加速器质子束流加速能量为1.6 GeV,重复频率为25 Hz,撞击固体金属靶产生散射中子,一期工程的打靶束流功率为100 kW。直线加速器的设计束流流强为15 mA,输出能量为81 MeV。射频加速和聚束系统包括一台射频四极场加速器、中能束流传输线的两个聚束器、四节漂移管直线加速器加速腔和直线-环束流传输线的一个散束器,与之相对应,共有8个单元在线运行的射频功率源为其提供所需的射频功率。目前,直线射频功率源系统预研项目已全部完成,各项性能参数均已达到设计指标,当前正处在批产安装调试阶段。151013     

中国散裂中子源铁氧体加载腔的性能研究

利用同轴线理论分析了扫频工作的中国散裂中子源（CSNS）铁氧体加载同轴谐振腔的主要性能参数。给出了铁氧体加载腔在三维电磁场仿真计算中的建模过程,在场分析的基础上提出了陶瓷介质等效谐振电容的方法。将模拟计算得到的腔体的谐振特性与同轴线理论计算和实际腔体测量结果相比较,三者吻合得非常好。通过对腔体样机母排引入的寄生模的实验和模拟研究,提出了解决寄生模问题的方法;通过对腔体内铁氧体环的填充系数的研究,给出了短尺寸腔的扫频工作方案。     

中国散裂中子源铁氧体加载腔的性能研究

利用同轴线理论分析了扫频工作的中国散裂中子源（CSNS）铁氧体加载同轴谐振腔的主要性能参数。给出了铁氧体加载腔在三维电磁场仿真计算中的建模过程,在场分析的基础上提出了陶瓷介质等效谐振电容的方法。将模拟计算得到的腔体的谐振特性与同轴线理论计算和实际腔体测量结果相比较,三者吻合得非常好。通过对腔体样机母排引入的寄生模的实验和模拟研究,提出了解决寄生模问题的方法;通过对腔体内铁氧体环的填充系数的研究,给出了短尺寸腔的扫频工作方案。     

中国散裂中子源旋转线圈测量系统研制

中国散裂中子源(CSNS)加速器主要由一台直线加速器、一台快循环加速器以及低能、高能输运线组成。针对CSNS加速器部分直流磁铁研制了一套旋转线圈测量系统。对系统的研制方案、功能、精度、完成的磁铁类型以及部分测量结果进行介绍。该系统解决了CSNS批量磁铁之间的不同中心高度、质量、有效长度、磁场强度的兼容性难题。经过测试运行,积分场测量重复性误差好于±0.02%,空间谐波重复性误差好于0.005%,磁中心测量重复性误差好于±0.03 mm,顺利完成了中国散裂中子源工程150台多种类型磁铁的检测任务。     

CSNS加速器真空控制系统的设计与实现

中国散裂中子源（CSNS）加速器真空控制系统负责真空数据采集、设备监控和闸板阀控制与联锁,是设备运行和故障诊断以及超高真空保持的重要保障。本文介绍了加速器真空需求,基于实验物理及工业控制系统EPICS软件框架的真空控制系统设计与实现,使用横河可编程逻辑控制器PLC控制与联锁设备,摩莎MOXA工控机监测真空状态,EPICS PV数据直接进入声音报警系统和历史数据库系统,为工作人员及时发现和处理问题、进行后续数据分析和机器研究等提供了便捷途径和可靠保障。目前,该系统已完成现场安装和调试,并已正式投入运行。运行结果表明,该系统具有稳定性好、可靠性高、人机交互友好的特点,很好地满足了加速器真空控制系统运行的需要。     

中国散裂中子源二期双spoke超导腔设计

中国散裂中子源是中国第一台、世界第四台脉冲型散裂中子源,其已于2020年2月达到100 kW功率的设计指标,运行稳定高效,供束效率位于国际前列。中国散裂中子源二期升级方案中总束流功率将升级到500 kW,其中直线加速器段将采用超导加速腔结构,束流能量由80 MeV提高到300 MeV。其中在80～165 MeV能量段采用324 MHz双spoke超导腔,在165～300 MeV能量段采用648 MHz 6-cell椭球超导腔。采用CST、COMSOL等仿真软件完成324 MHz双spoke超导腔的电磁、机械设计及优化,达到实际运行指标要求。为了提高腔运行的稳定性,在腔的设计中对E_P/E_acc着重进行了优化,使其尽量降低。     

中国散裂中子源注入系统电切割磁铁物理设计

利用OPERA/TOSCA大型有限元分析软件对中国散裂中子源/快循环同步环（CSNS/RCS）注入系统的直流C型特种电切割磁铁进行了2维/3维磁场计算和设计,通过放置1 mm厚的DT4铁磁性屏蔽板,可将循环束流轨道上的边缘漏场比降低至2.610-4,大大减小了切割板外侧的边缘漏场对循环束流动力学的影响。另外,对该类型切割磁铁的线圈做了详细的水冷计算,以保证磁铁能在适当的温度下运行。结果表明,无论从物理上还是工程上,该类型磁铁完全可以满足CSNS/RCS注入系统物理设计以及长期稳定运行的要求。     

中国散裂中子源注入系统电切割磁铁物理设计

利用OPERA/TOSCA大型有限元分析软件对中国散裂中子源/快循环同步环（CSNS/RCS）注入系统的直流C型特种电切割磁铁进行了2维/3维磁场计算和设计,通过放置1 mm厚的DT4铁磁性屏蔽板,可将循环束流轨道上的边缘漏场比降低至2.610-4,大大减小了切割板外侧的边缘漏场对循环束流动力学的影响。另外,对该类型切割磁铁的线圈做了详细的水冷计算,以保证磁铁能在适当的温度下运行。结果表明,无论从物理上还是工程上,该类型磁铁完全可以满足CSNS/RCS注入系统物理设计以及长期稳定运行的要求。     

Physical design of target station and neutron instruments for China Spallation Neutron Source

The China Spallation Neutron Source(CSNS)is the first accelerator-based multidiscipline user facility to produce pulsed neutrons by tungsten target under collision of a pulsed proton beam with a beam power of 100 kW at a repetition rate of 25 Hz.In this paper,we focus on the physical design of CSNS target station and neutron instruments.Under optimized design,the flat tungsten target and the compact target-moderator-reflector coupling enhance effective cold and thermal neutron output from moderators.Three wing-type moderators supply four different characteristics of neutrons to 19 beamlines primarily for neutron scattering applications.Layout of neutron instruments are conceptually planned for total 20 beamlines,the configuration and specification have been determined for three day-one neutron instruments.All designs are optimized for the Phase I of 100 kW with a upgradable capacity to 500 kW.     

中国散裂中子源直线输运线束流位置测量系统

介绍了针对中国散裂中子源(CSNS)的直线到环输运线(LRBT)所设计的条带式束流位置测量(BPM)系统,探头方案以条带式电极为基础进行物理设计及参数优化,并通过机械标定减少机械加工误差,电子学选用商用数据处理方案。此系统在加速器实际运行中有效提供位置信息,对在线测量数据采用奇异值分解(SVD)进行分析,根据分析结果,对束流轨道测量的精度达到预期设计目的,满足物理调束需求。     

Development of a ~3He Gas Filling Station at the China Spallation Neutron Source

At the China Spallation Neutron Source(CSNS), we have developed a custom gas-filling station, a glassblowing workshop, and a spin-exchange optical pumping(SEOP) system for producing high-quality ~3He-based neutron spin filter(NSF) cells. The gas-filling station is capable of routinely filling ~3He cells made from GE180 glass of various dimensions, to be used as neutron polarizers and analyzers on beamlines at the CSNS. Performance tests on cells fabricated at our gas-filling station are conducted via neutron transmission and nuclear-magneticresonance measurements, revealing nominal filling pressures, and a saturated ~3He polarization in the region of 80%, with a lifetime of approximately 240 hours. These results demonstrate our ability to produce competitive NSF cells to meet the ever-increasing research needs of the polarized neutron research community.     

用于中国散裂中子源多功能反射谱仪的高气压多丝正比室探测器的研制

中国散裂中子源需要建设一台多功能反射谱仪中子探测器,满足在10年运行期间内,50%(@2A)以上的探测效率、好于2 mm的二维位置分辨、200 mm×200 mm的灵敏面积、3倍的n/γ分辨能力及良好的二维成像性能.基于此要求,探测器因此采用基于高气压~3He气体的多丝正比室,并以满足反射谱仪的探测效率、位置分辨、长期稳定工作和n/y分辨能力为目标进行探测器的设计.本文经过模拟和实验计算得出:以9 mm厚的铝合金入射窗、铝丝密封的高气压腔体和6 bar~3He+2.5 bar C_3H_8的工作气体的设计,可满足探测器对2 A中子10年运行期间内54%以上的探测效率要求;探测器对中子的位置分辨可达到1.4 mm左右;设计的气体净化系统,拥有2 L/min的气流速度可有效去除探测器内的负电性杂质气体,气体循环净化后可提高探测器约27%的气体增益,保证探测器长期稳定的运行;通过对~(252)Cf中子源的能谱测量和成像测量,得出探测器的n/γ分辨能力在5倍以上和均匀的成像结果.研制的探测器满足反射谱仪需求,并已在中国散裂中子源反射谱仪靶站就位联调.