散裂中子源与中子散射

文章介绍了散裂中子源的物理基础、中子散射用散裂中子源对加速器的要求和靶系统的特点，阐述了利用散裂源，尤其是脉冲散裂源进行了散射实验的主要优点，并对我国建造散裂中子源的发展战略提出了建议。     

第一讲中子散射与散裂中子源

中子散射是研究物质微观结构和动态的理想工具之一,广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章简明地介绍了中子散射的特点和它作为物质结构和动态探针的优越性,以及散裂中子源的基本原理、发展状况和多学科的应用优势.我国计划建设的散裂中子源CSNS中,靶站将由多片钨靶、铍/铁反射体和铁/重混凝土生物屏蔽体组成.质子束功率100kW下,脉冲中子通量约为2.4×1016n/cm2/s.第一期将设计建造高通量粉末衍射仪、高分辨粉末衍射仪、小角散射仪、多功能反射仪和直接几何非弹性散射仪等五台典型的中子散射谱仪,以覆盖大部分的中子散射研究领域.     

中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量

中国散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建设完工,随后进行了试运行.其中的反角白光中子束线(Back-n)可用于中子核数据测量、中子物理研究和核技术应用等多方面的实验.本文报道对该中子束的品质参数测量实验过程以及最终实验结果.实验主要采用中子飞行时间法,利用~(235)U,~(238)U裂变室和~6Li-Si探测器测量了中子能谱和中子注量率,又利用闪烁体-互补金属氧化物半导体探测系统测量了中子束斑的剖面,得到了该束线的初步实验测量结果.其中白光中子的全能谱测量范围eV—100 MeV,给出了不确定度分析;给出了中子注量率两个实验厅位置的满功率值;给出了白光中子在直径60 mm情况下的全能区束斑.通过与模拟结果的比较探讨了以上结果的合理性,并提出了改进计划.这些实验结果为以后该束线的核数据测量和探测器标定实验奠定了基础.     

中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估

由于缺少可用的散裂中子源,多年来我国在大气中子单粒子效应方面主要依靠模拟仿真和单能中子试验的方式开展研究.随着中国散裂中子源(CSNS)通过国家验收,基于CSNS开展大气中子单粒子效应研究成为可能.本文利用CSNS反角白光中子源开展多款静态随机存取存储器器件的中子单粒子效应试验,并与早期开展的高原大气试验结果进行对比,对CSNS在大气中子单粒子效应研究中的应用进行评估.结果表明,相同器件在CSNS反角白光中子源测得的单粒子翻转截面小于大气试验的结果,且不同器件的翻转截面与特征尺寸没有明显的单调关系.分析得到前者由于CSNS反角白光中子谱偏软;后者由于特征尺寸降低导致的临界电荷变小和灵敏体积变小对截面的贡献是竞争关系.针对截面偏小的问题,根据能谱差异分析了中子能量阈值对器件翻转截面的影响,发现能量阈值取12MeV进行计算时,器件在CSNS反角白光中子源和高原大气中子环境中能够得到较一致的截面.研究结果表明CSNS反角白光中子源能够用于加速大气中子单粒子效应试验.考虑到CSNS的运行功率正在逐步提高,且多条规划中的白光中子束线与大气中子能谱更为接近,预期未来CSNS将能更好地应用于大气中子单粒子效应研究.     

散裂中子源靶站谱仪的物理设计

中子散射广泛地应用于凝聚态物质研究和应用的众多学科领域,是研究物质微观结构和动态的理想工具之一.散裂中子源能是新一代的加速器基脉冲中子源,能为中子散射提供高通量的脉冲中子.文章重点介绍了散裂中子源项目CSNS中靶站和谱仪的建设内容和设计工作的进展.     

基于中国散裂中子源反角白光中子束线的天然锂中子全截面测量

锂是熔盐堆燃料载体盐的主要材料之一,其中子核反应截面数据是熔盐堆芯中子物理设计及堆芯长期安全运行中的重要基础数据.本工作基于中国散裂中子源反角白光中子束线(CSNS Back-n)飞行时间谱仪,利用中子全截面测量谱仪(NTOX),采用透射法测量了天然锂中子全截面.实验中,中子飞行距离约为76.0 m,采用15.0 mm和8.00 mm两种厚度的天然锂金属样品,在0.4 e V—20 Me V中子能量范围内测得了统计计数较好的中子全截面.特别是在ke V及以下能区增补了实验数据,为锂的核数据评价工作提供了更加丰富和可靠的实验数据.在此基础上,采用1/v律和R矩阵理论对Me V以下能区的新测量数据进行了理论分析,获得了7Li和6Li在260 ke V能量附近的中子共振参数.     

中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪尖嘴型中子准直光阑的研制

中国散裂中子源（CSNS）工程材料中子衍射谱仪（EMD）的样品非常大,且形状各异,有些样品甚至是曲面的,中子准直光阑（狭缝）要靠近这些异形构件,需要设计成尖嘴型。狭缝的主要作用是给样品测试提供所需要的束流尺寸,并保证束流尺寸精度很高,束流没有太多杂散中子。工程材料中子衍射谱仪的尖嘴型狭缝为连续型,开口可以根据实验需求进行变化。狭缝采用双导轨结构,定位精度高,重复定位精度优于10μm,绝对定位精度优于30μm。狭缝刀片采用富集碳化硼,较大程度减小了刀片的厚度,可以有效降低狭缝悬臂结构的变形量,保证狭缝有足够长度的尖嘴,能够接近异形构件,特别能够深入到长管内部,提高了工程材料中子衍射谱仪的实验能力。狭缝采取双重安全设计：导轨互换系统和防撞结构,可以有效防止狭缝在使用过程中被大件样品撞坏。该狭缝已经应用到中国散裂中子源工程材料中子衍射谱仪的实验测试,为残余应力测量做出了重要贡献,它的应用为国内外尖嘴型狭缝的设计提供了非常重要的参考。     

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。     

Neutronics studies of solid targets for spallation neutron source using Monte Carlo simulation

Neutronics studies for a solid target have been done with Monte Carlo high-energy particle transport code NMTC/JAM,when the proton beam with high kinetic energy bombards the target.The effect of the main parameters of the target on the neutron flux is discussed to optimize the target,which will be used for the concept design of the target of spallation neutron source.A target with its aspect ratio 1.5:1 or 2:1 gives the highest neutron flux.Tungsten is the most acceptable material from the technical and economical points of view.Beryllium as a moderating reflector can increase the neutron flux effectively.     

Detection of supernova neutrinos at spallation neutron sources

After considering supernova shock effects, Mikheyev-Smirnov-Wolfenstein effects, neutrino collective effects, and Earth matter effects, the detection of supernova neutrinos at the China Spallation Neutron Source is studied and the expected numbers of different flavor supernova neutrinos observed through various reaction channels are calculated with the neutrino energy spectra described by the Fermi-Dirac distribution and the "beta fit"distribution respectively. Furthermore, the numerical calculation method of supernova neutrino detection on Earth is applied to some other spallation neutron sources, and the total expected numbers of supernova neutrinos observed through different reactions channels are given.     

Fission,spallation or fusion-based neutron sources

In this paper the most promising technology for high power neutron sources is briefly discussed. The conclusion is that the route to high power neutron sources in the foreseeable future is spallation — short or long pulse or even CW — all of these sources will have areas in which they excel.      

中国散裂中子源/快循环同步加速器束流负载效应的补偿

针对强流质子同步加速器中的束流负载效应,基于中国散裂中子源/快循环同步加速器射频系统样机,在不降低腔体Q值的前提下,以数字化低电平控制为主要技术手段,对束流负载效应进行补偿。提出完整的由多控制环路组成的束流负载效应补偿方案。该方案主要由引入自适应算法的束流前馈和高带宽低延时的射频直接反馈,以及在束流负载下对腔体谐振状态进行控制的腔体预失谐和动态调谐等组成。     

极化中子技术

极化中子技术是利用中子的自旋与样品及磁场的相互作用进行测量的一种技术,是中子散射技术中的重要组成部分。极化中子技术已经成功地应用于磁性、强关联、纳米、自旋电子、高分子和生物等材料中,为前沿材料学研究与工业应用提供了所亟需的探测与表征手段。另外,极化中子也被广泛应用于核物理和粒子物理相关领域的基础测量。文章对极化中子技术的发展进行了简要的介绍,概括了极化中子实验所涉及的理论知识,以及在实验中所使用的主要技术,并在此基础上展示了当前极化中子技术在科研中的应用及其所使用的实验装置。     

第二讲 散裂中子源和高功率质子加速器

文章介绍了与散裂中子源相关的高功率（几十千瓦到几兆瓦）质子加速器的发展状况,比较了不同类型的加速器组合的优缺点和它们的应用范围,并着重介绍该类型加速器所研究的主要加速器物理和加速器技术问题,其中很多都是当今国际粒子加速器领域的前沿问题.文中还简单地介绍了中国散裂中子源（CSNS）计划的加速器概念设计方案.