cjsmlw / 我的图书馆 / csns-背景

0 0

   

csns-背景

2009-03-14  cjsmlw
项目建设背景
 

一、发展方向

  先进的中子源是中子科学研究的基础。自 1932 年中子被发现以来,能产生高通量中子的中子源一直是科学家不断努力追求的目标。

  高通量的中子源包括反应堆和散裂源。核反应堆是一种稳定连续的中子源,在中子科学研究中发挥了巨大的作用。通常使用 235 U 作为核燃料,每次核裂变产生一个有效中子,而释放 180 MeV 的热量。堆芯中如此大量的热量必须及时有效地带出,才能保证反应堆正常运行。正是因为堆芯散热条件的限制,反应堆中子通量在上世纪六、七十年代就达到了饱和。目前,全球公认通量最高的中子散射研究用堆是法国 ILL ( Grenoble ),通量为 1.5×1015 / cm2 /s 。

  随着科技的进步,相应的研究体系如薄膜、纳米团簇、生物大分子和蛋白质等,尺度分布更大,获得数量在克量级的样品更为困难。因此,小样品的快速、高分辨的中子散射测量迫切需要新一代通量更高、波段更宽的中子源,散裂中子源应运而生。脉冲散裂中子源突破了反应堆中子源的中子通量的上限,正快速地向前发展。

  散裂中子源是由加速器提供的高能质子轰击重金属靶而产生中子的大科学装置。通过原子的核内级联和核外级联等复杂的核反应,每个高能质子可产生 20 ~ 40 个中子,每产生一个中子释放的热量仅为反应堆的约四分之一( ~ 45 MeV )。从反应堆中子源发展到高通量脉冲散裂中子源,使中子探针的功能变得日益强大。

  世界上正在运行的脉冲式散裂中子源主要有美国的 IPNS 和 LANSCE 、英国的 ISIS 。已经调束和即将调束的散裂中子源有美国的 SNS 、日本的 J-PARC 。计划建设的有中国的 CSNS 、韩国的 PEFP 和印度的 ISNS 等。 SNS 和 J-PARC 的设计束流功率超过了 1 MW , CSNS 、 PEFP 和 ISNS 设计功率都在百千瓦量级。

  目前世界上最亮的散裂中子源 —英国卢瑟福实验室的散裂脉冲中子源 ISIS ——利用直线加速器将负氢离子加速到 70 MeV ,通过剥离注入到快循环同步加速器,把质子进一步加速到 800 MeV 后轰击钨靶,产生 通量为 8 × 1015 / cm2 /s 的 脉冲 中子,其脉冲中子通量已高出通量最高的反应堆近一个量级。

  对于中子散射来说,散裂中子源的脉冲特性使人们可方便采用飞行时间技术去利用某一波段范围内的全部中子,而不象反应堆通常只选取某一特定波长的中子,因此中子的使用效率提高 1 ~ 3 个量级。

  进入 21 世纪,美、日、欧等发达国家开始认识到能提供更高中子通量和中子利用效率的散裂中子源在现代科学技术中的重要地位,相继提出建设束流功率为兆瓦量级的散裂源。它们能产生比反应堆高上百倍的有效中子通量,和第三代同步辐射光源相辅相成,又互相不可替代地为多学科的创新研究提供了强大的研究平台。

  在美国,以橡树岭国家实验室为主的六大核科学国家实验室正携手合建一台最终束流功率为 1.4 MW 的散裂中子源 SNS ,它提供的中子通量高达 1017 / cm2 /s 。其总投资也高达 14 亿美元。通过七年多的紧张建设,于 2006 年 4 月 28 日 ,产生出第一束中子。目前,正在逐步地提高功率,谱仪建设也正按部就班地进行, 2006 年底,部分谱仪将对用户开放。

  在日本,日本原子能研究所与高能加速器研究机构合建的工程总投资约 18 亿美元的强流质子加速器研究联合装置 J-PARC 正在建设中。其中一台 3 GeV 的快循环同步加速器将提供 1 MW 质子束流用于驱动散裂中子源。 2008 年初期调束将提供 0.6 MW 的质子束供散裂中子源使用。

  在英国,通过升级改造, ISIS 将束流功率从 80 kW 提高到了 150kW ,并计划进一步升级改造其质子加速器 , 提高束流功率到 240 kW ,同时正在积极建设第二靶站,第二靶站将从每秒 50 个脉冲中得到 10 个脉冲,束流功率为 48 kW 。研究目标指向与纳米技术相关的纳米材料、生命科学等。升级改造工程总投资约 3 亿美元。

  散裂中子源靶站技术的发展围绕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寿命,依据束流功率水平和用户需求,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相继提出和应用。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、更高的中子通量和最佳的中子脉冲形状。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,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。

  早期谱仪大多就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。 ISIS 的高分辨粉末谱仪的中子飞行一百余米,分辨率达到万分之五。 J - PARC 设计了分辨率为万分之三的粉末衍射仪。目前,中子导管不仅被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,它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 10 8 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,扩张十多倍。

  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 的用户也从最初不到 300 人发展到今天超过 1500 人。

  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。
 

二、国内现状

  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。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 余篇研究成果。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作出了出色的工作,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,许多科学家已开始国际合作。例如,北京大学 林建华 教授的 无机固体化学和无机材料化学研究, 东北大学 王延东 教授的材料工程与材料应力研究,复旦大学物理系 孙大林 教授的含氢能源材料研究,中国原子能研究院中子散射实验室陈东风研究员的 燃油微结构研究, 中科院物理所沈保根研究员的磁制冷,饶光辉研究员的稀土合金、闻海虎和周放研究员的高温超导的研究,中科院化学所韩志超研究员的聚合物合成和形态研究等等。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,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。

  中国先进研究堆 (CARR) 预计将在 2008 年建成,它将成为亚洲领先的一个中子散射中心。尽管如此,由于上面指出过的脉冲散裂中子源的一系列优点, 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,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; 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 有利于质子治疗、 m 介子应用、基础中子物理研究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,为科学技术乃至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 35 MeV 质子直线加速器技术,可为散裂中子源的质子直线加速器的设计、制造、组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,克服重重困难,成功研制了一台能量为 3.5 MeV 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。 1980 年至今,我国的同步加速器技术不断发展。北京正负电子对撞机 BEPC 于 1988 年竣工,能量为 1.0 ~ 2.5 GeV ,已成功运行近 20 年,并正在进行升级改造; 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 ~ 300 mA 。 2004 年第三代同步辐射光源——能量为 3.5 GeV 的上海光源在上海张江开工建设,将于 2009 年建成运行。兰州重离子冷却储存环即将建成并已成功出束。上述同步加速器技术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。

三、国际地位

  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,研究成果也将为世界散裂中子源技术的发展作出重大贡献。 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, 100 kW 的 CSNS 的有效中子通量将超过目前已运行的世界上最亮的散裂中子源—英国卢瑟福实验室的散裂中子源 ISIS ,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存在优势。与正在建造的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。 CSNS 在发展中国家面临竞争的是韩国的 PEFP 和印度的 ISNS ,其设计束流功率也为 100 kW 。考虑到两国在加速器技术和基础工业上的差距,如果 CSNS 及时启动的话,必能在韩国的 PEFP 中子源装置和 ISNS 之前建成。图1为世界范围内的散裂中子源的分布图。表1 为 CSNS 与国际同类设施性能及参数的具体比较。

  综上所述,投资仅为兆瓦量级散裂源百分之十几的 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
图1 世界范围内的散裂中子源的分布图

 

表1 CSNS 与国际同类设施性能及参数比较

名 称

地点 (负责单位)

现 状

投资

类 型

束流功率 (MW)

重复频率 (Hz)

靶材

中子通量 (cm -2 ,s -1 )

KENS

日本

( KEK )

1980 年至今运行

40 MeV 直线

500 MeV 环

0.003

50

W

5.0 × 10 14

IPNS

美国

( ANL )

1981 年至今运行

50 MeV 直线

500 MeV 环

0.0075

30

U

7.5 ×10 14

ISIS

英国

( RAL )

1985 年至今运行

70 MeV 直线

800 MeV 环

0.16

50

W

8.0 × 10 15

LANSCE

美国

( LANL )

1988 年至今运行

800 MeV 直线

及储存环

0.08

20

W

5.0 × 10 15

SNS

美国

( ORNL )

1999 年开工建设

2006 年建成

现试运行

14.1 亿美元(一期,包括人员开支);1.6 亿美元(二期)

1 GeV 直线

及储存环

1.0

60

Hg

1.0 × 10 17

J-PARC

日本

(JAEA/KEK )

2001 年开工建设

预计 2009 年建成

1527 亿日元(一期);363 亿日元(二期)

400 MeV 直线

3 GeV 环

1.0

25

Hg

2.0 × 10 17

CSNS

中国

( CAS )

计划中

14 亿元人民币

80 MeV 直线

1.6 GeV 环

0.1

25

W

2.0 × 10 16

    本站是提供个人知识管理的网络存储空间,所有内容均由用户发布,不代表本站观点。如发现有害或侵权内容,请点击这里 或 拨打24小时举报电话:4000070609 与我们联系。

    猜你喜欢

    0条评论

    发表

    请遵守用户 评论公约

    类似文章
    喜欢该文的人也喜欢 更多