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美国ORNL的散裂中子源SNS
时间 : 2011-06-23     

美国ORNL的散裂中子源SNS


橡树岭国家实验室ORNL(Oak Ridge National Laboratory)是美国能源部所属最大的科学和能源研究实验室。

OPNL的散裂中子源SNS(Spallation Neutron Source)是以加速器为基础的中子源,占地30英亩,耗资14.117亿美元,历经10 年,于2006年6月5日正式竣工。ORNL的SNS工程办公室领导能源部6个国家实验室建造这一工程,它们是:阿贡国家实验室、劳伦斯伯克利国家实验室、布鲁克海文国家实验室、托马斯杰斐逊国家加速器设施、洛斯阿拉莫斯国家实验室和ORNL。

SNS鸟瞰

Artist's conception of SNS.

SNS分工示意图

Front End Systems(前端系统,由劳伦斯伯克利国家实验室制造)

Accumulator Ring(累积环由布鲁克海文国家实验室制造)

Linac(直线加速器,由洛斯阿拉莫斯国家实验室和杰斐逊实验室制造)

Target(靶,由ORNL制造)

Instrument Systems(仪器系统,由阿贡国家实验室和ORNL制造)

虽然美国能源部宣布SNS于2006年如期和按预算竣工,但美国政府问责局发现工程拖期8个月,超支7300万美元,相当于超过预算的5.9%。现在,它提供世界上最强的脉冲中子束流,用于科学研究和工业发展。作为一个用户装置,它使来自世界的研究人员能够研究构成能源、通讯、制造、运输、新技术,信息技术、生物技术和健康基础的材料科学。计划将中央冷却水改造为重水(氘氧化物)提高中子的产量。

中央实验室和办公大楼(CLO)目前每年接待300-400名外来的研究人员,他们利用中子打击、探索物质和它们界面的结构和动态行为。与中央实验室和办公大楼相连的一座单独建筑是由能源部单独资助的纳米相材料科学中心。SNS的设计留有余地,便于建造第二个靶装置建筑,使总的实验能力提高一倍。

SNS的靶安放高达24 个中子束流仪器。目前,已经分配了其中的17个束流位置,并包括为SNS独特能力特别设计的世界一流水平的衍射仪、光谱仪和反射仪。一条光束线专门用来研究基础中子物理。每个仪器都为一个特定的科学领域进行优化。总的说来,各种仪器对原子和分子水平的物质的结构和动力学进行广泛的研究。

这些仪器的使用范围从研究焊接周围的局部拉力,到研究层状材料中的磁现象,在到生物材料中的功能性的实验。前三个仪器2006年开始运行,新的仪器按每年完成1到4个的速率至少到2011年。

 

SNS的结构

SNS带负电荷的氢离子由离子源产生。每个离子由两个电子绕行的一个质子组成。离子注入到直线加速器,直线加速器将它们加速到非常高的能量。这些离子通过一个金属箔,该金属箔剥去每个离子的两个电子,将其转换为一个质子。质子通过一个环,在那里它们累积成束团。每个质子束团作为一个脉冲从环释放出来。高能质子脉冲打击一个重金属靶,该金属靶是一个装液态水银的容器。通过散裂过程释放的相应中子脉冲在减速剂中被减慢下来,并通过光束线被引导到装有专门仪器如中子探测器的区域,不同能量的中子在那里可用于各种各样的实验。

SNS结构示意图

基准设计要求有一个加速器系统,包括一个离子源,全能量直线加速器和一个累积环,两者结合起来产生短的强大质子脉冲。通过散裂中子核反应过程,这些质子脉冲撞击到一个水银靶。在最大功率时,SNS向靶发送140万瓦(1.4兆瓦)的束流功率,设计SNS时,为未来提供额外的科学产出提供了灵活性。这种做法的目的是提供一个良好的设施,满足进入下一世纪中子科学界对中子流强的需求。

·中子源

由劳伦斯伯克力国家实验室 (LBNL)负责设计和建造SNS的前端系统,包括一个离子源,束流形成和控制硬件,以及低能束流传输和加速系统。离子源产生负氢离子 - 带一个额外的附加电子的氢一 形成一个脉冲束流,并被加速到2.5 MeV。这一束流被传送到一个大的线性加速器。

 

SNS的前端系统

·直线加速器

SNS直线加速器

由洛斯阿拉莫斯国家实验室(LANL)负责直线加速器。直线加速器将负氢束流从2.5加速到1000 MeV或1 GeV。该直线加速器由正常传导和超导高频腔叠加而成,腔体加速束流和提供聚焦和导向的磁铁布局。使用了三种不同类型的加速器。前两个加速器,即漂移管直线加速器和耦合腔直线加速器由铜制成,室温运行,将束流加速到约200 MeV。其他部分的加速由超导铌腔完成。这些腔体用液氦冷却到工作温度2000。诊断部件提供有关束流电流、形状、定时方面的信息,以及确保束流适于注入到累积环,并使高功率束流得到安全控制所需的信息。

·累积环

SNS累积环示意图

SNS Ring.

SNS累积环增强高速离子束并以每秒60次的速率将其射到水银靶

由布鲁克海文国家实验室(BNL)负责累积环结构。累积环结构使离子束形成束团并增强离子束,发送到水银靶,产生脉冲中子束。直线加速器产生的强负氢束流必须锐化1000次,以便产生最佳中子散射研究所需要的极短和尖锐的中子束团。为实现这一目标,直线加速器产生的负氢(H -)脉冲通过剥离金属箔被掩蔽在环中,剥离金属箔从带负电荷的氢离子剥离电子,产生在环中运行的质子(H + )。大约累积1200圈,然后所有这些质子立即被踢出,产生小于10–6秒的脉冲送到靶。用这一方法,以每秒60次的速率产生、储存和引出短的强中子脉冲打靶。

·靶

ORNL负责设计和建造液体水银靶。因为进入的1 GeV 质子束流的短强脉冲要将大量的能量存在散裂靶中,所以决定采用液体水银靶,而不是像钽或钨这样的固体靶。SNS是第一个采用纯水银作为质子束流靶的科学装置。

SNS target.

矩形物体是SNS的靶(内装液态水银),散裂在此发生

选水银作为靶有几个原因:(1)它不像固体靶,不会被辐射损坏;(2)它有高的原子序数,成为一个无数中子的源(水银原子核平均有120个中子和80个质子);(3)因为室温时它是液体,所以它比固体靶更能消除温度大量快速上升,并经受住快速高能脉冲引起的冲击效应。

从靶出来的中子必须变成适用于研究的低能中子,也就是说,它们必须减速到室温或更低点。从靶来的中子通过装满水的管(产生室温中子),或通过温度20K的液氢容器(产生冷中子)减速。这些减速剂位于靶的上部和下部。冷中子特别有助于研究聚合物和蛋白质。

SNS采用的是一种产生中子的特有安全方法,因为质子束中断后,中子产生停止。它还产生极少的危险物质。为使装置的安全性达到最大程度,SNS的设计中包括有多种牵制水平,防止潜在的危险物质进入环境。

 

SNS的升级改造

SNS的设计和硬件中留有许多技术余地,便于将功率从基准1.4兆瓦升级到2-4兆瓦的范围,最终也许到5兆瓦。升级计划基于为改善直线加速器的超导腔性能,减轻累积环中的强度阈值,和降低水银靶中的空蚀的SNS发展计划的最新进展。由于升级的关键要素依赖复制现有的设计,所以升级定位于富有挑战性的部署,2008财政年度开始建造,2012财政年度完成。升级的费用为1.5亿美元至1.73亿美元。这次升级将改善所有在SNS安装的散射仪器的性能,并在将来提供也可引出到一个潜在的第二个靶的束流功率,拓宽SNS仪器套件和可研究的科学范畴。

SNS功率升级将大约花费最初装置造价的10%,而使SNS的科学能力约提高1倍。束流能量将增加30%,从1.0 GeV 提高到1.3 GeV,束流功率3.0 MW时,时间平均加速器输出束流流强将增加65%,从1.4毫安提高到2.3毫安。SNS的加速器束流能量提高30%时,有很小的技术、费用或进度风险。技术风险在于方程的流强一面;需要研究和开发的三个主要的技术风险领域是离子源、碳剥离膜和水银靶。

SNS实验仪器分布

SNS实验大厅

sns_instrument_layout_900

SNS束线及实验仪器分布

http://neutrons.ornl.gov/instruments/SNS/beamline.shtml

各条光束线上的仪器按上图编号加以说明:

BL-2 背散射谱仪(Backscattering Spectrometer),研究大分子动力学、分子约束系统、聚合物、生物学、化学和材料科学;

背散射谱仪

BL-1B 纳米尺度有序材料衍射仪(Nanoscale Ordered Matreials Diffractometer), 研究液体、溶液、聚合物、单晶和部分有序复合材料;

纳米尺度有序材料衍射仪

BL-18 广角斩波光谱仪 (Wide Angular-Range Chopper Sapectrometer),研究材料科学、化学和凝聚态科学中原子水平的动力学;

广角斩波光谱仪

BL-17 高分辨率费米斩波光谱仪 (Fine–Resolution Fermi Chopper Spectrometer), 研究复杂流体、量子流体、磁性、凝聚态和材料科学;

高分辨率费米斩波光谱仪

BL-1A超小角度中子散射仪器 (Ultra-Small-Angle Neutron Scattering Instrument), 研究生命科学、聚合物、材料科学、地球和环境科学;

BL-16B振动光谱仪(Vabrational Spectrometer), 研究分子系统和化学中的振动动力学;

振动光谱仪

BL-16A 将来拟定;

BL-3 散裂中子和压力衍射仪 (Spallation and Pressure Diffractometer), 研究材料科学、地质学、地球和环境科学;

散裂中子和压力衍射仪

BL-1C将来拟定;

BL -15中子回波斩波谱仪 (Neutron Spin Echo Spectrometer), 研究慢过程动力学、聚合物、生物大分子;

中子回波斩波谱仪

BL- 4A 磁性反射仪(Magnetism Reflecter), 研究化学、层状系统的磁性和接口;

BL -14B 混合光谱仪(Hybrid Spectrometer), 研究单晶体中原子水平的动力学、磁性、凝聚态科学;

BL-14A 将来拟定;

BL-4B 液体反射仪(Liquids Reflecter), 研究复杂流体中的接口、聚合物、化学;

BL-13 基础中子物理光束线(Fundamental Neutron Physics Beam Line), 研究中子的基本特性;

基础中子物理光束线

BL-5 冷中子斩波光谱仪(Cold Neutron Chopper Spectrrometer), 研究凝聚态物理、材料科学、化学、生物学、环境科学;

冷中子斩波光谱仪

BL-8A和BL-8B均将来拟定;

BL-11B 大分子中子衍射仪 (Macromolecular Neutron Diffractometer), 研究膜蛋白的原子水平结构、药物组成、DNA;

大分子中子衍射仪布局

BL-12 单晶衍射仪 (Single-Crystal Diffractometer), 研究化学中的原子水平结构、生物学、地球科学、材料科学、凝聚态物理;

单晶衍射仪

BL-6 扩展Q小角中子散射衍射仪(Extended Q-Range Small-Angle Neutron Scattering Diffractometer), 研究生命科学、聚合物、胶体系统、材料科学、地球和环境科学;

小角中子散射衍射仪

BL-9 弹性漫散射谱仪 (Elastic Diffuse Scattering Spectrometer), 详细研究晶体材料中的无序;

BL-10 将来拟定;

BL-11A 粉末衍射仪 (Powder Diffractometer), 研究化学、材料科学和包括磁自旋结构的凝聚态物理的原子水平结构;

粉末衍射仪

BL-7 工程材料衍射仪(Engineering Material Diffractometer), 研究机械行为、材料科学、材料处理。

工程材料衍射仪

SNS开始时有一个靶站,工作频率为60 Hz。用两个“热”减速剂和两个“冷”减速剂为18条光束线服务,在这些光束线上建造各种仪器。SNS期待每年有来自科学和工业界的1000–2000个用户使用其实验设备。因为不是所有这些用户都是中子散射方面的专家,所以SNS提供科学家和技术员维护和运行这些仪器,并同用户界密切合作。最终使用的仪器由用户界通过SNS仪器监督委员会确定。

广大的用户界已经并且将继续参与仪器的设计、建造和运行。用户界推荐和提出优先在60Hz靶站上安装的一套10台仪器。保留8条光束线供合作研究组研制和安装另外的仪器。

 

SNS上的科学研究

SNS上的仪器,如中子光谱仪,用来确定晶体、陶瓷、半导体和蛋白质中原子的位置和排列。中子光谱仪如何工作?由散裂中子源产生的中子脉冲沿着飞行轨道到达样品。由于中子具有不同能量和波长,所以它们按时间分布,呈现出到样品的连续光谱。当晶体中的原子之间的距离与入射的中子波长相匹配时,该中子散射进入多探测器,记录散射中子的位置(散射角)和到达时间。其结果是图谱呈多峰状,显示到达多探测器中每个点的不同数量的中子的不同位置和到达的次数。这种峰状告诉科学家们晶体中的不同原子是如何在排列的。

Outside the backscattering spectrometer.

SNS的背散射光谱仪

以相同原理为基础的仪器可以用来确定玻璃和复杂流体的原子结构,或工业部件中的残余应力。测量非弹性散射的仪器需要测量中子跨越往返样品路线的时间。用这种方法,仪器可以确定重要材料的激发谱和使原子保持在一定位置的力。飞行时间技术使为每个中子脉冲搜集大量数据点成为可能。测量中子时间飞行仪器的效率和产生流强,不断提高以加速器为基础的散裂中子源的能力,将来可以不断提供改进的中子源。

 

中国科学院大科学装置办公室  资料来自http://neutrons.ornl.gov/