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英国RAL的散裂中子源ISIS
时间 : 2011-09-19     

英国RAL的散裂中子源ISIS


以古埃及女神名字命名的散裂中子源 / ISIS的加速器 

ISIS的靶站 /升级改造 / 研究成就


以古埃及女神名字命名的散裂中子源

英国散裂中子源ISIS属卢瑟福.阿普尔顿实验室RAL(Rutherford Appleton Laboratory),从20世纪八十年代建成一直到2007年,ISIS一直是世界上亮度最高的散裂中子源。ISIS提供中子和缪子束流,每年支持世界上大约1600名科学家开展物理、化学、材料科学、地质学、工程和生物学的研究,这些用户在近20台中子散射谱仪上开展700多个实验。

历史悠久的RAL实验室位于英国牛津郡,1921年以来,RAL实验室由多个实验室陆续合并而成,成为国际著名的大型核物理、同步辐射光源、散裂中子源、空间科学、粒子天体物理、信息技术、大功率激光、多学科应用研究中心。

 

 

RAL实验室位置示意图(图片来自Google)

RAL实验室鸟瞰

 

1985年10月,RAL实验室建成了世界上亮度最高的散裂中子源ISIS,从此吸引了大量国际投资,发展成为国际上一支凝聚态物质研究方面的主要力量。

ISIS不是缩写词。该名称是1984年由时任英国首相的玛格丽特.撒切尔夫人为中子源开始运行而确定的。在此之前,称为SNS。ISIS是古埃及的一位主要女神,她具有超越所有其他神的力量,并能使人起死回生,被认为是生命复活的象征。这对建在泰晤士河旁的新中子源来说十分恰当,因为它继承了大量原加速器设备。

 

古埃及女神ISIS画像

 

ISIS的科学计划包括基础和战略研究,涉及学术界和工业部门在许多主要科学学科方面的合作。ISIS上开展的实验通过同行评议,每年完成的实验超过600个。ISIS成功运行20 余年,正以约3亿美元的投资升级改造其质子加速器,并积极建设第二靶站。

2003年3月,总投资4.73亿英镑的中能高亮度第三代同步辐射光源Diamond在牛津郡南部动工建设。Diamond能量为3GeV,与散裂中子源ISIS和电子显微镜及激光装置相邻。Diamond并不属于RAL实验室,之所以就近建设,就是为了发挥这些装置的综合优势,形成一个有利于发挥最大科学效益的布局。

 

Isis and Diamond

散裂中子源ISIS(左)与同步光源Diamond(右)

 

ISIS的加速器

ISIS批准于1977年,1984年后期首次产生中子,1985年10月正式建成。从此,吸引了大量的国际投资,发展成为国际上一支凝聚态物质研究方面的主要力量。

ISIS利用直线加速器将负氢离子加速到70MeV,通过剥离注入到快循环同步加速器,把质子进一步加速到800MeV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。

 

散裂中子源ISIS全景

ISIS布局示意图

ISIS设备示意图

  

ISIS的加速链从负压665 kV 的Penning负离子源开始。引出的负离子束加速到地面,注入到直线加速器,注入的能量为665 keV。4个阿尔瓦雷兹型的直线加速器把束流加速到70 MeV,提供200微秒长的22毫安负离子脉冲。

 

ISIS的离子源

 

进入同步加速器后,负离子束穿过一个0.3微米厚的氧化铝剥离膜。该剥离膜将电子从束流的负离子中移出,将它们变换为质子。质子束大约在同步加速器中运行130圈内注入,使空间电荷效应减到最低,将质子的数量累积到2.8x1013

 

 

ISIS的同步加速器及四极磁铁

 

注入结束后,两个高频系统将注入的束流俘获在两个束团里,并将它们在正旋波主磁场的10微秒的上升边加速到800 MeV。有两个双间隙铁氧体调谐的高频腔,束流每转一圈提供一个140 kV的峰值加速电压。引出前,脉冲100毫微秒长,彼此间隔230毫微秒。质子束流大约要在同步加速器中运转10000圈,然后才偏转进入质子引出束流线。通过3个快速冲击磁铁,可以作到这一点。冲击磁铁的电流在100毫微秒的时间内从0上升到5 kA。整个加速过程在1秒内重复50次。

ISIS脉冲源产生的中子特性与连续核反应堆源产生的中子有很大的不同。特别是多色中子束流上采用了飞行时间技术,直接决定了每个中子的能量和波长,允许采用固定散射几何结构。在能量和动量传输中,信号噪音水平好,测量涵盖广泛的谱,初始0.4微秒的中子脉冲锐度由小的减速剂保持,给缓冲谱一个丰富的高能成分,或使仪器获得高分辨率。

缪子在一个轻元素的高能质子和原子核对撞中产生。ISIS还通过同步加速器的800 MeV质子在到达中子主要产生区强前穿过石墨中间靶产生强的脉冲缪子束。一小部分质子与碳原子的质子或中子发生对撞,产生短寿命带电荷的π介子,半寿命为26毫微秒,衰变成缪子。已在产生靶表面衰变的π介子产生自旋极化缪子束,称为正缪子表面缪子束,与中子靶一样,重复频率也是50 Hz。

除了在主靶中产生中子外,π介子和缪子衰变产生大量的中微子。称为KARMEN的实验旨在利用脉冲结构的性质研究基本粒子问题。

 

ISIS的靶站

中子在ISIS散裂过程中产生。一个强大加速器产生的高能量质子脉冲轰击一个金属靶,将中子从靶原子的原子核中驱赶出来。结果产生极强的中子脉冲,输运时在中子靶中仅产生不太高的热量。相比之下,传统的中子反应堆源则忍受反应堆芯中产生极高的热量,增加了材料技术现有的局限性。由于ISIS加速器的低负载周期,ISIS靶中按时间平均产生的热量为160 kW,但在脉冲中,中子的亮度超过最先进的稳定态源。

散裂靶由重金属钽制作而成。质子轰击靶材料中的原子核,触发原子核内的级联过程,使单个原子核处于高激发状态。然后,通过蒸发核子(主要是中子),原子核释放出能量,有些会离开靶,而其他的则继续进一步触发反应。送到靶的每个高能质子产生大约15个中子。该过程产生的中子一般都有很高的能量和速度,必须降下来才能用于凝聚态物质的研究。靠靶周围的一组小的含氢减速剂可作到这一点。这些减速剂利用氢的大散射截面通过与氢原子核的不断对撞使通过的中子减速下来。减速剂的温度决定产生的中子的谱分布,可以为不同类型的实验进行修改。ISIS的减速剂为环境温度水(43°C),液态甲烷(100 K)和液态氢(20 K)。

 

ISIS第一靶站全景

ISIS第一靶站示意图

 

ISIS第一靶站大厅

ISIS第一靶站

 

升级改造

ISIS的升级改造工程,将质子加速器的束流功率从160kW提升到240kW并建设第二靶站,第二靶站将从质子加速器提供的每秒50个脉冲中得到10个脉冲,束流功率为48kW,非常适合开展基于长波中子的研究工作。

 

ISIS升级改造方案示意图

 

第二个靶站的主要功能是增强冷中子束流、宽展光谱范围和提高分辨率,为软凝聚态物质、分子生物科学和先进材料的开发利用提供重要的一步。

 

第二靶站外景

束流向第二靶站输送

 ISIS第二靶站示意图 ISIS第二靶站

ISIS第二靶站大厅

 

第二靶站2008年秋季开始运行,有几种可能的升级方案备选:功率为1、2和5兆瓦。一个受欢迎的想法围绕着新的3 GeV快速循环同步加速器(RCS)设计可增加现有ISIS束流能量,提供1兆瓦功率。也可能,作为第二次升级改造的思路,为达到2-5兆瓦功率,从新的0.4-0.8 GeV直线加速器累积和加速束流。

 

研究成就

过去的几十年中,从对绝缘体和稀土金属中反铁磁的基础物理研究开始,利用中子散射的研究范围远远超出了人们当初对此技术的期待。

· 聚合物和软物质

对软固体处理进行实时中子研究为许多工业上的加工工艺从合成物到胶体做出独一无二的贡献。

· 无序材料

中子散射改进了对无序晶体材料、玻璃和液体的认识–这对光学通讯、化学和生物化学工程、食品科学以及医药和分子生物学都至关重要。

· 结构化学

对具有工业规模的样品(例如监视真实电池的放电)进行现场和快速实时测量的能力加强了对产品合成和运作的基本了解。

·化学的活性度和分子运动

中子被用来研究界面化学反应的动力学和影响清洁技术和废物管理的新催化工艺。

· 生物学和生物技术

中子可研究围绕DNA的水的结构,重要地了解大规模的构造。中子反射提供流体跨过薄膜的信息。

· 地球和环境科学

对高温高压时复杂矿物的结构研究,可了解地质的基本过程,如火山活动和地震。

· 工程

中子可深入研究固体物体,像涡轮叶片、气体管道和焊缝,独特地微观了解这些关键工程部件运行寿命的张力和应力。

· 凝聚态物质物理

利用中子研究钠米粒子、低维系统和磁性影响下一代计算机技术(量子装置)和超导材料。

· 基本物理

脉冲中子源也是强中微子源,可对物质的基本组成部分开展基础研究。

 

中国科学院大科学装置办公室

资料来自http://www.isis.stfc.ac.uk/index.html