CSNS可研报告评审 中国散裂中子源靶站谱仪 介绍 陈元柏 2010年8月

散裂源项目的基本情况 靶站设计 谱仪的设计 散裂源的其它应用

中子源的发展 CSNS 热中子通量 年份 反应堆 散裂中子源 CARR JSNS

中子散射与同步辐射功能互补：水、氧、磁性结构 电子、X-线、激光散射 电磁作用 散射距离约10-10米 对重原子更敏感 通量大 中子散射 核-核作用 散射距离约10-15米 对轻、重原子皆敏感 对同位素敏感 高穿透性 对氢、碳、氮等敏感 带磁矩、自旋 同步辐射测定其晶体结构骨架，与蛋白结合的水分子位置由中子衍射测定 对于大样品体系，研究结果具有更很的统计结果，更接近物质的本质。因此，即使是纳米材料体系，如果能够获得大量样品，仍应考虑使用中子散射研究。 高温超导体YBCO123相的晶体结构，由同步辐射确定，而氧的位置和占有率由中子散射最终确定（橙色部分）。

散射源与反应堆功能互补：液体，玻璃，非晶态和纳米材料 美国散裂中子源谱仪(IPNS-GPPD) 法国反应堆中子源谱仪(ILL-D4) 有利于研究大的尺度范围内的结构和动态 有利于研究物质中低能激发的超高精度的测量，如软物质中的相互作用等 连续型，通常须单色化，只利用其中某一个波长的中子，适合对某一特定的动、能量点附近的结构和动态信息作局部精细测量 热量沉积高：～180 MeV，g射线本底较高 有利于精确测量原子级近邻的细微变化 有利于原子的高能激发，如晶格高能振动、氢原子扩散等动态过程研究 脉冲型，有时间结构，适合同时测量大范围的动量、能量变化，全面反应物质的结构和动态信息 热量沉积：20～45 MeV，g射线本地较低 Identify key components: choppers, guide, sample chamber, detector coverage Emphasize dimensions ～1000原子尺度 10～100原子尺度 单个原子尺度 ＋

中子散射的应用 过去40年，每经过10年中子散射的应用领域就会增加几倍。ISIS在80年代中 期建成时，每年用户只有300个，现在已经达到每年1500个用户。

设计指标、验收指标、工程指标、升级预留 设计指标：100kW 质子束流功率 CSNS工程的总体设计指标 CSNS工程的验收指标 脉冲重复频率 (Hz) 平均流强 (mA) 束流能量 (GeV) 最高中子效率 (n/proton/sr) 谱仪数目 100 25 63 1.6 5×10-3 3 自工程竣工验收后三年内达到工程总体技术指标 CSNS工程的验收指标 束流功率 (kW) 脉冲重复频率 (Hz) 平均流强 (mA) 束流能量 (GeV) 最高中子效率 (n/proton/sr) 最高中子通量 (n/cm2 /s@14m) 谱仪 数目 10 25 6.3 1.6 5×10-3 105 3 升级预留： 200-500kW 质子束流功率 7

建设内容 直线加速器 快循环同步加速器 靶站 谱仪 项目建设内容主要包括一台强流质子直线加速器、一台快循环同步加速器（RCS）、一个靶站、3台中子谱仪，以及与其配套的建筑物、供水、供电、空调、辐射防护等设施。 直线加速器 快循环同步加速器 靶站 谱仪 8

项目定位 我国科技创新领域必不可少的重大基础设施 与同步辐射光源（如上海、北京和合肥光源）及反应堆功能互补， 以其独特性能服务于生命、环境、材料、医药、物理、化学等学 科及工业界。 国内首座基于强流质子加速器的高科技大装置平台，其建设将填 补国内脉冲中子应用领域空白，缩短该领域与世界前沿的30年差 距，长期满足国内需求。 世界新一代四大脉冲散裂中子源之一，具国际竞争力 脉冲中子通量为2×1016/cm2s，仅次于美国SNS和日本J-PARC， 超过英国ISIS。 领先韩国、德国、印度、北欧及西班牙等筹建项目 装置的科学寿命预计为30年，可以升级改造到500KW。

装置选址 广东省东莞市大朗镇 北临常虎高速，与松山湖科技产业园区隔路相望，东、西、南三面为为丘陵 距广九、广梅汕铁路交汇点的常平火车站7公里 距广州白云机场85公里 距深圳宝安机场46公里 10

工程进展汇报 散裂中子源园区规划设计方案已基本确定，广东省建筑设计院正在进行建筑方案设计。

靶站的设计 靶站：加速器加速的高能质子脉冲入射重金属靶体，通过散裂效应产生大量中子，并用慢化器将其慢化成适合中子散射用的慢中子脉冲的设施。 CSNS靶站为中子散射谱仪提供了20条中子孔道。 一期设计为100KW，保留升级到500KW的能力－屏蔽，低温和水冷却等系统

靶站设计指标 100 1.6 63 25 钨靶，钽包覆，重水冷却 水 (300K), 耦合液氢(20K)，退耦合液氢（20k） 束流功率[kW] 100 质子束能量 [GeV] 1.6 平均束流强度 [mA] 63 脉冲重复频率 [Hz] 25 靶 钨靶，钽包覆，重水冷却 慢化器 水 (300K), 耦合液氢(20K)，退耦合液氢（20k） 反射体 Be/Fe (Φ700/1000X1000mm) 屏蔽体 5m 铁+ 1m 重混凝土 中子束道 20 条中子束道，垂直 shutter, 内置中子导管

靶及冷却系统：含靶体、重水冷却系统、轨道维护车 慢化器及低温系统：含水慢化器、液氢慢化器及其低温和冷却系统 靶站系统组成 靶及冷却系统：含靶体、重水冷却系统、轨道维护车 慢化器及低温系统：含水慢化器、液氢慢化器及其低温和冷却系统 反射体及冷却系统：含铍反射体、重水冷却系统、反射体结构 氦容器系统：不锈钢容器，质子束窗和中子窗口 屏蔽体系统：（含Shutter）含屏蔽体、18个中子束流孔道及其开关装置 遥控维护和后处理系统：遥控热室、三废处置，辐射防护 控制系统：靶站控制 通用系统：水电气，通风，冷却水，真空，氦气系统等

靶站谱仪大厅

Shutter Shutter驱动 靶-慢化器-反射体组件 （TMR） 质子束流 中子束线 氦容器 靶站地基 屏蔽体 16

设计基准：人员可以到达的区域辐射剂量不大于2.5μSv/h。 屏蔽体 设计基准：人员可以到达的区域辐射剂量不大于2.5μSv/h。

靶-慢化器-反射体组件(TMR) 活化分析 退耦合窄化液氢慢化器(DPHM) 退耦合水慢化器(DWM) Be 反射体 耦合氢慢化器(CHM) Fe 反射体 18

靶体系统（水平更换） 关键的核心部件 靶体系统构成示意图 说明： 靶体后端庞大的维护拖车，其主要功能为能移出靶体进行更换或维护用

慢化器、中子束线 靶上退耦合水慢化器（左上）为高通量热中子、中高分辨需求的谱仪提供6条束线，保留将来变更为液氢慢化器的可能性 退耦合窄化液氢慢化器（左下）为高分辨需求谱仪提供6条束线 靶下耦合氢慢化器为利用高通量长波中子、中低分辨需求的谱仪提供8条束线 20

氦容器

慢化器-反射体插件（垂直更换）

靶站关键技术的研究 靶 慢化器 反射体 靶站屏蔽 靶站维护 公用系统 低温系统

关键部件——靶体 冷却间隙 靶体材料：钨 作 用：质子轰击钨靶产生中子 技术难点：在钨块的六个表面包覆 性能可靠的钽层 Proton beam 4mm 冷却间隙 靶体材料：钨 作 用：质子轰击钨靶产生中子 技术难点：在钨块的六个表面包覆 性能可靠的钽层 注：钽层厚度<0.5mm 说明： 冷却间隙通道：1.2mm

CSNS初设方案的冷却设计 关键参数的范围确定 120kW下的计算结果 确定原则：(暂定） 1)流速不宜过大，暂 控制在5m/s以下； 冷却水流量 最高温度 前窗 压降 靶体内最大流速 水 钨 钽壁温 上下盖板 L/min ℃ kPa m/s 131 41.77 184.52 95.55 96.57 52.312 24.98 4.57 120kW下的计算结果 确定原则：(暂定） 1)流速不宜过大，暂 控制在5m/s以下； 2)靶心的最高温度控制 在200 ℃以下 3)靶表面的最高温度控 制在温度气化以下 水的沸点随压力的变化

最大的热应力 : 78.8MPa 最大变形量 : 0.2mm 靶片热应力 靶容器变形

靶材料的研究（包钽 ） 长寿命靶材料的研发:　成功制备钽钨界面结合紧密的靶模块。与中国原子能研究院合作，对靶材料的耐腐蚀特性开展实验研究，并在瑞士散裂源SINQ上进行了样品辐照实验。 热等静压前 热等静压后 　　 W Ta 100 um W-Ta 界面　　　　　　超音速喷涂Ｔａ 优化靶片结构, 预留热电偶深孔 优化钽钨结合HIP工艺条件　　　　　　　　　　

靶材料的研究（钨合金 ） 提高靶体的抗辐射损伤和腐蚀能力 与钢铁研究总院共同开发的W-26%Re合金

水慢化器：热中子和超热中子是散裂中子源的特色；粉末衍射谱仪，应力谱仪，无序材料谱仪，原子振动谱仪，eV谱仪，单晶衍射等均需要水慢化器。 慢化器的设计 水慢化器：热中子和超热中子是散裂中子源的特色；粉末衍射谱仪，应力谱仪，无序材料谱仪，原子振动谱仪，eV谱仪，单晶衍射等均需要水慢化器。 尺寸：60×110×110，可视面：100×100 退耦合氢慢化器： 利用长波中子，即可做高分辨的实验，如高分辨粉末衍射，背散射等，也可做中分辨的实验，如磁结构，磁激发等。同时有利于中子极化等相关工作。 尺寸：62×120×120，可视面：110×110 耦合氢慢化器：高通量，低分辨谱仪主要应用在小角和反射谱仪等。 尺寸：φ140×160，可视面：100×100

慢化器的中子特性 水慢化器的中子特性 耦合液氢慢化器的中子特性

应力分布及变形图 –最大应力65MPa，最大变形0.12mm 退耦合氢慢化器强度设计 应力分布及变形图 –最大应力65MPa，最大变形0.12mm

耦合氢慢化器与容器热量总沉积为 446W （设计值600W），液氢流量0.6L/S，进口温度20K 耦合氢慢化器热量分布以及温度场计算 耦合氢慢化器与容器热量总沉积为 446W （设计值600W），液氢流量0.6L/S，进口温度20K

水慢化器预研 关键技术：异种材料焊接 ：铝合金和不锈钢，铝合金和Invar合金

反射体设计 反射体由铍与不锈钢组成， 铍反射体直径700mm，钢反射体直径1000mm，高度均为1000mm，整个反射体被分为四个水冷区

反射体的温度场分析 反射体以及重水最高温度均在100oC以下，结构合理

靶站屏蔽的模拟计算 铁的非弹性反应截面 中子能谱 中子角分布 靶站屏蔽初步设计，在不考虑孔道与空隙情况下，5米加1米重混凝土屏蔽使中子剂量降至2.5μSv/h以下 加入混凝土夹层（设计密度2.3g/cm3 ）使中子剂量有明显下降 钢与混凝土（普通）的一维球模型对高能质子轰击钨靶时的屏蔽效果

靶站维护 预期寿命 维护时间目标 备件 A 大型部件 靶体 5 年 15 天 有 质子束窗 Shutter >20 年 10 天 无 氦容器 慢化器 6 年 （退耦合液氢慢化器poison 材料) 反射体 B 常规维护 重水净化 1-2年 2天 监视仪器仪表 定期维护 1年 2 天

关键部件活化与后热 CSNS (a)钨靶、 (b) Be反射体、 (c) Fe屏蔽体及(d)整个靶站 重要放射性核素在辐照一年后活化强度随冷却时间的变化。

公用系统 重水冷却（净化）系统 √ 轻水冷却 （净化）系统 真空系统 氦气系统 公用屏蔽

Target station cooling system sub-system 40

重水冷却系统 靶体和反射体的发热量 65 kW 系统工作压力 4 bar 系统工作温度 25-35 C 重水冷却系统设计参数 靶体和反射体的发热量 65 kW 系统工作压力 4 bar 系统工作温度 25-35 C 靶体和反射体出口温度< 55C 靶体入口压力 4 bar 重水流量 180+60 l/min 系统设计压力 0.4MPa 系统设计温度 60C 重水设计流量 250l/min (15m3/h)

重水净化系统 重水净化系统设计指标 项 目 指 标 重水浓度, 原子% ≥99.70% PD 值(25℃), ≤2.0 　　项　目 指　　标 　重水浓度, 原子% ≥99.70% 　PD 值(25℃), ≤2.0 　电导率（25℃）, μS/cm 5.9 ～ 6.9 　总固体物, mg/l ≤12 　氯离子, mg/l ≤0.1 　铜离子,　mg/l ≤0.05 　铅离子, mg/l

氦制冷系统——氢循环系统——氢安全系统 CSNS低温系统 液氢低温慢化器工作在 20 K温区. 120kW质子束核发热量约600W。 慢化器内仲氢含量超过 99%. 慢化器内平均温度低于20 K ，且各处温差小于3 K.。 液氢循环需要有压力平衡控制系统，以保证液氢循环系统安全。 液氢循环系统需要有惰性气体保护层，以保证液氢系统安全。 低温系统需要有实时监控系统，备份及紧急情况下的自动保护措施。 设计符合各项安全标准、满足各种所需工况要求。

氢循环系统是一个封闭系统，系统内总的氢质量是恒定 低温系统 低温系统流程图 氢循环系统是一个封闭系统，系统内总的氢质量是恒定

氢安全系统

谱仪的建设方案 CSNS 谱仪的总体安排 高通量粉末衍射仪 多功能反射仪 小角散射仪

CSNS 谱仪的总体安排(18台） 粉末衍射仪共 6 台： 高分辨粉末衍射仪（窄脉冲，液氢，20 K） 高通量粉末衍射仪（退耦合，水，300 K） 工程粉末衍射仪（窄脉冲，液氢，20 K） 高压粉末衍射仪（窄脉冲，液氢，20 K） 长波粉末衍射仪（耦合，液氢，20 K） 无序材料衍射仪（退耦合，水，300 K） 单晶衍射仪 1台（退耦合，水，300 K）。 小角衍射仪 1台（耦合，液氢，20 K）。 反射仪共2 台： 多用途反射仪（耦合，液氢，20 K） 液体反射仪（耦合，液氢，20 K） 直接几何非弹性散射谱仪 3 台： 高能直接几何非弹性谱仪（退耦合，水，300 K） eV(电子伏特)谱仪（退耦合，水，300 K） 低能直接几何非弹性谱仪（窄脉冲，液氢，20 K） 单晶分析器谱仪 4 台： 单晶逆几何非弹性谱仪（窄脉冲，液氢，20 K） 低能逆几何非弹性谱仪（耦合，液氢，20 K） 高能逆几何非弹性谱仪（退耦合，水，300 K） 背散射谱仪（窄脉冲，液氢，20 K） 中子物理谱仪 3台 （耦合，液氢，20 K） 2002 年4 月召开的靶站设计国际评议专家认为所选择建设谱仪用户量大，覆盖面广，可确保早出成果，而且技术相对成熟，是合理的选择。

高通量粉末衍射仪 （1）满足大多数用户研究物质晶体结构和磁结构的要求； （2）最佳分辨率达到＝0.2 %； 慢化器 水（300 K） 中子波长范围 0.3～4.8 Å 最大中子束宽 40(h)×40(w) mm 样品到慢化器距离L1 30 m 中子导管 3c 超镜 样品到探测器组中心距离L2 2 =150背散射探测器组 1.5 m 2 =90探测器组 2.0 m 2 =15低角度探测器组 3.8 m （1）满足大多数用户研究物质晶体结构和磁结构的要求； （2）最佳分辨率达到＝0.2 %； （3）具有研究小样品的结构、相变和实时化学反应的能力； （4）提供低温、高温和高压等特殊样品环境。

物理设计 典型d值区间与分辨率的关系 样品处中子通量 中子通量损失30% 聚焦导管 准直器+导管系统

低角度探测器的分辨率较低，适于测定较大分子的结构； 背反射探测器的分辨率较高，适于分辨率较高的研究； 90 探测器可避免容器壁的散射，适于在有容器的情况下进行中子散射研究。 探测器:高气压3He位置灵敏计数管(1英寸 )

多功能反射仪 主要功能有： 固体薄膜的中子反射率测量； 磁性薄膜的极化中子测量； 原位薄膜材料的生长及其中子反射率测量； Beam Stop Moderator Distance from moderator (m) 3 6 10 17 19.5 Target shielding Choppers Bender Detector Focused guide Sample 0.25m 21.5 Spin Flipper Polarizer Analyzer Slit Pre-shielding Straight guide 谱仪结构 参数设计值 慢化器 液氢，20K 中子带宽 6.2 Å (2 – 8.2 Å) Q 范围 0.05 – 0.5 Å-1 分辨率 <10% 样品台中心到慢化器距离 19.5 m 样品台中心到探测器距离 2 m 主要功能有： 固体薄膜的中子反射率测量； 磁性薄膜的极化中子测量； 原位薄膜材料的生长及其中子反射率测量； 非镜面反射特性研究； 掠入射小角散射 液体表面及有机功能材料的反射率测量 中子超镜薄膜测量。

物理设计 弯曲的中子导管可以过滤掉直射的快中子，保证对反射谱仪有用长波中子入射到样品上。 中子多层弯导管曲率半径的优化 中子导管截面的优化 弯曲的中子导管可以过滤掉直射的快中子，保证对反射谱仪有用长波中子入射到样品上。 多层弯导管作为CSNS多功能反射谱仪的优选方案，优点是可以大大缩短谱仪的长度，但对于谱仪整体的安装调试要求较高。 中子多层弯导管通道数的优化

工程设计 导管的基本结构 散射室结构 探测器：二维中子位置灵敏探测器

小角散射仪 缩短中子从慢化器到探测器的飞行距离，获得更好的工作中子带宽； 使用T0转子控制快中子本底，以便利用短波中子获得更大的动态范围； 设计思路： 缩短中子从慢化器到探测器的飞行距离，获得更好的工作中子带宽； 使用T0转子控制快中子本底，以便利用短波中子获得更大的动态范围； 优化探测器设计以平衡探测范围，谱仪计数率和分辨率三者间的相互矛盾，同时降低技术难度和工程造价。

物理设计 靶站插入件从不同位置开始的中子的传输效率。 SANS探测器示意图 靶站插入件从不同位置开始的中子的传输效率。 SANS 小孔几何光路示意图 为用户提供Q > 0.01 Å-1范围内可靠的小角中子散射数据,满足绝大多数小角中子散射实验的科研要求； 在此范围内的谱仪分辨率达到～30％的水平，谱仪常规性能与美日英运行和建设中的散裂源小角谱仪相当； 谱仪具有极大的动态范围，同时提供低温、高温和高压等特殊样品环境，便于进行动力学实验测量； 样品量可变，以满足不同科研领域的研究需求。

小角谱仪初步设计侧视图 探测器子系统 入射准直器

谱仪关键技术的研究 转子的研究 探测器和电子学读出的研究

用途：对中子束流进行机械阻挡式斩波，在脉冲式中子源中起到限制中子波长范围(时间窗)的作用； 中子带宽选择转子及控制系统的研究 转子模型机试验平台 用途：对中子束流进行机械阻挡式斩波，在脉冲式中子源中起到限制中子波长范围(时间窗)的作用； 指标： 转速：1500RPM； 相位控制角度精度：±0.22度； 对1A波长中子透过率10-4； 动平衡精度G1.0；

中子探测器的研究 二维位置灵敏中子探测器 3He管中子探测器探测 数据获取插件 20cm×20cm，位置分辨(FWHM) 2mm*2mm

数据流：PLC＝》Soft IOC ＝》客户端 前端控制网络 基于FL-net （Yokogawa PLC） Soft IOC用虚拟机实现 集中式IOC，可靠性高 （参考上海光源经验） 数据流：PLC＝》Soft IOC ＝》客户端

散裂中子源的其它应用： CSNS-I质子束拓展应用的考虑 中高能质子束、白光中子源和MU子源 第二靶站 高能所：唐靖宇，李家才，敬罕涛，杨征 以及各合作单位成员 国家中子源多学科研讨会 2009年11月18-20日，北京

CSNS质子束应用的基本考虑 CSNS质子束（包括次级束）应用的模式 寄生（兼用）模式 在CSNS开展中子散射应用的同时开展质子的应用，并且基本上不影响或较少影响前者的运行。 将是CSNS质子束应用的主要模式 专用模式 特殊要求的质子束应用可以采取专用的供束方式，可以提供品质更好的、流强更大的束流，即CSNS加速器所能提供的最佳束流指标。此时，基于中子散射的应用或受到较大的影响或暂停。 分阶段进行 前期在保证中子散射应用外，开展寄生的质子束、快中子束和MU子束的应用. 在升级阶段，CSNS束流功率得到较大提高，可以考虑建设第2靶站以充分开展MU子束和快中子束（白光中子源）的应用。 其它质子束的应用也可以得到充分发展。

RTBT输运线和高能质子束实验区的位置 HEPEA

空间辐射效应研究（重点开展领域） 质子治疗 农业上的辐射生物学 质子照相 其它应用 航天电子学器件、航天生物效应、辐射剂量学 中能质子束和高能质子束：要求流强和能量大范围可变 质子治疗 中能质子束 浅层治疗和研究 农业上的辐射生物学 质子照相 医学质子照相、流体力学研究 高能质子束 其它应用 探测器测试、核物理、材料等

CSNS-I快中子实验站 散裂靶反角通道白光中子实验终端 寄生模式 专用模式 沿质子入射通道反流的中子束慢化程度较低，具有很宽的能谱和较窄的时间结构,比较适合开展共振区白光中子源的研究 寄生模式 宽脉冲(~400 ns), 高通量, 散裂靶的冷却水对中子能谱有一定的慢化的作用, 能谱峰值在1 MeV, 时间也有一定的展宽 初步考虑: 重点利用的能区是1 eV~10 keV 飞行时间测量: 中子飞行距离>55m 专用模式 RCS加速器单脉冲运行(靶站流强降一半, 质子脉冲宽度~70ns；甚至更短，牺牲流强) 可利用的能谱有可能达到MeV量级

中子能谱 CSNS-I快中子实验站

中子探测器和电子学读出的需求： 还有17个中子应用谱仪待建

欢迎参加 中国散裂中子源的建设 谢谢！