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中国散裂中子源靶站谱仪 介绍

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

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Presentation Transcript

  1. 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

  2. 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

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

  4. 中子散射与同步辐射功能互补：水、氧、磁性结构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 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）。

  5. 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 ～1000原子尺度 10～100原子尺度 单个原子尺度 美国散裂中子源谱仪(IPNS-GPPD) 散射源与反应堆功能互补：液体，玻璃，非晶态和纳米材料 法国反应堆中子源谱仪(ILL-D4) ＋

  6. 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。

  7. 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 • 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 • 升级预留： 200-500kW质子束流功率 7

  8. 建设内容 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

  9. 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。

  10. 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

  11. 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。

  12. 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

  13. 靶站设计指标

  14. 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

  15. 靶站谱仪大厅

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

  17. 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。

  18. 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

  19. 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

  20. 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

  21. 氦容器

  22. 慢化器-反射体插件（垂直更换）

  23. 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

  24. 4mm Proton beam 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 注：钽层厚度<0.5mm 说明： 冷却间隙通道：1.2mm

  25. 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； 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

  26. 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

  27. Ta W 100 um 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 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　　　　　　　　　　

  28. 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

  29. 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

  30. 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

  31. 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

  32. 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

  33. 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

  34. 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

  35. 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

  36. 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

  37. 靶站维护

  38. (a) (b) (c) (d) CSNS靶站活化强度随辐照时间的积累。 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。

  39. 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

  40. Target station cooling system sub-system 40

  41. 重水冷却系统 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)

  42. 重水净化系统 重水净化系统设计指标

  43. CSNS低温系统 氦制冷系统——氢循环系统——氢安全系统 • 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。

  44. 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

  45. 氢安全系统

  46. 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

  47. 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。

  48. 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 %； （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。

  49. 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

  50. 低角度探测器的分辨率较低，适于测定较大分子的结构；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)

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