中子源与同步辐射源比较.ppt

反应堆中子、散裂中子及同步辐射的源和应用比较(1),(一)中子的发现及其主要性质；(二)中子的波动性及其分类；(三)中子及同步辐射应用的简单对比；(四)中子源1.放射性同位素中子源2.加速器中子源-a3.反应堆中子源4.反应堆中子源与同步辐射源的能谱及强度比较5.加速器中子源-b：散裂中子源6.散裂中子源与反应堆中子源的关系,（一）中子的发现及其主要性质,（一）中子的发现及其主要性质1920Rutherford贝克里安讲座，提出原子核里的中性子的概念（“压缩氢原子”）1930BotheW.及BeckerH.用Ra-a轰击Be，发现铍辐射：探测器：盖革管，,p,e,1930王淦昌，当时在柏林大学威廉皇家化学所留学，他认为铍辐射不大可能是g，向其导师MeitnerL.提出用云室观察铍辐射,两次均被拒绝。1931I.及F.Curie夫妇研究铍辐射如果铍辐射是g，由质子能量可推出其能量50MeV，原子核中不可能有如此高能量的g射线。但他们不能抛弃其为g射线的想法。Chadwick告诉Rutherford,R：“我不信！”Majorana：“真傻！他们已经发现了中性质子，却不认识它。”J.Curie：“真笨死了！所有证据俱在，我们怎么会想不到这一点呢？”,Be,石蜡,p,静电计,Po,a,云室,He,N,Cavendish的Chadwick在Rutherford的推测上发现中子。在讨论诺贝尔物理学奖应否包括Curie夫妇时，R说：“不必，他们如此聪明，不久会因别的发现得奖的”。,Po,Be,a,Be幅射,Pb,石蜡,泵,p,N,He,放大器,中子的主要性质质量mn939.5731MeVmnmp1.2935MeV(me)me0.51100MeV寿命tn896s(p+e+n)磁矩mn-1.91304275mN自旋s1/2,（二）中子的波动性,（二）中子的波动性deBroglie波长非相对论情况故1中子的能量为81.8meV，中子能量反比于波长的平方l（）ESR(keV)E中子(meV)112.481.81101.240.81811000.1240.008181,中子的波动性最初的实验显示在发现中子之后4年（1936），实验上定性地显示了中子的波动性,(200)面，Bragg角22,热中子，峰值1.6,转动晶体，探测器的计数率迅速减少。,中子波动性的定量证实1944年Fermi和Zinn使用ArgoneCP-3堆引出的热中子，进行镜反射实验。其后陆续证明，所有用光及X光产生的经典光学现象都可以中子进行。,实验结果迷人之处，是明显地表明它与中子的波动性而不是粒子性相关。它们的波长和散射截面与X光相当，而且看来不同物质对中子有折射系数这是中子光学的开端AndersonHerbert,a,中子单边衍射,中子单缝衍射,中子双缝衍射,扫描缝位置（mm）,直边80mm,扫描狭缝30mm100mm,入射狭缝15mm60mm,抽气的中子飞行管道,180石英三棱镜,来自反应堆冷源的慢中子束,l：200.5,5m,5m,0.48m,0.11,150mm200mm,100mm200mm,BF3探测器,1.三棱镜倒置，因为n1015,目前中子流强远逊于X光及同步辐射，使用后者数十或十分钟能完成的实验如果使用中子往往要数天，而且统计精度不够好，实验成本高在凝聚态、材料等方面的许多应用（例如衍射）中，大多遵循“先X光，后中子”的原则。,中子源强发展史,热中子通量（n/(cm2s)）,中子源强度的增长速度与同步辐射成很强的对比,（4）加速器中子源-2：散裂中子源散裂反应（SpallationReaction）：最初由宇宙线学家与天体物理学家在研究入射到地球的宇宙线质量分布时所发现，是高能宇宙线把星际物质原子核的核子或核子簇团击出的过程。Spalling石匠用凿子凿石击出碎片的劳作。如果入射粒子与被击物质都是原子核，则二者均可散裂。今天看来散裂反应与较低能的核反应没有明确的分界线。,E.Lawrencen（190MeV）+Bi产生次级中子1948Goeckerman,PerlmanD2(190MeV)+Bi散裂出12个中子OCornor,Seaborga(380MeV)+U多个中子产生Livermore,ChalkRiver实验室认识到以加速器加速的较高能量带电粒子打靶产生散裂过程作为中子源的重要性。,研究了中子产额与打靶粒子能量以及靶材料、靶尺寸的关系,圆柱型靶尺寸：,散裂中子源的靶材料考虑A大密度大，体积小对中子吸收截面小耐辐照，不产生破坏性相变熔点高，导热性好把入射粒子(p)全阻挡在靶中在使用U时，要用贫化铀（235U0.02%），压低235U裂变产生,散裂过程1GeV质子入射，其波长为小于核子的平均距离，入射质子与核子作准自由碰撞，产生p、n、d、a、p、g等。它们或逸出，或再与其它核子碰撞多次碰撞，级联反应能量降低，直到接近核子在核内的结合能(8MeV)为止残余核处于激发态，蒸发出中子如果核为可裂变的核，可以产生裂变，发出中子,散裂中子能谱级联反应中子谱(准自由碰撞+MonteCarlo，高能)蒸发中子谱(低能)裂变中子谱(如果靶有裂变核)中子平均能量几个MeV(10-310-4),形成散裂中子源构思：较高能量（1GeV）质子或较重离子强流加速器高中子产额的重元素材料制成的靶满足实验对中子能量要求的中子慢化材料(富含氢：CH2、CH4、C2H6、C9H2、NH3、ZrH2、H20、D2O等)中子束流引出,英国Rutherford-AppletonLab的ISIS散裂中子源,散裂中子源的靶系统：靶、冷却系统、慢化系统、防护墙(ISIS)对SNS，靶汞、冷却剂H219K、冷中子(100K)慢化剂超临界氢-水,散裂中子源(GeV能量)的优点：中子带走相当多的能量，淀积能量的散热问题远小于裂变反应。p、d是轻带电粒子，能量淀积在较长的射程上。脉冲式加速器，峰值功率高，平均功率低，102kW，例如：卢瑟福实验室的散裂中子源ISIS=160kW其热中子通量与ILL的高通量堆相当，该高通量堆功率为57MW！脉冲时间：msms，能适应MeVmeV能区中子的应用。g本底小可用极化质子产生极化中子。,散裂中子源的缺点及限制中子谱的高能中子不易屏蔽；高能带电粒子p、p本底强；受到空间电荷的限制，质子同步加速器最大束流200mA脉冲中国BSNS？北京？计划1.6GeV65-125mA脉冲,SINQ热中子通量达1.51014n/cm2/s,一,ISIS国际用户分布(2/3用户为UK国内用户),（五）散裂中子源与反应堆中子源的关系,反应堆：20世纪大部分为连续模式，产生高通量的冷及热中子（1100meV）功率堆：高压，热功率GW，能源专用研究堆：大气压，热功率102MW，多用往往的优先级应用辐照（工业材料、同位素生产、半导体）要求大通量均匀中子束大量为19571967年建，寿命40年，至今开始陆续关闭过程估计从30个10个，但可以改造，如ILL堆，94年改造，延长1520年。,安保条件严峻，出现损坏修复艰巨。几个代表性研究堆名称地点年份功率热中子通量设备HFBRBNL196566MW9101411台HFIROakRidge1966100MW10101410台HFRILL71/9457MW15101425台OPHESaclay198014MW3101424台HFR：HighFluxReactor；ILL：InstitutLaue-Langevin；HFBR：HighFluxBeamReactor;,(2)散裂中子源当代绝大部分为脉冲散裂源(PulsedSpallationSource,PPS)10100Hz,现实功率200mAP(25/50)中国BSNS？北京？计划1.6GeV65-125mAP(25),SINQ热中子通量达1.51014n/cm2/s,(Hz),104200kW,（3）反应堆源与散裂源的互补ISISP160kW，其通量相当于10P1.5MW的堆所产生的平均通量但峰值通量更高，1.31015，PSS是否是今后发展主流？但是，反应堆：连续源，DC设备，宜于进行依赖于整体均匀的冷中子通量的应用，如活化分析、穿透深度剖面、中子成像、材料改性、冷中子能区核物理和基础物理实验等。散裂源：脉冲源，TOF，宜于高分辨率的衍射、共振成像、高动量传递谱学、较大能区的中子核物理实验等。堆与PSS是互补的，ILL堆和ISIS就是很好的互补的一对。,然而，ISIS属于英国，用户单一，而ILL的国际用户群至少来自6个国家90美国考虑建造ANS堆(330MW，7.51015)1MW的PSS总体功能强，大量只要求积分通量的工作高分辨率散射衍射实验、共振中子成像冷中子研究及实验高能中子实验，高能量传递谱学如果只建造一个，则考虑到覆盖大多数应用的需要，最好在ILL堆(57MW,71015)或1MW的PSSANS堆(33