Back-n运行情况和发展介绍-CSNS反角白光中子源第五次用户研讨会

1、Back-n运行情况和发展介绍唐靖宇高能所/散裂中子源 CSNS反角白光中子源第五次用户研讨会2021年8月13-14日，珠海报告提纲Back-n装置基本情况简介过去一年开放运行(2020.10-2021.7)情况介绍平台开放和用户支持2021年下半年供束计划平台发展和规划总结2Back-n装置基本情况介绍3CSNS反角白光中子源（Back-n）科学目标当前中国唯一极宽谱中子实验装置，国际上流强最高的白光中子束线，研究领域覆盖宽：核物理和核技术：核数据测量（中子诱发的核反应截面）：各种微分反应截面（全截面、裂变截面、俘获截面、带电粒子出射、非弹截面、Gamma谱等）、裂变产物、中子宏观实验中子

2、辐射效应：集成电路的高能中子单粒子效应、材料改性、辐射损伤探测器标定、中子计量学：具有能谱范围宽、强度高的特点白光中子成像和核素成分分析：利用不同核素全能区中子的特征共振反应进行样品的成像和核素成分分析潜在研究方向：粒子物理：中子的基本性质研究4Back-n在国际上的优势CSNS：100/500 kW, 1.6 GeV打靶可产生非常强的脉冲中子，世界4大散裂中子源之一。沿质子束打靶通道反流的中子束（反角中子）很好的能谱结构和时间结构，可用于白光中子束线(世界上首条反角中子束线)流强世界上最高 (107 n/cm2/s at 50 m)供束时间充分每年大于4500小时5(n,lcp)PFNSOt

3、hers(n,t)、(n,f)、(n,)、(n,n)、(n,2n)CSNS反角白光中子实验终端布局6规划核数据测量谱仪：8套。现有：FIXM、NTOX、C6D6、LPDA、GTAF-IIES1和ES2均可开展：中子成像、辐射效应、探测器标定7关键时间节点：1）2007年提出在CSNS建白光中子装置；2）2010年确定反角白光中子布局；3）2013组建5单位合作的项目组；4）2018年3月Back-n初期建设完成并投入运行。目前的Back-n白光中子源束斑和注量率针对2个实验厅，利用3个准直器（其中第1个是中子束开关）的不同孔径设计了4组标准束斑其他由不同孔径组合的束斑也是可以的，并经常应用可在

4、束线增加铅砖（遥控切换），以大大减弱束流的Gamma不同束斑的特点：大束斑：注量率高；小束斑：本底小；极小束斑控制：限制流强大方束斑：中子成像和核素成分分析8ES2 spot (mm)Shutter (mm)Coll#1 (mm)Coll#2 (mm)ES1 spot (mm)ES1 flux (/cm2/s)ES2 flux (/cm2/s)2031540151.3E54.6E430121540201.6E66.1E560505058501.6E76.9E6909078627676909075501.8E78.6E6(100 kW)核数据测量谱仪中子俘获截面测量4单元C6D6谱仪：通过中子俘

5、获的测量，确定俘获截面，入射中子能量分辨率小于1%，得到的俘获截面不确定度小于5%。GTAF-II谱仪：40单元BaF2，从原GTAF升级而来，2019年下半年安装在线，现已可以开展用户实验。利用近4覆盖，测量中子俘获后的加和，探测效率更高。9裂变截面测量FIXM谱仪：可放8层样品的快响应电离室，可放置标准U-5/U-8样品进行相对测量。覆盖能区：eV-20 MeV时间响应：30MB/s，提供实时采样处理。在线实验高能单粒子效应测试：ES1和ES2，加速实验，国际一流条件；NTOX自动换样架、6维多功能样品架可以在ES#2开展并行实验。照射后离线分析实验通用辐照平台和中子捕集器：可开展长时间开

6、展寄生辐照实验。15SourceNeutron fraction and fluxAcceleration factor1-10 MeV 10-100 MeV100 MeVTotal 1 MeV (n cm-2 hr-1)JEDEC(NYC)3535302.0101IEC(12.2 km)3535298.8103ANITA6528 77.71094.0108LANSCE5226223.61091.8108TRIUMF2454211.310106.6108ISIS92 7 12.81091.4106RCNP5725185.01092.6108PNPI5729141.51097.7107Back-

7、n56m8217 13.410101.8109中子辐射效应实验条件163个辐照位置（距散裂靶约30m），1个可插入式铅砖（屏蔽Gamma）通用辐照平台108 n/cm2/s白光中子成像和元素/核素成分分析实验条件利用白光中子束流透射成像穿透能力强有可能在透射成像的同时进行元素分辨目前可用设备: 门控CMOS相机发展中：掺硼MCP（像素+TOF读出）元素/核素鉴别利用宽能谱中子与原子核的共振吸收特征峰或复合核的特征Gamma谱进行样品成分鉴别目前可用设备：NTOX（全截面测量方法，大样品）、C6D6（俘获截面测量方法，小样品）、HPGe探测器（Gamma谱分析方法，在线测量或活化法）1717B-

8、MCPCMOS相机性能测试和成果鉴定2020年11月14-15日：物理学会中子散射分会/高能所组织了2个专家组，分别对Back-n进行了性能测试和成果鉴定。总体评价：利用反角白光中子束：国际首创中子束流综合性能指标居于国际前列，其中，距产生靶同等距离的中子注量率为国际最高性能先进，运行高效，成果突出，是一个重要的通用型科研平台18Back-n过去一年开放运行（2020.10-2021.7）情况介绍19过去一年供束计划和执行情况CSNS年继续高效运行，供束效率90%CSNS供束计划按自然年上报科学院Back-n年供束时间：4500小时（并行实验累计）2020年下半年Back-n实验供束情况10月

9、11日-2月10日供束：2496小时，开展30项实验2021年上半年Back-n实验供束情况3月4日-7月20日供束：2788小时，开展26项实验20实际实验供束：5284小时已开展的核数据测量实验Neutron captureC6D6: 169Tm, 197Au, 57Fe, natSe, 89Y, natEr/162Er, 232Th, 238U, 93Nb，natCu，natLu, 113&115In, 185&187Re , 181Ta, 107&109Ag, 165Ho GTAF-II: 169Tm, 93NbTotal cross-section12C, 27Al，9Be，7Li，

10、natFeFission cross-section235U, 238U, 236U, 239Pu, 232Th，239PuLight charged particle emissionLPDA: 6Li(n, x), 10B(n, x), 63Ni，(n-d)，17O, (n-p)弹散TPC样机: 12C，14N，12C (13C集团结构)Inelastic cross-section (in-beam gamma)56Fe (n, n), natMo，16O，natRu，natLu，natMo，natTi, 209Bi, 90Zr, 55Cr, 155Eu, 178Hf, 232Th21新

11、增加16个核素或元素的截面测量（绿色）探测器标定和测试实验用户探测器标定和测试西核院和九院二所：126小时（包括单束团91小时）其他单位标定/测试实验：465小时（包括并行实验）项目组内部实验-机器研究/谱仪发展实验供束：765小时谱仪带束测试：GTAF-II、TPC束流特征测量：低能区和加铅砖能谱测量、白光中子源成果鉴定会实验方法研究：TPC新电子学联调、高事例率裂变室测试、GTAF-II测试、掺硼MCP探测器测试22其他类型实验中子辐照芯片单粒子效应：17项实验，供束380小时实验单位：10家辐照器件类型：手机、FPGA、SRAM、功率管、SiPM探测器、CZT探测器等长期寄生辐照：多个，

12、没有统计时间中子共振成像和核素成分分析供束约350小时，4次实验考古文物共振成像和样品核素成分分析：3次企业快中子照相实验：1次23分单位实验数量统计分单位实验机时统计252020-2021年Back-n成果简介发表论文（只统计SCI或EI收录）以Back-n合作组发表的论文：发表：11篇；审稿中：2篇；撰写中：11篇。Back-n合作组发表的proceeding: 6篇（ND2019）一般用户已发表的论文：1篇申请专利：发明专利：新申请/授理3项国际会议报告：口头报告：3个（ISINN-28）26亮点：Back-n标准截面测量工作在IAEA标准截面工作组会议（The IAEA Consult

13、ancy (Virtual) Meeting on Neutron Data Standards, Oct.12-16, 2020）上获得高度认可：6Li(n,t)、10B(n,)、H(n,n)、238U(n,f)/235U(n,f)Back-n装置研制文章：NST主编约稿和重点推介, NUCL SCI TECH (2021) 32:11Back-n核数据测量综述文章：CPC主编约稿和重点推介, Chinese Physics C 45, 062001 (2021)平台开放和用户支持27实验申请和支持实验申请自2019年下半年开始，通过CSNS用户服务在线系统（目前Back-n独立运作）征集用

14、户实验建议标准流程：网上提交申请（鼓励先跟相关实验支持人沟通）、实验支持人对申请书的格式和实验条件审查、初评专家评审、用户委员会终审小实验和临时实验对以上流程简化内部实验由项目组安排评审实验支持5个方向实验支持人（Gamma测量、裂变截面和全截面测量、带电粒子出射测量和探测器标定、单粒子效应或其他中子辐照、中子测量和成像）已全面开展工作实验支持人从实验申请到实验准备、实验开展和数据处理/论文发表，为用户提供全方位支持。运行负责人和用户办公室也为用户提供必要的支持和服务。28提高用户服务质量和装置运行水平Back-n运行3年来，逐渐形成自己的用户实验支持体系，将用户型装置和专用装置的特点结合，希

15、望听取各位用户的意见，逐渐改进。实验准备和进行过程中，有什么要求都可以通过实验支持人提出，但越早越好。Back-n用户须知告诉各位用户遵守在Back-n的规定（包括CSNS的通用规定），望各位用户配合。各位用户如果有好的合理化，欢迎提出，我们会根据大家意见和园区情况作出合理调整。29国际合作和国际用户待加强（受疫情影响）正加入NOPTREX国际合作组，开展基于中子的时间反演对称性破缺实验研究（Back-n在0.1eV-几十10eV能区有优势）2021年下半年供束计划302021年（自然年）CSNS和Back-n运行计划Back-n供束束流分配考虑：总供束时间4500小时，机器研究500小时用于

16、谱仪发展带束测试和束流特征测量，4000小时用户实验时间的2/3即约2700小时用于开放实验、1/3即1300小时用于项目组控制的临时实验安排。主体/系统名称总机时（小时）其中（小时）国际同类先进设施运行数据 运行准备供束（实验）机时机器研究故障机时加速器6100400410012004005900靶站5600100041003002003980谱仪-通用粉末衍射仪41005029001000150谱仪-多功能反射仪4100503200700150谱仪-小角散射仪4100503200700150反角白光中子实验装置 41005050 1# 厅实验1800250 2# 厅实验2500300公用设

17、施-供配电8760公用设施-水冷 6840公用设施-空调及空压8760共有16个实验申请上用户委员会审批，要求束流时间：3169小时2021年上半年已安排但未完成5个实验时间：240小时预留小实验、内部实验和临时重要实验：500小时2021年下半年（10.13-01.29）CSNS开放供束时间：约1943小时（按90%供束效率），Back-n估计2200小时（2个实验厅合计）(目前需要：3909小时)打靶功率100kW，供束效率保证90%以上。2021年下半年Back-n实验计划10月11月12月01月合计供束机时3675185185401943CSNS 2021年下半年供束估计平台发展和规划

18、33今后几年Back-n的运行和发展运行和发展并举，保证每年足够的供束和实验时间运行值班运行（加速器运行组+束流扩展应用组）和维护（其他部门/组）Back-n项目组对各类型实验提供支持（实验支持人/谱仪科学家，与用户合作开展实验）鼓励实验用户以研究方向合作小组形式合作开展实验研究发展Back-n项目组（多单位联合）：装置建设、实验方法、合作实验近期：改善实验条件、改进已有谱仪；重点发展中子共振成像和考古文物研究（基金重点项目支持）；发展TPC样机。中长期：新建大型高性能谱仪34近期发展中子源性能提高短束团引出初步成功（专用模式）：50kW打靶功率，可将束团压缩至正常运行的54%；30kW（无打靶），26%。待进一步努力共用电子学和DAQ进一步提高