[论文解读] The Spallation Neutron Source: A Powerful Tool for Materials Research

T. E. Mason, T.A. Gabriel+4 more|ArXiv.org|Jul 19, 2000

Nuclear Physics and Applications被引用 15

一句话总结

散裂中子源（SNS）是一种高通量脉冲中子源，旨在实现对材料结构与动力学前所未有的研究。通过使用2 MW质子加速器和汞基靶，它产生热中子和冷中子，用于探测各类材料中的原子尺度现象，先进仪器可实现比现有设施高100倍的计数率和7倍的动态范围。

ABSTRACT

The wavelengths and energies of thermal and cold neutrons are ideally matched to the length and energy scales in the materials that underpin technologies of the present and future: ranging from semiconductors to magnetic devices, composites to biomaterials and polymers. The Spallation Neutron Source (SNS) will use an accelerator to produce the most intense beams of neutrons in the world when it is complete at the end of 2005. The project is being built by a collaboration of six U.S. Department of Energy laboratories. It will serve a diverse community of users drawn from academia, industry, and government labs with interests in condensed matter physics, chemistry, engineering materials, biology, and beyond.

研究动机与目标

• 开发下一代中子源，其通量和性能显著优于现有设施。
• 通过利用中子散射对轻元素、磁矩和动态过程的独特敏感性，实现对原子和纳米尺度材料的详细研究。
• 通过一系列先进中子散射仪器，支持学术界、工业界和政府机构的广泛用户群体。
• 通过创新的靶系统设计和远程维护能力，实现高可靠性和可用性。
• 扩展非弹性与弹性中子散射测量的动态范围和能量分辨率。

提出的方法

• 利用2 MW、1-GeV质子束，通过直线加速器和累积环加速，在汞靶中产生散裂中子。
• 采用低温（19 K）和常温（H2、D2O及复合H2/D2O）慢化剂，产生具有定制能量分布的热中子和冷中子。
• 实施60 Hz脉冲中子源，以实现飞行时间测量，精确测定能量并实现高分辨率谱学。
• 设计84 m长的中子导管系统，实现背散射谱仪的高时间分辨率。
• 使用超镜面涂层导管和锥形波导，增强通量并抑制反射谱仪中的背景辐射。
• 集成极化中子束和自旋翻转装置，实现对磁性结构和界面的高灵敏度研究。

实验结果

研究问题

• RQ1 脉冲式散裂中子源如何实现比现有设施高出10倍以上的中子通量？
• RQ2 在脉冲源上使用背散射谱仪，非弹性中子散射的最高可实现能量分辨率是多少？
• RQ3 中子反射谱仪如何同时实现低于10−9的反射率测量和宽动量转移覆盖范围？
• RQ4 哪些设计特点使得高功率汞靶系统的可用性和远程维护能力得以实现？
• RQ5 SNS的仪器性能在动态范围和计数率方面，相较于反应堆中子源可提升多少？

主要发现

• SNS的中子通量将比当时世界领先的脉冲源ISIS高出12倍以上，实现前所未有的测量强度。
• 背散射谱仪将实现2.2 μeV FWHM（弹性）的能量分辨率和±258 μeV的动态范围，是同类反应堆仪器的七倍。
• 反射谱仪将实现R < 10−9的反射率测量，优于现有设施一个数量级，且数据采集速率高。
• 复合H2/D2O慢化剂可提高100 K能量范围内的中子产额，性能接近液态甲烷慢化剂。
• 靶系统设计为5天内可更换靶容器，维护周期为6周，确保高运行可用性。
• 仪器阵列每年将支持1,000至2,000名来自不同科学和工业领域的用户，配备两套靶站，可在不同功率水平和频率下运行。