[论文解读] Voluminous D2 source for intense cold neutron beam production at the ESS

E. B. Klinkby, K. E. Batkov+4 more|arXiv (Cornell University)|Jan 23, 2014

Nuclear Physics and Applications参考文献 1被引用 5

一句话总结

本文提出在欧洲散裂源（ESS）靶区下方设置一个大体积的液态D₂慢化剂，以产生高强度的冷中子束，用于基础物理实验。通过MCNPX模拟表明，将一个25 cm × 25 cm × 20.6 cm的D₂慢化剂置于贯穿式中子束管中，可在最优位置下实现比基线对位氢慢化剂高3–4倍的中子束强度（A×B），同时对上方主散射慢化剂的亮度影响极小。

ABSTRACT

The development of the flat moderator concept at ESS recently opened up the possibility that a single flat moderator above the target could serve all the scattering instruments, that rely on high brightness. This would allow for the introduction of a fundamentally different moderator below the target for the complementary needs of certain fundamental physics experiments. To facilitate experiments depending on the total number of neutrons in a sizable beam, the option of a voluminous D2 moderator, in a large cross-section extraction guide is discussed and its neutronic performance is assessed.

研究动机与目标

• 探索在ESS靶区下方设置大体积D₂慢化剂以增强基础物理实验用冷中子束强度的可行性。
• 评估此类慢化剂对用于中子散射仪器的主平面状对位氢慢化剂性能的影响。
• 评估在不同反射层和预慢化器配置下，置于贯穿式中子束管中的D₂慢化剂的中子输运与亮度性能。
• 优化D₂慢化剂的几何形状与材料，以最大化用于束流实验的中子产额，同时最小化对现有散射束线的干扰。
• 确定D₂慢化剂在依赖束流强度的实验中，是否能显著优于基线TDR对位氢慢化剂的总中子通量。

提出的方法

• 在ESS靶盘下方的贯穿式中子束管中建模一个25 cm × 25 cm × 20.6 cm的矩形液态D₂慢化剂（19 K，1/3对位氘，2/3正位氘）。
• 慢化剂被3 mm厚的铝包封，并在除出射中子面外的所有方向周围设置可变厚度的水预慢化层（1–4 cm）。
• 模拟采用MCNPX进行中子输运建模，基线设计中用铅反射层（直径130 cm）替代钢，以提升中子再循环效率和亮度。
• 模拟三种情况：参考情况（无D₂慢化剂）、Case 1a（D₂慢化剂位于束管顶部）和Case 1b（D₂慢化剂下移10 cm）。
• 通过在5 m距离处的F5计数器评估中子亮度，将0–5 meV能量范围内的通量积分，计算A×B（束流截面积 × 亮度）以进行比较。
• 通过12 cm × 12 cm的出射孔径，将D₂慢化剂的性能与ESS技术设计报告（TDR）中的对位氢慢化剂进行对比。

实验结果

研究问题

• RQ1 将大体积D₂慢化剂置于ESS靶区下方，是否能显著提高基础物理实验用冷中子束的强度？
• RQ2 D₂慢化剂对用于中子散射的主对位氢慢化剂亮度有何影响？
• RQ3 D₂慢化剂位置（Case 1a与Case 1b）如何影响上部对位氢慢化剂的亮度？
• RQ4 使用铅反射层替代钢是否能显著提升D₂慢化剂及上部慢化剂的性能？
• RQ5 D₂慢化剂的A×B（束流截面积 × 亮度）是否能超过基线TDR对位氢慢化剂？

主要发现

• 在Case 1a（束管顶部）中，D₂慢化剂使上部对位氢慢化剂的亮度相比参考情况降低约15%。
• 当D₂慢化剂下移10 cm（Case 1b）时，对上部对位氢慢化剂亮度的损失可忽略不计，基本消失。
• Case 1a中D₂慢化剂的A×B为4.27 × 10¹⁵ n/sr/s，是TDR对位氢慢化剂1.17 × 10¹⁵ n/sr/s的3.6倍。
• 在Case 1b中，A×B为2.85 × 10¹⁵ n/sr/s，仍比TDR基线高出2.4倍。
• A×B性能的提升归因于更大的慢化剂面积以及使用铅反射层，后者增强了中子再循环和亮度。
• 研究证实，大体积D₂慢化剂可实现比基线TDR对位氢慢化剂高3–4倍的冷中子束强度，当位置优化时，对散射仪器性能的影响极小。