中子源和同步辐射源比较

1、关于中子源与同步辐射源比较第1页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四(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第2页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（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” ）1930Bothe W. 及 Bec

2、ker H.用 Ra-a 轰击 Be，发现铍辐射：探测器：盖革管，pe第3页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四1930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 Meitner L.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 50 MeV，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：“

3、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Poa云室He, N第4页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四 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”。PoBeaBe 幅射Pb石蜡泵p,N,He放大器第5页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中子的主要性质质量 mn 939.5731 MeVmn mp1.2935 MeV( me)me0.51100 MeV寿命 tn896 s ( p

4、 + e + n )磁矩 mn-1.91304275 mN自旋 s 1/2第6页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（二）中子的波动性第7页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（二）中子的波动性de Broglie 波长非相对论情况故 1 中子的能量为 81.8 meV，中子能量反比于波长的平方l（） ESR(keV) E中子(meV) 1 12.4 81.81 10 1.24 0.8181 100 0.124 0.008181第8页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四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

5、上定性地显示了中子的波动性(2 0 0)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。第9页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中子波动性的定量证实1944 年 Fermi 和 Zinn 使用 Argone CP-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Anderson Herbert第10页，共66页，2022年，5月20日，16

6、点23分，星期四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80 mm扫描狭缝30mm 100 mm入射狭缝15mm 60 mm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：200.55 m5 m0.48m0.11150mm 200mm100mm 200mmBF3 探测器1. 三棱镜倒置，因为 n1。 2. 总体尺度(10m)比可见光大一量级，因波长小2量级。3. 分辨率与统计精度不如用光进行的实验，因强度小许多量级。0.45 m第11页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四a第12页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四几

7、个常用的关系式在常用单位中波矢量第13页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四常用的中子分类名称能量（eV） 温度（K）波长（） 速度（km/s）波矢（）1 1.29.0 4.43 3.55.2 7.61 1.229 1.42 2.320 2.05 5.813 3.12 236.4 6.23 355.2 7.65 584.0 9.82.59 3001.78 2.26 71.2 3.48 9.31.0 3.91 1.20.9 4.42 2.30.2 207 8.11.1 3.75 5.81.3 3.15 5.84.0 9.81 1.22.9 1.4 超冷甚冷冷热超热快高能慢热中

8、子波长为110I100meV(-1)第14页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（三）中子与同步辐射应用的对比第15页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中子与同步辐射应用的对比（同） 均具有波动的性质，故其反射、折射、衍射、相干等光学性质类似； 均具有自旋，可以起偏振； 均有实验室源及大装置源，当代应用主要均是后者； 其应用原理均为它们与物质的相互作用：反射、折射、散射（弹性、 非弹性、小角 ）、吸收、成像等。第16页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中子与同步辐射应用的对比（异） 虽然大设备中子及同步辐射均给出连续谱的辐射，但是

9、中子谱更 宽一些（当然不是在同一装置上），达十个量级； 它们与物质的相互作用性质不同：中子主要是与物质的原子核的 强相互作用，同步辐射主要是与物质原子中的电子的电磁相互作用。 中子对物质的穿透比同步辐射深，辐射安全问题比后者大； 中子源的强度比同步辐射低，对于一些通用的应用（如衍射），所需 时间及成本均较大。第17页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（四）中子源第18页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（1）放射性同位素源如 (a,n) 源 源发射体 半衰期发射率(n/a)源强度 (n/s)*Ra-Be 1602 y 5.02Po-Be 138 d

10、6.9 Am-Be 433 y 7.0Pu-Be 87,4 y 5.7Cm-Be 162 d 1.06源尺度：几cm源尺度：几cm一般第19页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四常用的 a-Be 源结构放射性反应芯a发射体靶物质不锈钢典型 Be(a,n) 源的双层壳结构双层钢壳防泄漏第20页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四g中子源基于两个反应：g发射体 半衰期 g能量(MeV) 靶n能量(keV)产额(n/s)* 15.0 h 2.7541 Be 967340,000 D 263330,000 107 d 1.8361 Be 152229,000 2

11、.7340 109 2.7340 D 253 169 40.3 h 2.5217 Be 760 10,200 D 147 6,600* 源尺寸见下图第21页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四球型 g 中子源 发射芯(f 2.38 cm) 中子发射靶壳 (Be 或 D)( 厚 3.2 cm )Al 包裹壳第22页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（2）加速器中子源-a 利用核反应：7Li ( p, n)7Be3H (p, n) 3He 2H (d, n) 3He 3H (d, n) 4He 加速器：静电（典型为 Van de Graff）、回旋 靶：氘

12、、氚气体靶，或固体靶Cu, Mo, Ta等，水冷或气冷Ti 膜，0.1-0.4mg/cm2吸附气态氘或氚氚/钛原子比：1.7:1 甚至 2:1第23页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四 中子能量：几 KeV 20 MeV （快中子） 随着吸附的氘、氚的消耗，中子产额下降，中子产额随时间而变 源强量级：1mA d (150 keV) ， 3H (d, n) 4He 反应的中子产额 （新鲜靶）： 这在中子应用中已经算是高产额了。第24页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四回旋加速器的限制能量： 102 MeV 级束流： mA 级 反应产额(n/粒子)全部中

13、子产额热淀积(MeV/n)T(d,n)(0.2 MeV) 810-5 1.3108 2500W(e,n) (35 MeV)1.7 10-2 2.71010 20009Be(d,n) (15 MeV)1.2 10-2 1.91010 1200 英国 Harwell 150 MeV 回旋加速器中子源 (9.6 mA) 已关闭 美国 Nevis 385 MeV 回旋加速器中子源 (1.2 mA) 已关闭第25页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（3）反应堆中子源1942 年 Fermi 在 Argon 建造了第一个裂变反应堆CP1，也是作为研究用的中子源。铀235在中子轰击下，

14、每次裂变放出2个以上的中子。维持连锁反应的反应堆保有很强的中子场。裂变中子的平均能量 2 MeV ，加入慢化剂的堆中，高能中子与慢化剂通过不断碰撞达到热平衡，其能谱为 Maxwell 分布。 为 Boltzmann 常数，分布的极大值在中子动能为 处。 为相当于此极大值能量的速度。对于热中子（室温,T = 300K)，有第26页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中子的速度分布为 也是此分布的极大值处。 T 是慢化体（石墨、水、重水、液态氘等）的温度，也以之标记中子温度。注意，中子的的根方均速度为：相应的动能为第27页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四

15、反应堆：20世纪大部分为连续模式，产生高积分通量的冷及热中子（1 100 meV） 功率堆 ： 高压，热功率 1 GW， 能源专用 研究堆： 大气压，热功率 102 MW， 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。第28页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四 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HFBR BNL1965 66 MW91014 11台

16、HFIR Oak Ridge1966 100 MW101014 10 台 HFR ILL 71/94 57 MW151014 25 台 OPHE Saclay1980 14 MW31014 24 台HFR：High Flux Reactor（德、法、英）； HFBR：High Flux Beam Reactor （已于99年关闭）；HFIR：High Flux Isotope Reactor；（主要作同位素生产，兼用研究） ILL：Institut Laue-Langevin; 第一个99 关闭第29页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四专用研究堆处在减少的趋势第30页，共

17、66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四a第31页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四法国 ILL (Inatitut Laue-Langevin) 研究所反应堆堆芯体积小(f50cm)，ILL 堆有高功率密度，中子通量可与商用功率堆相比。堆芯300K超热源(石墨)2000K冷源(超临界氢或液氘)2535K重水f 50cm第32页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四管道： 截面为圆形（早期）、椭圆或矩形 内端开口 3m 平衡分布各向同性，热中子靠堆芯引出，以得最大通量 水平管道 g 本底较大第33页，共66页，2022年，5月20日，16点2

18、3分，星期四(4) 反应堆中子源、转靶X光源及同步辐射源谱分布的比较三种源的谱分布对照：（a) 从反应堆引出的中子束谱通量；(b)X光机给出的X射线谱通量；(c)弯铁同步光源给出的同步辐射谱亮度。(c)ph/(10-3 BWmm2 mrad2 s)n/(Dl cm2 s)第34页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四ILL 反应堆不同束流管道的中子谱通量310101ILL 热中子谱通量：31010n/(cm2s)1，Dl10-3，3107n/(0.1%BWcm2s)另有报道在距堆芯30cm处1的最大热中子谱通量大1量级31011n/(cm2s)第35页，共66页，2022年，

19、5月20日，16点23分，星期四故ESRF波荡器SR的谱亮度(1处)为：换成cm2单位的谱通量，有21/g 0.17mradESRF 波荡器的谱亮度，与反应堆强度的比较第36页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四ILL 最大热中子通量：1015 ， 即使此时对应的谱亮度增加3个量级，也只有还有8个量级的差！第37页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四反应堆作为中子源受到的限制裂变反应堆可以用作稳态中子源，但是由于反应动能淀积和产物b衰变能量为其代价：235U(n, f)1n / 裂变*200 MeV / n目前在中子散射长度上淀积的能量已到达散热技术的极

20、限，这就使得它们作为中子源的源强长期徘徊在1014 1015 n / (cm2 s) * 虽然每个裂变产生 2.4 个中子，一个要用来维持连锁反应，约 0.4 个用以克服一些难免的寄生效应，故平均只有一个可用中子。第38页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四 反应堆中子源强度很难期望 1015, 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。第39页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中

21、子源强发展史热中子通量 （n/(cm2s)）第40页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四中子源强度的增长速度与同步辐射成很强的对比第41页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（4）加速器中子源-2：散裂中子源 散裂反应（Spallation Reaction）：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。第42页，共66

22、页，2022年，5月20日，16点23分，星期四 E. Lawrence n（190 MeV）+ Bi产生次级中子1948 Goeckerman, PerlmanD2 (190 MeV) + Bi 散裂出12个中子 OCornor, Seaborga (380 MeV) + U 多个中子产生Livermore, Chalk River 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。第43页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四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：第44页，共66页，2022年，5月20日，16点23

23、分，星期四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（235U 0.02%），压低 235U 裂变产生第45页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四散裂过程 1 GeV 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( 8 MeV )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

24、子第46页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四散裂中子能谱 级联反应中子谱 (准自由碰撞 + Monte Carlo ，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 )第47页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四形成散裂中子源构思：较高能量（ 1 GeV）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)中子束流引出第48页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，

25、星期四英国 Rutherford-Appleton Lab 的 ISIS 散裂中子源第49页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四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-水第50页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四散裂中子源 (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，102 kW，例如：卢瑟福实验室的散裂中子源 ISIS = 16

26、0 kW其热中子通量与 ILL 的高通量堆相当，该高通量堆功率为 57 MW！ 脉冲时间：ms ms ，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。第51页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四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 200 mA 脉冲 中国 BSNS？ 北京？计划 1.6 GeV65-125 mA 脉冲SINQ 热中子通量达 1.51014n/cm2/s第53页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四一ISIS 国际用户分布

27、(2/3 用户为UK国内用户)第54页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四（五）散裂中子源与反应堆中子源的关系第55页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四反应堆：20世纪大部分为连续模式，产生高通量的冷及热中子（1 100 meV） 功率堆 ： 高压，热功率 GW， 能源专用 研究堆： 大气压，热功率 102 MW， 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。第56页，共66页，20

28、22年，5月20日，16点23分，星期四 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HFBR BNL1965 66 MW91014 11台 HFIR Oak Ridge1966 100 MW101014 10 台 HFR ILL 71/94 57 MW151014 25 台 OPHE Saclay1980 14 MW31014 24 台HFR：High Flux Reactor； ILL：Institut Laue-Langevin；HFBR： High Flux Beam Reactor;第57页，共66页，2022年，5月20日，16点23分，星期四(2) 散裂中子源 当代绝大部分为脉冲散裂源(Pulsed Spallation Source, PPS)10 100 Hz, 现实功率 200 mA P(25/50) 中国 BSNS？ 北京？计划 1.6 GeV65-125 mA P(25)SINQ 热中子通量达 1.51014n/cm2