Back-n運行情況和發(fā)展介紹-CSNS反角白光中子源第五次用戶研討會

1、Back-n運行情況和發(fā)展介紹唐靖宇高能所/散裂中子源 CSNS反角白光中子源第五次用戶研討會2021年8月13-14日，珠海報告提綱Back-n裝置基本情況簡介過去一年開放運行(2020.10-2021.7)情況介紹平臺開放和用戶支持2021年下半年供束計劃平臺發(fā)展和規(guī)劃總結2Back-n裝置基本情況介紹3CSNS反角白光中子源（Back-n）科學目標當前中國唯一極寬譜中子實驗裝置，國際上流強最高的白光中子束線，研究領域覆蓋寬：核物理和核技術：核數據測量（中子誘發(fā)的核反應截面）：各種微分反應截面（全截面、裂變截面、俘獲截面、帶電粒子出射、非彈截面、Gamma譜等）、裂變產物、中子宏觀實驗中子

2、輻射效應：集成電路的高能中子單粒子效應、材料改性、輻射損傷探測器標定、中子計量學：具有能譜范圍寬、強度高的特點白光中子成像和核素成分分析：利用不同核素全能區(qū)中子的特征共振反應進行樣品的成像和核素成分分析潛在研究方向：粒子物理：中子的基本性質研究4Back-n在國際上的優(yōu)勢CSNS：100/500 kW, 1.6 GeV打靶可產生非常強的脈沖中子，世界4大散裂中子源之一。沿質子束打靶通道反流的中子束（反角中子）很好的能譜結構和時間結構，可用于白光中子束線(世界上首條反角中子束線)流強世界上最高 (107 n/cm2/s at 50 m)供束時間充分每年大于4500小時5(n,lcp)PFNSOt

3、hers(n,t)、(n,f)、(n,)、(n,n)、(n,2n)CSNS反角白光中子實驗終端布局6規(guī)劃核數據測量譜儀：8套?，F有：FIXM、NTOX、C6D6、LPDA、GTAF-IIES1和ES2均可開展：中子成像、輻射效應、探測器標定7關鍵時間節(jié)點：1）2007年提出在CSNS建白光中子裝置；2）2010年確定反角白光中子布局；3）2013組建5單位合作的項目組；4）2018年3月Back-n初期建設完成并投入運行。目前的Back-n白光中子源束斑和注量率針對2個實驗廳，利用3個準直器（其中第1個是中子束開關）的不同孔徑設計了4組標準束斑其他由不同孔徑組合的束斑也是可以的，并經常應用可在

4、束線增加鉛磚（遙控切換），以大大減弱束流的Gamma不同束斑的特點：大束斑：注量率高；小束斑：本底??；極小束斑控制：限制流強大方束斑：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)核數據測量譜儀中子俘獲截面測量4單元C6D6譜儀：通過中子俘

5、獲的測量，確定俘獲截面，入射中子能量分辨率小于1%，得到的俘獲截面不確定度小于5%。GTAF-II譜儀：40單元BaF2，從原GTAF升級而來，2019年下半年安裝在線，現已可以開展用戶實驗。利用近4覆蓋，測量中子俘獲后的加和，探測效率更高。9裂變截面測量FIXM譜儀：可放8層樣品的快響應電離室，可放置標準U-5/U-8樣品進行相對測量。覆蓋能區(qū)：eV-20 MeV時間響應：30MB/s，提供實時采樣處理。在線實驗高能單粒子效應測試：ES1和ES2，加速實驗，國際一流條件；NTOX自動換樣架、6維多功能樣品架可以在ES#2開展并行實驗。照射后離線分析實驗通用輻照平臺和中子捕集器：可開展長時間開

6、展寄生輻照實驗。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中子輻射效應實驗條件163個輻照位置（距散裂靶約30m），1個可插入式鉛磚（屏蔽Gamma）通用輻照平臺108 n/cm2/s白光中子成像和元素/核素成分分析實驗條件利用白光中子束流透射成像穿透能力強有可能在透射成像的同時進行元素分辨目前可用設備: 門控CMOS相機發(fā)展中：摻硼MCP（像素+TOF讀出）元素/核素鑒別利用寬能譜中子與原子核的共振吸收特征峰或復合核的特征Gamma譜進行樣品成分鑒別目前可用設備：NTOX（全截面測量方法，大樣品）、C6D6（俘獲截面測量方法，小樣品）、HPGe探測器（Gamma譜分析方法，在線測量或活化法）1717B-

8、MCPCMOS相機性能測試和成果鑒定2020年11月14-15日：物理學會中子散射分會/高能所組織了2個專家組，分別對Back-n進行了性能測試和成果鑒定。總體評價：利用反角白光中子束：國際首創(chuàng)中子束流綜合性能指標居于國際前列，其中，距產生靶同等距離的中子注量率為國際最高性能先進，運行高效，成果突出，是一個重要的通用型科研平臺18Back-n過去一年開放運行（2020.10-2021.7）情況介紹19過去一年供束計劃和執(zhí)行情況CSNS年繼續(xù)高效運行，供束效率90%CSNS供束計劃按自然年上報科學院Back-n年供束時間：4500小時（并行實驗累計）2020年下半年Back-n實驗供束情況10月

9、11日-2月10日供束：2496小時，開展30項實驗2021年上半年Back-n實驗供束情況3月4日-7月20日供束：2788小時，開展26項實驗20實際實驗供束：5284小時已開展的核數據測量實驗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)彈散TPC樣機: 12C，14N，12C (13C集團結構)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個核素或元素的截面測量（綠色）探測器標定和測試實驗用戶探測器標定和測試西核院和九院二所：126小時（包括單束團91小時）其他單位標定/測試實驗：465小時（包括并行實驗）項目組內部實驗-機器研究/譜儀發(fā)展實驗供束：765小時譜儀帶束測試：GTAF-II、TPC束流特征測量：低能區(qū)和加鉛磚能譜測量、白光中子源成果鑒定會實驗方法研究：TPC新電子學聯調、高事例率裂變室測試、GTAF-II測試、摻硼MCP探測器測試22其他類型實驗中子輻照芯片單粒子效應：17項實驗，供束380小時實驗單位：10家輻照器件類型：手機、FPGA、SRAM、功率管、SiPM探測器、CZT探測器等長期寄生輻照：多個，

12、沒有統(tǒng)計時間中子共振成像和核素成分分析供束約350小時，4次實驗考古文物共振成像和樣品核素成分分析：3次企業(yè)快中子照相實驗：1次23分單位實驗數量統(tǒng)計分單位實驗機時統(tǒng)計252020-2021年Back-n成果簡介發(fā)表論文（只統(tǒng)計SCI或EI收錄）以Back-n合作組發(fā)表的論文：發(fā)表：11篇；審稿中：2篇；撰寫中：11篇。Back-n合作組發(fā)表的proceeding: 6篇（ND2019）一般用戶已發(fā)表的論文：1篇申請專利：發(fā)明專利：新申請/授理3項國際會議報告：口頭報告：3個（ISINN-28）26亮點：Back-n標準截面測量工作在IAEA標準截面工作組會議（The IAEA Consult

13、ancy (Virtual) Meeting on Neutron Data Standards, Oct.12-16, 2020）上獲得高度認可：6Li(n,t)、10B(n,)、H(n,n)、238U(n,f)/235U(n,f)Back-n裝置研制文章：NST主編約稿和重點推介, NUCL SCI TECH (2021) 32:11Back-n核數據測量綜述文章：CPC主編約稿和重點推介, Chinese Physics C 45, 062001 (2021)平臺開放和用戶支持27實驗申請和支持實驗申請自2019年下半年開始，通過CSNS用戶服務在線系統(tǒng)（目前Back-n獨立運作）征集用

14、戶實驗建議標準流程：網上提交申請（鼓勵先跟相關實驗支持人溝通）、實驗支持人對申請書的格式和實驗條件審查、初評專家評審、用戶委員會終審小實驗和臨時實驗對以上流程簡化內部實驗由項目組安排評審實驗支持5個方向實驗支持人（Gamma測量、裂變截面和全截面測量、帶電粒子出射測量和探測器標定、單粒子效應或其他中子輻照、中子測量和成像）已全面開展工作實驗支持人從實驗申請到實驗準備、實驗開展和數據處理/論文發(fā)表，為用戶提供全方位支持。運行負責人和用戶辦公室也為用戶提供必要的支持和服務。28提高用戶服務質量和裝置運行水平Back-n運行3年來，逐漸形成自己的用戶實驗支持體系，將用戶型裝置和專用裝置的特點結合，希

15、望聽取各位用戶的意見，逐漸改進。實驗準備和進行過程中，有什么要求都可以通過實驗支持人提出，但越早越好。Back-n用戶須知告訴各位用戶遵守在Back-n的規(guī)定（包括CSNS的通用規(guī)定），望各位用戶配合。各位用戶如果有好的合理化，歡迎提出，我們會根據大家意見和園區(qū)情況作出合理調整。29國際合作和國際用戶待加強（受疫情影響）正加入NOPTREX國際合作組，開展基于中子的時間反演對稱性破缺實驗研究（Back-n在0.1eV-幾十10eV能區(qū)有優(yōu)勢）2021年下半年供束計劃302021年（自然年）CSNS和Back-n運行計劃Back-n供束束流分配考慮：總供束時間4500小時，機器研究500小時用于

16、譜儀發(fā)展帶束測試和束流特征測量，4000小時用戶實驗時間的2/3即約2700小時用于開放實驗、1/3即1300小時用于項目組控制的臨時實驗安排。主體/系統(tǒng)名稱總機時（小時）其中（小時）國際同類先進設施運行數據 運行準備供束（實驗）機時機器研究故障機時加速器6100400410012004005900靶站5600100041003002003980譜儀-通用粉末衍射儀41005029001000150譜儀-多功能反射儀4100503200700150譜儀-小角散射儀4100503200700150反角白光中子實驗裝置 41005050 1# 廳實驗1800250 2# 廳實驗2500300公用設

17、施-供配電8760公用設施-水冷 6840公用設施-空調及空壓8760共有16個實驗申請上用戶委員會審批，要求束流時間：3169小時2021年上半年已安排但未完成5個實驗時間：240小時預留小實驗、內部實驗和臨時重要實驗：500小時2021年下半年（10.13-01.29）CSNS開放供束時間：約1943小時（按90%供束效率），Back-n估計2200小時（2個實驗廳合計）(目前需要：3909小時)打靶功率100kW，供束效率保證90%以上。2021年下半年Back-n實驗計劃10月11月12月01月合計供束機時3675185185401943CSNS 2021年下半年供束估計平臺發(fā)展和規(guī)劃

18、33今后幾年Back-n的運行和發(fā)展運行和發(fā)展并舉，保證每年足夠的供束和實驗時間運行值班運行（加速器運行組+束流擴展應用組）和維護（其他部門/組）Back-n項目組對各類型實驗提供支持（實驗支持人/譜儀科學家，與用戶合作開展實驗）鼓勵實驗用戶以研究方向合作小組形式合作開展實驗研究發(fā)展Back-n項目組（多單位聯合）：裝置建設、實驗方法、合作實驗近期：改善實驗條件、改進已有譜儀；重點發(fā)展中子共振成像和考古文物研究（基金重點項目支持）；發(fā)展TPC樣機。中長期：新建大型高性能譜儀34近期發(fā)展中子源性能提高短束團引出初步成功（專用模式）：50kW打靶功率，可將束團壓縮至正常運行的54%；30kW（無打靶），26%。待進一步努力共用電子學和DAQ進一步提高