二、ISIS–世界上亮度最高的散裂中子源
建在RAL實(shí)驗(yàn)室的ISIS是世界上亮度最高的散裂中子源,ISIS提供中子和繆子束流,支持世界上大約1600名科學(xué)家開展物理、化學(xué)、材料科學(xué)、地質(zhì)學(xué)、工程和生物學(xué)的研究。
ISIS批準(zhǔn)于1977年,1984年后期首次產(chǎn)生中子,1985年10月正式落成。從此,吸引了大量的國(guó)際投資,發(fā)展成為國(guó)際上一支凝聚態(tài)物質(zhì)研究方面的主要力量。
ISIS不是縮寫詞。該名稱是1984年由時(shí)任英國(guó)首相的瑪格麗特.撒切爾夫人為中子源開始運(yùn)行而確定的。在此之前,稱為SNS。ISIS是古埃及的一位主要女神,她具有超越所有其他神的力量,并能使人起死回生,被認(rèn)為是生命復(fù)活的象征。這對(duì)建在泰晤士河旁的新中子源來說十分恰當(dāng),因?yàn)樗^承了大量原英國(guó)加速器的設(shè)備。
脈沖源的特點(diǎn)
中子在ISIS散裂過程中產(chǎn)生。一個(gè)強(qiáng)大加速器產(chǎn)生的高能量質(zhì)子脈沖轟擊一個(gè)金屬靶,將中子從靶原子的原子核中驅(qū)趕出來。結(jié)果產(chǎn)生極強(qiáng)的中子脈沖,輸運(yùn)時(shí)在中子靶中僅產(chǎn)生不太高的熱量。相比之下,傳統(tǒng)的中子反應(yīng)堆源則忍受反應(yīng)堆芯中產(chǎn)生極高的熱量,增加了材料技術(shù)現(xiàn)有的局限性。由于ISIS加速器的低負(fù)載周期,ISIS靶中按時(shí)間平均產(chǎn)生的熱量為160 kW,但在脈沖中,中子的亮度超過最先進(jìn)的穩(wěn)定態(tài)源。
質(zhì)子加速
加速鏈從負(fù)壓665 kV 的Penning負(fù)離子源開始。引出的負(fù)離子束加速到地面,注入到直線加速器,注入的能量為665 keV。4個(gè)阿爾瓦雷茲型的直線加速器把束流加速到70 MeV,提供200微秒長(zhǎng)的22毫安負(fù)離子脈沖。進(jìn)入同步加速器后,負(fù)離子束穿過一個(gè)0.3微米厚的氧化鋁剝離膜。該剝離膜將電子從束流的負(fù)離子中移出,將它們變換為質(zhì)子。質(zhì)子束大約在同步加速器中運(yùn)行130圈內(nèi)注入,使空間電荷效應(yīng)減到最低,將質(zhì)子的數(shù)量累積到2.8x1013。
注入結(jié)束后,兩個(gè)高頻系統(tǒng)將注入的束流俘獲在兩個(gè)束團(tuán)里,并將它們?cè)谡ㄖ鞔艌?chǎng)的10微秒的上升邊加速到800 MeV。有兩個(gè)雙間隙鐵氧體調(diào)諧的高頻腔,束流每轉(zhuǎn)一圈提供一個(gè)140 kV的峰值加速電壓。引出前,脈沖100毫微秒長(zhǎng),彼此間隔230毫微秒。質(zhì)子束流大約要在同步加速器中運(yùn)轉(zhuǎn)10000圈,然后才偏轉(zhuǎn)進(jìn)入質(zhì)子引出束流線。通過3個(gè)快速?zèng)_擊磁鐵,可以作到這一點(diǎn)。沖擊磁鐵的電流在100毫微秒的時(shí)間內(nèi)從0上升到5 kA。整個(gè)加速過程在1秒內(nèi)重復(fù)50次。
散裂
散裂靶由重金屬鉭制作而成。質(zhì)子轟擊靶材料中的原子核,觸發(fā)原子核內(nèi)的級(jí)聯(lián)過程,使單個(gè)原子核處于高激發(fā)狀態(tài)。然后,通過蒸發(fā)核子(主要是中子),原子核釋放出能量,有些會(huì)離開靶,而其他的則繼續(xù)進(jìn)一步觸發(fā)反應(yīng)。送到靶的每個(gè)高能質(zhì)子產(chǎn)生大約15個(gè)中子。該過程產(chǎn)生的中子一般都有很高的能量和速度,必須降下來才能用于凝聚態(tài)物質(zhì)的研究。靠靶周圍的一組小的含氫減速劑可作到這一點(diǎn)。這些減速劑利用氫的大散射截面通過與氫原子核的不斷對(duì)撞使通過的中子減速下來。減速劑的溫度決定產(chǎn)生的中子的譜分布,可以為不同類型的實(shí)驗(yàn)進(jìn)行修改。ISIS的減速劑為環(huán)境溫度水(43°C),液態(tài)甲烷(100 K)和液態(tài)氫(20 K)。
ISIS脈沖源產(chǎn)生的中子特性與連續(xù)核反應(yīng)堆源產(chǎn)生的中子有很大的不同。特別是多色中子束流上采用了飛行時(shí)間技術(shù),直接決定了每個(gè)中子的能量和波長(zhǎng),允許采用固定散射幾何結(jié)構(gòu)。在能量和動(dòng)量傳輸中,信號(hào)噪音水平好,測(cè)量涵蓋廣泛的譜,初始0.4微秒的中子脈沖銳度由小的減速劑保持,給緩沖譜一個(gè)豐富的高能成分,或使儀器獲得高分辨率。
繆子在一個(gè)輕元素的高能質(zhì)子和原子核對(duì)撞中產(chǎn)生。ISIS還通過同步加速器的800 MeV質(zhì)子在到達(dá)中子主要產(chǎn)生區(qū)強(qiáng)前穿過石墨中間靶產(chǎn)生強(qiáng)的脈沖繆子束。一小部分質(zhì)子與碳原子的質(zhì)子或中子發(fā)生對(duì)撞,產(chǎn)生短壽命帶電荷的π介子,半壽命為26毫微秒,衰變成繆子。已在產(chǎn)生靶表面衰變的π介子產(chǎn)生自旋極化繆子束,稱為正繆子表面繆子束,與中子靶一樣,重復(fù)頻率也是50 Hz。
除了在主靶中產(chǎn)生中子外,π介子和繆子衰變產(chǎn)生大量的中微子。稱為KARMEN的實(shí)驗(yàn)旨在利用脈沖結(jié)構(gòu)的性質(zhì)研究基本粒子問題。
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