长脉冲中子源慢化器中子学性能理论分析与实验测量

High performance neutron source has been the important multi-disciplinary scientific facility. Higher flux and higher efficiency of utilization of neutron are always the targets pursued in the area of neutron science. Compared with short pulse neutron source, long pulse neutron source is easier to build, has lower cost, will provide higher average flux, and improve the utilization efficiency of neutrons. So long pulse neutron source has been the complementary way together with short pulse neutron source. The neutronics performance of spallation neuron source is demanded by the output performance of moderator. Neutronics performance of the moderator of long pulse neutron source, include distribution of intensity, energy spectrum and time structure of neutron pulse， and so on, also the influence factor and influence mechanism, will be researched. The optimization of neutronics performance of the moderator will also be involved. Measuring method of neutronics performance of the moderator of long pulse neutron source will be researched. And the experiments of measuring the neutronics performance of room temperature moderator of Compact Pulsed Hadron Source of Tsinghua University, which driven by a long pulse proton linac, will be taken. The method of physical simulation, analysis, and design of TMR, also the method and technology of measurement of neutronics performance of moderator of long pulse neutron source will be mastered. Related experimental data will be acquired. Then the theoretical and experimental reference of the design of TMR of long pulse neutron source, and source terms of neutron scattering instruments based on long pulse neutron source will be achieved.

高性能中子源已成为众多前沿科学的综合性研究平台，产生更高的中子通量和有效利用中子一直是国际中子科学界不断努力追求的目标。长脉冲中子源与短脉冲中子源相比，实现技术难度低，相同功率水平时造价低，可提供更强的时间平均通量，可提高中子利用效率，正成为与短脉冲中子源互补的主要发展方向。散裂中子源的中子学性能由慢化器输出的中子特性体现。本项目拟研究不同类型的TMR系统对应的长脉冲中子源慢化器中子强度分布、中子能谱、中子脉冲时间结构等中子学性能及其影响因素与影响机理，探索其中子学性能优化方法。研究其中子学性能的测量方法和实验方案，利用即将建成的ms级长脉冲质子束驱动的清华微型脉冲强子源，开展长脉冲中子源常温慢化器的中子学性能实验研究。通过本项目实施，可以掌握相关物理分析、设计及测量方法与技术，积累实验数据，为长脉冲中子源TMR设计提供理论和实验依据，为发展适合长脉冲中子源的中子散射谱仪提供中子源项。

以清华微型脉冲强子源CPHS的中子物理学设计为基础，研究了不同类型的TMR 对应的慢化器中子强度分布、中子能谱、中子脉冲时间结构等中子学性能。分析TMR 结构，及慢化器和反射体的材料、形状、尺寸等因素，对慢化器中子学性能的影响。借鉴短脉冲中子源TMR 设计中用于提高TMR性能的方法，探索长脉冲中子源TMR中优化慢化器中子学性能的方法。研究了改变中子脉冲形状和裁剪中子脉冲尾巴的长脉冲TMR时间性能优化方法. 利用CPHS产生的能量3MeV/脉冲流强20mA/脉冲宽度50μs/重复频率5Hz的质子束流轰击Be靶，采用常温聚乙烯慢化器、退耦合水慢化器和耦合水慢化器得到脉冲中子束流。. 采用中子飞行时间方法和活化方法分别测量各条中子束线的中子能谱，并将最后的实验数据处理结果与模拟结果进行比较分析。. 利用中子脉冲形状测量装置测量了波长为1.1696Å中子的时间结构。结果表明，1.1696 Å中子脉冲形状的实验值与模拟结果符合较好。. 研究并制作了固体甲烷的弹性散射截面与非弹性散射截面数据库，完成了CPHS基于固体甲烷的低温慢化器物理设计。. 为了了解质子束流打靶的情况，为中子学测量与分析提供重要基础参考依据，2015年提出了使用红外热像仪进行打靶束斑监测的方案，以得到靶上温度空间分布和时间分布。选择使用反射镜直接通过束流真空管道观测铍靶表面的方案，估算铍靶温度为100~200摄氏度，红外光发射波段为2~15um。使用红外热像仪进行了打靶束斑监测模拟实验。进行了红外窗性能的测试，确定最终方案及红外热像仪设备参数。