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中國散裂中子源(CSNS)現(xiàn)已建了伴生質(zhì)子束實驗平臺(APEP)，為質(zhì)子輻照相關(guān)的實驗研究提供條件。 CSNS一期工程利用一臺直線加速器(LINAC)將負氫離子加速到80 MeV，負氫離子被剝離成質(zhì)子并注入到快循環(huán)質(zhì)子同步加速器(RCS)中，在環(huán)形同步加速器中進一步加速到1.6 GeV后引出打靶，產(chǎn)生大量中子，將這些中子引出以開展科學(xué)研究。散裂中子源是基于中子應(yīng)用的研究裝置，但是在建設(shè)之初也考慮到質(zhì)子束流擴展應(yīng)用，在直線末端預(yù)留了開展中能質(zhì)子束應(yīng)用研究的空間，如圖1所示。
圖1.CSNS裝置布局及伴生質(zhì)子束實驗平臺位置 在散裂中子源正常運行的情況下，負氫離子在直線加速器中加速和傳輸過程中，負氫離子會與束流管中殘留的氣體分子相互作用，產(chǎn)生許多能量為80 MeV的質(zhì)子，即伴生質(zhì)子。在直線末端有三種電荷態(tài)的離子，即負氫(H-)、氫原子(H0)和質(zhì)子(H+)，經(jīng)過末端分束二極磁鐵進行了三分束，負氫注入快循環(huán)同步加速器進一步加速，氫原子和質(zhì)子分別進入到相應(yīng)的廢束站。 目前，可以利用二極磁鐵切換方式，將束流引導(dǎo)伴生質(zhì)子束實驗平臺，如圖2所示。伴生質(zhì)子束實驗平臺主要用于質(zhì)子輻照應(yīng)用相關(guān)的實驗及測試研究，主要開展電子器件及集成電路的單粒子效應(yīng)研究、半導(dǎo)體材料的輻照損傷效應(yīng)和改性、加速器裝置的結(jié)構(gòu)材料的輻照損傷、質(zhì)子束的活化分析、質(zhì)子照相、質(zhì)子探測器的標定實驗研究等方向。
CSNS直線加速器伴生質(zhì)子束線總長14 m，布局如圖3所示，沿束流方向上主要包括降能器、降流器、3個準直器、3個質(zhì)子束窗以及2個實驗點。在束線末端放置一個廢束站，用于吸收實驗后的廢束。
圖3.CSNS直線加速器伴生質(zhì)子束線布局 束窗主要是為了隔絕加速器和應(yīng)用束線，避免應(yīng)用束線暴露大氣操作而影響加速器的高真空環(huán)境。降流器主要作用是為了滿足不同類型實驗對束流流強測試需求，可以控制通量下降5個量級。降能器可以實現(xiàn)質(zhì)子能量在10~80 MeV之間連續(xù)可調(diào)。為了滿足實驗上對束斑和實驗本底的控制，束線布置三套準直器，配合使用。準直器1、2、3共同決定了束斑尺寸大小、束斑均勻部分尺寸及束流的強度。準直器1、2作為主準直器控制實驗點樣品位置質(zhì)子束流的強度和束斑尺寸，準直器3作為輔助準直器減少主束流周圍的束暈，降低本底。準直系統(tǒng)實現(xiàn)了方形束斑的調(diào)制。目前采用連續(xù)可調(diào)方案，實現(xiàn)質(zhì)子束斑尺寸在10 mm×(10~50) mm×50 mm之間連續(xù)可調(diào)。三個準直距離引出口依次分別為：1.25 m、4.35 m、7.80 m。詳細設(shè)計可以參閱最近發(fā)表的文章《Physical design of the APEP beam line at CSNS》[1]。 伴生質(zhì)子輻照實驗平臺根據(jù)用戶測試需求，可提供多樣品、遠程控制的換樣平臺。由于低能質(zhì)子對空氣敏感，部分實驗需要存在真空環(huán)境，因此需要設(shè)立一個真空樣品實驗區(qū)和一個大氣樣品實驗區(qū)。為了緊湊并節(jié)約預(yù)算，采用圓形真空罐和旋轉(zhuǎn)平臺搭建真空試驗區(qū)，真空罐后方搭建大氣樣品實驗區(qū)。真空樣品實驗點和大氣樣品實驗點分別位于9.1 m和9.6 m處，實驗終端如圖3所示。測試點主要的樣品參數(shù)為： 伴生質(zhì)子束實驗平臺還可以進行航天器件輻照效應(yīng)研究，為空間飛行器及設(shè)備的穩(wěn)定運行提供基礎(chǔ)的測試條件(圖4、圖5)。同時也可以為大型探測器的抗輻照性能研究提供測試條件，促進我國高性能抗輻照性能航天設(shè)備和探測器的技術(shù)進步。CSNS直線加速器伴生質(zhì)子束線的優(yōu)勢在于高流強、供束時間長、每年可以提供近5,000 h的束流時間，它的建成將彌補國內(nèi)中能質(zhì)子束流時間的不足。
圖4.伴生質(zhì)子束實驗終端現(xiàn)場
圖5.真空靶室內(nèi)的樣品布置 目前，完成了用戶服務(wù)系統(tǒng)(https://apep.csns./)設(shè)計和開通。用戶可以網(wǎng)上遞交實驗申請。(質(zhì)子中國 編輯報道) |
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