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中国散裂中子源束流垃圾桶屏蔽设计与分析
一、前言
散裂中子源（CSNS）是中国国家重大科学装置之一，其主要作用是利用高速加速器将质子加速至3GeV，撞击锆靶产生中子束流，为物理、材料、生命科学等研究提供有力支撑。在束流产生后，中子由于其弱相互作用截面特性，在照射样品时很容易产生较大的散裂，从而影响实验精度与结果。为此，设计合适的束流屏蔽系统来控制散裂成为重要的技术问题之一。本文将对散裂中子源束流垃圾桶屏蔽设计与分析进行探讨。
二、束流垃圾桶屏蔽的作用与现状
束流垃圾桶是一个典型的束流屏蔽形式，主要用于控制中子束流的中子散裂。在束流垃圾桶屏蔽系统中，需要实现以下目标：
1.控制散裂中子：当中子束流通过样品后，会与其中的原子发生散裂作用，从而产生散裂中子。若不进行屏蔽处理，则会影响实验的精度与结果。因此，垃圾桶的主要任务是有效地控制散裂中子，减小对实验的影响。
2.控制辐射：束流垃圾桶屏蔽还需要控制由脉冲质子束撞击样品产生的辐射，在保证实验可行性的前提下最大限度地减小辐射对工作人员的影响。
3.增加工作稳定性：束流垃圾桶的合理设计可以增加系统的稳定性，通过减少垃圾及抑制中子反弹等手段，可大大提高系统的工作效率，保证实验的可靠性。
目前，国际上已有许多研究团队针对不同的实验需求设计了各种形式的屏蔽系统。其中，日本J-PARC和法国ILL的研究表明，通过适当增加垃圾桶的深度，可以大幅度降低散裂效果。
三、束流垃圾桶屏蔽的设计
1.屏蔽结构
图1.束流垃圾桶结构示意图
束流垃圾桶的设计需要考虑中子束流的入射角度和中子的散裂范围，以保证散裂中子能够被完全编译。本文采用方形结构，并分别从垃圾桶底部和桶体上部设置两个厚度分别为2cm的波浪板。垃圾桶底部的波浪板用于阻挡中子散裂产生物质的反弹，减小散裂效应；桶体上部的波浪板则可以减少入射射线直接照射到目标表面的比例，从而减小辐射造成的影响。为避免因中子被波浪板散射出去而引起二次散裂，还需要在垃圾桶四周设置较厚的水层屏蔽。
2.屏蔽材料
在确定屏蔽结构后，还需要选择合适的屏蔽材料。一般来说，垃圾桶屏蔽材料需要满足以下条件：
1）中子反应截面小：尽量减少和中子产生反应，从而减小散裂效应。
2）质量密度大：实验场地往往有空间限制，因此需要在有限空间内完成最大限度的屏蔽。材料的密度越大，所需空间就越小。
3）成本低：根据实验需求选择经济实惠的材料。
在实践中，使用混合穿孔钢屏蔽方案，穿孔钢板厚度约为0.5-1cm。
3.辅助设计
在垃圾桶屏蔽设计之外，还可以通过以下辅助设计方式进一步实现对中子束流的有效控制：
1）离散低频脉冲器：通过在束流垃圾桶底端设置脉冲电阻和电容，并通过调整脉冲参数，在短时间内产生大量的低能中子以压制中子散裂效应。
2）垃圾桶水层：在垃圾桶底部设置适量的水层，可进一步减少中子散裂现象，提高粒子束实验的精度和稳定性。
四、结论
本文对散裂中子源束流垃圾桶屏蔽设计与分析进行了探讨，主要介绍了屏蔽结构、屏蔽材料的选择，以及辅助设计中的离散低频脉冲器和垃圾桶水层等方案。对于实验设计，选取合适的屏蔽方案和辅助方案非常重要，可有效地提高实验结果的准确性和稳定性，同时保证工作人员的安全。