在CSNS靶前RTBT质子输运线的24m隧道内,前20m是质子束和中子束的共用管道,中子束管道在偏转磁铁处与质子束管道分离后仍共享支架机构。在位于距靶24m的隔墙外中子束线与质子束线完全分离。中子束线包含真空、束流控制、防护、束流准直、废束收集等相关设备,具体有以下设备:
1) 中子真空飞行管道:为中子束传输提供真空环境。专用的白光中子管道包括由大孔径铝合金制成的束流管道,以及由真空泵、阀门和真空测量规等组成的真空系统,保证束线真空度好于10-3 Pa。
2)实验厅屏蔽和本底控制:一方面为了降低实验厅中的辐射剂量水平,另一方面,更重要的是把实验厅中的中子和伽马本底降低到足够低,以达到实验所需要的效应/本底比,获得理想的实验结果。采取的措施包括:对1#实验厅与相邻的RTBT隧道的隔墙进行加强屏蔽,并在厅内侧的墙上铺设一层含硼聚乙烯材料以吸收热中子;沿中子束线采取多道屏蔽墙,以减小从靶方向来的散射中子和。同时两个实验厅内各布置一套中子和g剂量监测仪。
3)中子束窗:中子束窗位于RTBT靶前隧道的隔墙后0.6 m处,其基本作用是隔离RTBT束流管道和白光中子管道的气氛。正常运行时,RTBT真空管内的真空度约为10-6 Pa,而反角白光中子束线真空管内真空度约为10-3 Pa。同时,Back-n实验终端需要经常进行更换样品、更换探测器等破坏真空的操作,此时中子束窗也可以起到保护RTBT真空的作用。中子束窗采用与质子束窗相同材料的铝合金制成,厚度为1mm。同时,束窗真空盒内还配备了可远程控制的中子吸收片,以吸收能量低于0.5eV的热中子,或者满足束内本底测量的吸收片。
4)中子束开关:中子束开关位于RTBT隧道内、Back-n隧道隔墙之前,其主要作用是控制中子束流进入Back-n专用隧道,也可以控制中子束流的流强和束斑。在加速器及靶站正常运行时,可以阻止中子束流进入Back-n隧道,以此保障实验操作人员进入实验厅内进行实验样品更换、探测器调试等操作。同时,它也可以起到初级准直器的作用,以达到对终端内中子束流的强度、束斑尺寸和形状调节的目的。为此,设置了盲孔、不同孔径和不同孔形的束孔,共5个档位,根据需要采用电机驱动切换档位。中子束开关主要部件为挡束板、真空盒和驱动电机及控制等部分组成。挡束板尺寸为1500 mm(长)×150 mm(高)×550 mm(宽),挡束板由长1.2 m的铜与0.3 m的铁组成,采用不同材料是为了避免同一种材料不能完全吸收宽谱中子。
表:不同准直孔径下的白光中子束指标(100kW)
Shutter (mm)
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Coll#1 (mm)
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Coll#2 (mm)
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ES#1 spot (mm)
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ES#1 flux (/cm2/s)
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ES#2 spot (mm)
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ES#2 flux (/cm2/s)
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Φ3
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Φ15
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Φ40
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Φ15
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1.27E5
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Φ20
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4.58E4
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Φ12
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Φ15
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Φ40
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Φ20
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2.20E6
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Φ30
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7.81E5
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Φ50
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Φ50
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Φ58
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Φ50
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4.33E7
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Φ60
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1.36E7
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78×62
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76×76
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90×90
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75×50
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5.98E7
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90×90
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2.18E7
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5)中子束准直器:其作用是同中子束开头关一起对中子束的束斑尺寸和形状进行控制,以满足实验要求,同时也阻止上游散射的中子。Back-n配备两个主准直器,它们分别位于终端1和终端2之前,分别用于控制两个实验厅内束斑参数和本底。两个准直器长度都为1 m,长度方向上采用0.7 m铜加上0.3 m的铁。Back-n提供经过多级准直的多种束斑尺寸,同时开关上的一个3mm的小孔,可以降低中子流强约一个量级。具体参数见下表。
6)中子捕集器:穿过实验样品后的中子束流是无用的废束,中子捕集器要尽可能吸收掉该废中子束,避免产生大量的反射中子和g,也保证邻近楼梯间的辐射剂量水平。受空间限制,位于终端2的末端的中子捕集器采用复杂的多层设计,从内到外分别是铁,含硼聚乙烯和铅屏蔽层。