SNS (нейтронный источник)

Поток нейтронов возникает в результате реакции скалывания[1][2] при сбросе пучка протонов высокой энергии на мишень из материала с тяжёлым ядром: протон выбивает из ядра отдельные нуклоны, оставляя ядро в нестабильном и возбуждённом состоянии. Ядро излучает протоны, нейтроны, альфа-частицы с характерными "ядерными энергиями" ~ 2 МэВ, за пределы мишени выходят лишь не имеющие электрического заряда нейтроны. Высокоэнергетичные нуклоны, выбитые первичным протоном, продолжают каскадную реакцию скалывания с пониженной энергией. Чтобы спасти установку от перегрева из-за большого тепловыделения, через нее с большой скоростью прогоняют ртуть. Каждую секунду через мишень проходит около трехсот килограммов металла, который затем охлаждается и возвращается в цикл. Эта же ртуть служит основным материалом мишени. Когда протон врезается в ядро ртути, оно разваливается и осколки испаряют нейтроны[3].

Схема ускорительного комплекса SNS

Вид с высоты на площадку SNS

Ускорительный комплекс состоит из инжектора, линейного ускорителя, накопительного кольца, и мишенного узла[4]. Пучок отрицательных ионов водорода H⁻ производится в объёмном плазменном ионном источнике, в виде цуга сгустков, которые ускоряются в линейном ускорителе RFQ до энергии 2.5 МэВ и направляются в основной сверхпроводящий линак с энергией на выходе 1 ГэВ.

Магнитные элементы кольца AR

Сборка мишенного узла

Далее пучок инжектируется в накопительное кольцо Accumulation Ring (AR), где происходит накопление интенсивного пучка протонов, благодаря перезарядной инжекции: с ионов обдираются электроны. При номинальном режиме работы с мощностью 2 МВт в пучке, в течение 1060 оборотов накапливается 2×10¹⁴ протонов в сгустке длительностью 0.7 мкс. Накопленный пучок сбрасывается на ртутную мишень для генерации нейтронов в большом экспериментальном зале. Весь комплекс работает с частотой повторения 60 Гц.

На комплексе работает 20 экспериментальных станций[5] для проведения экспериментов по материаловедению, биологии, фундаментальной физике.

Комплекс создавался силами шести национальных лабораторий США: Ок-Ридж, Аргонн, Брукхейвен, Беркли, Лос-Аламос, Джефферсон. Разработка комплекса была одобрена конгрессом США в 1995 году[6], сооружение ускорителей обошлось в $1.4 млрд и было завершено в 2006 году, на первых пользователей источник начал работать с 2007 года. За 2017 год более 1400 исследователей использовало установку для экспериментов.

• ESS — European Spallation Source
• CSNS — China Spallation Neutron Source
• ISIS (нейтронный источник)