CSNS反角白光中子實驗終端本底及中子準(zhǔn)直系統(tǒng)模擬計算

任 杰 阮錫超 唐洪慶 葛智剛 黃翰雄 敬罕濤 唐靖宇 黃蔚玲

1（中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點實驗室 北京 102413）

2（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

CSNS反角白光中子實驗終端本底及中子準(zhǔn)直系統(tǒng)模擬計算

任 杰1阮錫超1唐洪慶1葛智剛1黃翰雄1敬罕濤2唐靖宇2黃蔚玲2

1（中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點實驗室 北京 102413）

2（中國科學(xué)院高能物理研究所 北京 100049）

散裂中子源可產(chǎn)生白光中子，具有中子注量率高、熱功率小、可脈沖化等優(yōu)點，其應(yīng)用十分廣泛。其中一個重要的應(yīng)用是核數(shù)據(jù)測量。目前，中國缺少白光中子源，因此一直沒有開展基于白光中子源的核數(shù)據(jù)測量工作。目前在建的中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)的反角中子束線，在距散裂靶80 m處的中子強度約為9.25×106n.cm-2.s-1，時間分辨率為0.3%-0.9%，能夠較好地用于核數(shù)據(jù)測量工作。本文介紹了該白光中子束線及實驗終端的概況，并重點介紹該實驗終端本底計算結(jié)果、中子準(zhǔn)直系統(tǒng)和束斑參數(shù)。通過計算結(jié)果得出，CSNS反角白光中子源物理終端具有較低的實驗本底和較好的中子束斑，可以開展較高精度的核數(shù)據(jù)測量工作。

中國散裂中子源，白光中子，核數(shù)據(jù)測量，蒙特卡羅方法

核數(shù)據(jù)通?？煞譃閮煞N類型：一是描述入射粒子（中子、質(zhì)子、伽瑪?shù)龋┡c原子核相互作用的核反應(yīng)數(shù)據(jù)；二是描述單個核本身性質(zhì)的核結(jié)構(gòu)與放射性衰變數(shù)據(jù)。中子核數(shù)據(jù)是核數(shù)據(jù)的重要組成部分，其測量工作經(jīng)歷了單能點中子核數(shù)據(jù)測量、共振區(qū)連續(xù)譜中子核數(shù)據(jù)測量和快中子連續(xù)譜中子核數(shù)據(jù)測量幾個階段。相應(yīng)的中子源有高壓倍加器、串列加速器、電子回旋加速器、強流電子直線加速器以及強流質(zhì)子直線加速器等。20世紀(jì)80年代以后，基于強流質(zhì)子直線加速器的散裂中子源以其脈沖中子強度高、中子能譜范圍廣等顯著優(yōu)勢成為中子核數(shù)據(jù)測量的重要平臺。歐洲、美國、日本等都利用散裂中子源開展了大量重要的核數(shù)據(jù)測量工作[1-2]。中國由于缺少散裂中子源，在這方面的實驗工作還是空白。目前在建的中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)的反角白光中子實驗終端有望成為我國第一個用于核數(shù)據(jù)測量的白光中子源。本文使用蒙特卡羅程序MCNPX v2.50，根據(jù)B-VI.0數(shù)據(jù)庫，計算了CSNS反角白光中子源實驗終端的本底以及中子準(zhǔn)直器的材料和結(jié)構(gòu)，得到終端內(nèi)的束斑品質(zhì)和效應(yīng)本底比等參數(shù)，用于進(jìn)一步的物理設(shè)計工作。

1 CSNS反角白光中子源概況

CSNS是我國第一個散裂中子源，計劃建設(shè)成為國際前沿的高科技、多學(xué)科應(yīng)用的大型研究平臺。CSNS的設(shè)計束流功率為100 kW，脈沖重復(fù)頻率為25Hz，預(yù)計達(dá)到的最高中子通量為2.0×1016cm-2.s-1。CSNS包括一臺80 MeV的H-直線加速器、一臺1.6 GeV的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、兩條束流輸運線、3臺譜儀以及其他配套設(shè)施[3]。CSNS的主要目的是用于中子散射方面的研究。散裂反應(yīng)產(chǎn)生的白光中子經(jīng)過慢化和反射變成熱中子或冷中子，然后由束流管引出到實驗終端。但對于沿質(zhì)子束流反方向出射的中子，由于沒有經(jīng)過大量的慢化體，其能量仍然分布在eV到幾百MeV內(nèi)，并且中子注量率很高，經(jīng)計算距散裂靶80 m處的1eV-1 MeV中子強度約為5×106n.cm-2.s-1，時間分辨率為0.3%-0.9%，是一條較好的白光中子源[4]。中國科學(xué)院高能物理研究所和中國原子能科學(xué)研究院聯(lián)合設(shè)計建設(shè)基于這一中子源的中子輸運線和實驗物理終端，使其成為我國第一個用于核數(shù)據(jù)測量的白光中子源，且性能達(dá)到國際先進(jìn)水平。中子輸運線及實驗終端的布局如圖1所示，沿質(zhì)子束入射相反的方向引出反角中子束，并建設(shè)兩個實驗站(End-station 1和2)，專門用于核數(shù)據(jù)測量，兩個實驗站中心距散裂靶的距離分別約為55 m和80m。

圖1 CSNS反角白光中子源布局圖Fig.1 Layout of the CSNS back-streaming neutron source.

2 實驗終端的本底

實驗終端的本底包括中子本底和伽瑪本底，其來源主要有兩個方面：一是質(zhì)子束流會在其輸運過程中損失一定功率，這部分質(zhì)子會與束流管和周圍的屏蔽材料發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，部分中子會穿過混凝土和終端的屏蔽墻進(jìn)入實驗終端，中子的輸運過程伴隨著伽瑪產(chǎn)生和輸運；第二個本底來源是散裂靶，從中子源來的中子和伽瑪會穿過中子開關(guān)、準(zhǔn)直器和屏蔽墻，給終端造成一定的本底。本底大小直接影響實驗的精度。

2.1質(zhì)子輸運線中子引起的本底

從圖1可以看到，終端1(End-station 1)距離質(zhì)子輸運線(Ring to Target Beam Transport line, RTBT)和散裂靶都比較近，預(yù)計本底高于終端2。為了盡可能阻止質(zhì)子輸運線產(chǎn)生的中子進(jìn)入終端1內(nèi)，終端1靠近質(zhì)子輸運線的屏蔽墻內(nèi)添加了80 cm厚的鐵作為附加屏蔽。同時通過對束流的調(diào)節(jié)，使得質(zhì)子束在通過實驗終端的這一段上的束流損失在0.1W.m-1以內(nèi)。終端2與質(zhì)子輸運線之間有約7.5 m的混凝土，并且其中還有重混凝土墻墩，因此終端2的本底預(yù)計較低。

首先計算1.6 GeV的質(zhì)子與周圍介質(zhì)在不銹鋼管壁和周圍混凝土中發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子能譜。質(zhì)子在向前輸運的過程中發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子，因此產(chǎn)生的中子有較多的高能部分。質(zhì)子以較小的角度穿過輸運線的不銹鋼管壁，在其中經(jīng)過的路程要遠(yuǎn)大于管壁的厚度，估計路程約有10 cm。根據(jù)這一事實，考慮到質(zhì)子輸運線周圍介質(zhì)的分布和質(zhì)子射程，采用MCNPX v2.50程序，模擬1.6 GeV的質(zhì)子垂直入射10 cm不銹鋼加80 cm混凝土和50cm土壤后，在前角方向產(chǎn)生的中子能譜和通量，得到結(jié)果如圖2所示。將這一能譜作為MCNPX的輸入譜，根據(jù)實驗終端與質(zhì)子輸運線的幾何結(jié)構(gòu)建立幾何模型，計算實驗終端內(nèi)的中子和伽瑪本底。計算中將質(zhì)子輸運線產(chǎn)生的中子簡化為一條沿質(zhì)子輸運線分布的線源，線源長度為10.0 m。計算所用質(zhì)子束流強63 μA，功率為100 kW，束流損失0.1W.m-1。計算點分別在兩個終端的中心位置，計算結(jié)果見表1。由表1結(jié)果可知，質(zhì)子輸運線在終端1產(chǎn)生的本底基本可以滿足實驗需求，在終端2產(chǎn)生的本底很小，基本可以忽略。終端1內(nèi)的中子和伽瑪本底如圖3。

圖2 質(zhì)子輸運線產(chǎn)生的中子能譜Fig.2 Energy spectrum of the neutron induced by the proton beam.

表1 質(zhì)子輸運線在實驗終端引起的本底Table1 Background in the end-stations induced by the proton beam.

圖3 質(zhì)子輸運線在終端1中引起的本底 (a) 中子本底能譜，(b) 伽瑪本底能譜Fig.3 Background in the end-station 1 induced by the proton beam. (a) Neutron background spectrum, (b) Gamma background spectrum

2.2散裂靶源中子引起的本底

CSNS反角中子源能譜如圖4[4]。較高能量的中子有幾率穿過中子準(zhǔn)直器和屏蔽墻進(jìn)入實驗終端。這部分本底包括兩個方面：首先，中子束到達(dá)終端前的束斑一般大于準(zhǔn)直器孔徑，這些準(zhǔn)直孔外圍的中子可能穿過準(zhǔn)直器和屏蔽墻進(jìn)入實驗終端形成本底；其次，準(zhǔn)直孔內(nèi)的中子也有可能因為散射等原因達(dá)到預(yù)計束斑范圍外，同樣對探測器造成本底干擾。計算采用MCNPX程序，根據(jù)實際的中子輸運線幾何參數(shù)建立幾何模型。根據(jù)100 kW時的散裂中子源強，可以計算得到源中子在實驗終端中產(chǎn)生的本底，計算結(jié)果見表2。

可以看出，質(zhì)子輸運線和源中子在實驗終端中引起的本底都遠(yuǎn)小于實驗終端內(nèi)的中子束流強度，束流本底比在終端1約為106，在終端2可達(dá)到108，可以滿足多數(shù)核數(shù)據(jù)測量工作的要求。

圖4 CSNS反角白光中子源中子能譜Fig.4 Energy spectrum of the CSNS back-streaming neutron source.

表2 源中子在實驗終端引起的本底Table2 Background in the end-stations induced by the spallation neutron source.

3 實驗終端的中子束斑

可用于核數(shù)據(jù)測量的白光中子源，除了需要有較高的中子強度和較小的實驗本底外，還必須要有較好的束流品質(zhì)。一般情況下，測量反應(yīng)截面所用的樣品量較少，樣品面積較小。為準(zhǔn)確得到樣品處的中子注量率，要求中子束有較好的束斑形狀，束斑內(nèi)有較好的均勻性、束斑邊緣較陡峭等。目前較好的中子束斑主要依靠多級準(zhǔn)直器配合得到。從實驗終端的本底計算可以看出，終端2適合開展精度較高的核數(shù)據(jù)測量工作，因此優(yōu)先設(shè)計適合終端2的準(zhǔn)直器系統(tǒng)。根據(jù)實驗需求，終端2中心位置中子束斑有3種，分別是?30 mm和?60 mm的圓形束斑以及邊長90 mm的正方形束斑。CSNS反角白光中子束線的準(zhǔn)直器系統(tǒng)共有3個中子準(zhǔn)直裝置，分別是中子開關(guān)、準(zhǔn)直器1和準(zhǔn)直器2(圖1)。其中中子開關(guān)除具有不同尺寸的中子孔道外，還有一個盲板用于擋束。

反角白光中子的能量從eV到幾百MeV，因此需要較長的中子開關(guān)和準(zhǔn)直器阻擋中子孔道外圍的中子。銅、鐵和重混凝土都可用于準(zhǔn)直和屏蔽中子束，模擬計算發(fā)現(xiàn)在相同面密度下，銅和鐵的屏蔽效果好于重混凝土。但從圖5中單獨使用銅或鐵作中子開關(guān)時的中子透射譜可以看出，單一的材料都有各自的共振透射成分，無法滿足中子開關(guān)的要求，因此需要將兩種材料組合得到較好的屏蔽效果。經(jīng)過MCNPX模擬計算，中子開關(guān)的長度為1.5m，包括前端1.2 m的銅和后端0.3 m的鐵。兩個準(zhǔn)直器長度都是1 m，包括前端0.7 m的銅和后端0.3m的鐵。不同材料的準(zhǔn)直器對白光中子的屏蔽作用如圖5所示。從圖5中可以看出，以上組合下的透射中子最少，屏蔽效果最好。

圖5 不同中子開關(guān)時的中子透射能譜Fig.5 Neutron transmission spectra with different shutters.

通過調(diào)整準(zhǔn)直系統(tǒng)中各個中子通道的孔徑，可以在終端2中得到滿足實驗需求的中子束斑，此時終端1的束斑大小同樣可以滿足一些對中子本底要求不高或較低精度實驗的要求。表3 顯示了計算得到的準(zhǔn)直系統(tǒng)的孔徑和實驗終端的束斑尺寸。CSNS的散裂靶的靶面為長12 cm、寬4 cm的矩形，因此很難在較遠(yuǎn)距離得到非常均勻的圓形或正方形束斑，且束斑尺寸越大，束斑內(nèi)均勻性越差。通過調(diào)節(jié)準(zhǔn)直系統(tǒng)的孔徑和屏蔽墻內(nèi)中子管道的大小，可以優(yōu)化中子束斑內(nèi)的均勻性，以及降低束斑外的本底。圖6顯示了終端2在不同束斑尺寸時不同位置的中子注量的分布情況。

表3 準(zhǔn)直器孔徑及束斑尺寸Table3 Collimator aperture and beam spot size.

圖6 模擬得到終端2的中子束剖面圖 (a) ?30 mm束斑，(b) ?60 mm束斑，(c) 90 mm×90 mm束斑Fig.6 Neutron beam profile of the end-station 2 obtained by the simulation. (a) ?30 mm beam spot, (b) ?60 mm beam spot, (c) 90 mm×90 mm beam spot

4 結(jié)語

CSNS反角白光中子實驗終端是以測量核數(shù)據(jù)為主要目的的實驗平臺，通過蒙特卡羅程序MCNPX模擬計算可以得出，經(jīng)過現(xiàn)有屏蔽的實驗終端內(nèi)的中子和伽瑪本底較低，特別是終端2，束流內(nèi)外中子通量相差108左右，從理論上證明可以在該實驗終端進(jìn)行(n,γ)截面測量等精度較高的實驗。同時使用MCNPX程序設(shè)計優(yōu)化了中子束線的準(zhǔn)直系統(tǒng)，能夠在實驗終端內(nèi)得到幾何形狀及均勻性都較好的中子束斑，滿足核數(shù)據(jù)測量的需求。進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計還在進(jìn)行中。

1 Lisowski P W, Schoenberg K F. The Los Alamos neutron science center[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2006, 562: 910-914

2 Chiaveri E, Dario M, Andriamonje S, et al. CERN n_TOF facility performance report[R]. Geneva: European Organization for Nuclear Research, 2003

3 韋杰. 中國散裂中子源簡介[J]. 現(xiàn)代物理知識, 2008, 19(6): 22-29 WEI Jie. Summary of the China spallation neutron source[J]. Modern Physics, 2008, 19(6): 22-29

4 Jing H T, Tang J Y, Tang H Q, et al. Studies of back-streaming white neutrons at CSNS[J]. Nuclear Instruments and Methods in Physics Research A, 2010, 621: 91-96

CLCTL501

Simulation of the background of experimental end-stations and the collimator system of the CSNS back-streaming white neutron source

REN Jie1RUAN Xichao1TANG Hongqing1GE Zhigang1HUANG Hanxiong1JING Hantao2TANG Jingyu2HUANG Weiling2

1(Science and Technology on Nuclear Data Laboratory, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China)
2(Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China)

Background: The spallation neutron source can generate pulsed white neutron beam and has the advantages such as very high neutron flux and low thermal power, which is used widely in many fields. One of its applications is for nuclear data measurement. However, up to now, no nuclear data measurement based on the white neutron has been carried out in China due to the lack of the white neutron source. Purpose: The China Spallation Neutron Source (CSNS), which is now under construction, will provide us a good opportunity to do nuclear data measurement with its back-streaming neutron beamline. This beamline can provide very intensive neutron flux and reasonable time resolution of white neutrons which are very suitable for nuclear data measurement. Methods: This paper introduces part of the physical design of the back-streaming neutron beamline, especially the Monte Carlo simulation of the two end-stations’ background and the collimator system. Results and Conclusion: According to the simulation results, the neutron and gamma background in the end-stations are very low. And the beam profile of the CSNS back-streaming white neutron source can be well controlled. With the low intensity of background and well designed beam profile, we can develop very high precision nuclear data measurement with the CSNS back-streaming white neutron source.

China Spallation Neutron Source (CSNS), White neutron source, Nuclear data measurement, Monte Carlo simulation

TL501

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.100521

中國核工業(yè)集團公司核數(shù)據(jù)專項基金(No.4160303)資助

任杰，男，1987年出生，2012年于中國原子能科學(xué)研究院獲碩士學(xué)位

2014-04-28，

2014-06-30