中國散裂中子源反角白光中子束流參數(shù)的初步測量*

鮑杰 陳永浩 張顯鵬 欒廣源 任杰 王琦 阮錫超 張凱 安琪 白懷勇 曹平 陳琪萍 程品晶 崔增琪 樊瑞睿 封常青 顧旻皓 郭鳳琴 韓長材 韓子杰 賀國珠 何泳成 何越峰 黃翰雄 黃蔚玲 黃錫汝 季筱路 吉旭陽 江浩雨 蔣偉 敬罕濤 康玲 康明濤 蘭長林 李波 李論 李強 李曉 李陽 李樣 劉榮 劉樹彬 劉星言 馬應林 寧常軍 聶陽波 齊斌斌 宋朝暉 孫虹 孫曉陽 孫志嘉 譚志新 唐洪慶 唐靖宇 王鵬程 王濤峰 王艷鳳 王朝輝 王征 文杰 溫中偉 吳青彪 吳曉光 吳煊 解立坤 羊奕偉 楊毅 易晗 于莉 余滔 于永積 張國輝 張旌 張林浩 張利英 張清民1 張奇?zhèn)?張玉亮 張志永 趙映潭1 周良 周祖英 朱丹陽朱科軍 朱鵬

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

2) (中國科學院高能物理研究所,北京 100049)

3) (東莞中子科學中心,東莞 523803)

4) (西北核技術研究所,西安 710024)

5) (核探測與核電子學國家重點實驗室,北京100049,合肥 230026)

6) (中國科學技術大學近代物理系,合肥 230026)

7) (核物理與核技術國家重點實驗室,北京大學物理學院,北京 100871)

8) (中國工程物理研究院核物理與化學研究所,綿陽 621900)

9) (南華大學,衡陽 421001)

10) (中國科學技術大學工程與應用物理系,合肥 230026)

11) (西安交通大學,西安 710049)

12) (北京航空航天大學,北京 100083)

13) (蘭州大學核科學與技術學院,蘭州 730000)

中國散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建設完工,隨后進行了試運行.其中的反角白光中子束線(Back-n)可用于中子核數(shù)據(jù)測量、中子物理研究和核技術應用等多方面的實驗.本文報道對該中子束的品質(zhì)參數(shù)測量實驗過程以及最終實驗結果.實驗主要采用中子飛行時間法,利用235U,238U裂變室和6Li-Si探測器測量了中子能譜和中子注量率,又利用閃爍體-互補金屬氧化物半導體探測系統(tǒng)測量了中子束斑的剖面,得到了該束線的初步實驗測量結果.其中白光中子的全能譜測量范圍eV—100 MeV,給出了不確定度分析; 給出了中子注量率兩個實驗廳位置的滿功率值; 給出了白光中子在直徑60 mm情況下的全能區(qū)束斑.通過與模擬結果的比較探討了以上結果的合理性,并提出了改進計劃.這些實驗結果為以后該束線的核數(shù)據(jù)測量和探測器標定實驗奠定了基礎.

1 引言

中國散裂中子源(China spallation neutron source,CSNS)是我國一個大型中子科學實驗平臺,于2018年5月建設完工和達到預定束流功率,并于2018年8月正式通過國家驗收交付使用.CSNS主要技術指標為： 滿功率為100 kW,重復頻率為25 Hz,質(zhì)子束流能量為1.6 GeV,中子產(chǎn)額約2 × 1016/s,驗收指標為10 kW.為了充分發(fā)揮CSNS的作用,建設了一條專用的中子束線[1-5].從反角引出的中子是直接從散裂靶出來的連續(xù)能量中子,即白光中子.其能區(qū)涵蓋熱能到幾百MeV的范圍,且強度較大,可用于中子核數(shù)據(jù)測量、中子物理實驗研究和核技術應用.本文主要針對反角白光中子束的參數(shù)及其相關性能進行測量研究.

圖1 CSNS裝置布局及其反角白光中子源Fig.1.Arrangement of back-streaming neutron beam at CSNS.

反角白光中子束線及其實驗廳如圖1所示.從散裂反應反角出射的中子,經(jīng)偏轉(zhuǎn)磁鐵后去掉了中子束中的帶電粒子.再經(jīng)過中子束開關和一級準直器準直后進入實驗廳-1、經(jīng)過二級準直器進入實驗廳-2.實驗廳-1和實驗廳-2中心距離中子靶站幾何長度分別約為55 m和75.8 m.通過準直器后的中子束斑有3種尺寸,分別是直徑為30 mm和60 mm的圓形束斑以及90 mm的正方形束斑,可供不同實驗選用.本文主要針對用于未來核數(shù)據(jù)測量及中子物理實驗的60 mm直徑中子束斑進行測量.

2 反角白光中子束的特點

1)由加速器的設計可知[6-8],在正常運行的情況下,其質(zhì)子脈沖束頻率為25 Hz,每個束脈沖又具有雙束團結構,還可以運行在單束團工作狀態(tài)下,如圖2所示.

對于雙束團模式,單個束團的半高寬約50 ns,兩束團之間的距離約410 ns.在要求高時間(即能量)分辨的物理實驗中,最好采用單束團進行實驗,如果采用雙束團進行實驗,則需要對測量結果進行解譜分析.

圖2 一個脈沖內(nèi)的兩種供束模式Fig.2.Two kinds of operation modes.

2)中子能量區(qū)間寬.入射能量為1.6 GeV的質(zhì)子束打在鎢靶上產(chǎn)生的散裂中子能譜可通過蒙特卡羅模擬計算得到.圖3給出了束流功率為100 kW時,反角方向75.8 m遠處的能譜.可以看出,中子的能量區(qū)間很寬,低至熱能,高至幾百MeV; 而且高能中子成分還相當豐富.考慮到在物理實驗中需采用飛行時間法(TOF),而脈沖束周期只有40 ms(對應于脈沖束頻率25 Hz)的實際情況,在測量中必須將熱中子以及更低能量的中子去掉(其飛行75.8 m所需的時間已接近或超過40 ms).由于鎘(Cd)對熱中子有很高的截面,形成切割效應,這里是采用在中子束線上游前端放置鎘片的方法實現(xiàn)的.

圖3 蒙特卡羅模擬得到的反角出射的散裂中子能譜Fig.3.Stimulated neutron energy spectrum of back-streaming beam.

3)每個質(zhì)子脈沖產(chǎn)生的γ射線強度高時間短.模擬計算表明每個脈沖內(nèi)伴隨散裂反應產(chǎn)生的γ射線與散裂中子產(chǎn)額比約1∶2.3.由于產(chǎn)生的中子能量分布很寬,因而飛行一段距離后分布在很寬的時間段內(nèi),對探測器來講有足夠的響應時間利于測量; 而對伴生的瞬發(fā)γ射線,無論其能量高低都以光速行進,因此集中在與質(zhì)子束團相當?shù)臅r間范圍內(nèi)(每個約50 ns).若用探測器在實驗廳進行測量,則在約50 ns的時間間隔內(nèi)就有大于106的γ射線入射到探測器上,稱之為“γ閃光”(γ-flash),它使探測器飽和甚至阻塞,影響后續(xù)事件的記錄,在測量中必須想法消除“γ閃光”造成的影響.上述束流特點有別于以往經(jīng)驗,對實驗測量提出新要求,下文具體實驗描述中都會有體現(xiàn).

圖4 多層快裂變室Fig.4.The multi layer fission chamber.

3 反角白光中子束流參數(shù)測量

中子源的特性主要包括三點： 中子能譜、中子強度和角分布,具體針對反角白光中子束線就是中子能譜、實驗位置的中子注量率和準直約束下的中子束斑.對于中子能譜和注量率的測量,參考了已有寬能區(qū)脈沖白光中子源的測量技術[9-16],并考慮到CSNS反角白光中子束能量范圍寬的特點,采用飛行時間法實現(xiàn)的,利用235U裂變室(0.15 MeV以上能區(qū)中子能譜和注量率測量)、238U裂變室(1 MeV以上中子能譜和注量率測量)、6Li-Si探測器系統(tǒng)(0.2 MeV以下中子能譜和注量率測量)作為主探測器,在低能和高能中子區(qū)間互相校驗結果,保證實驗測量的準確性.中子束斑測量則是采用基于ZnS(Ag)/6Li轉(zhuǎn)換屏和EJ230塑閃屏的互補金屬氧化物半導體(CMOS)照相系統(tǒng)進行的,其中ZnS(Ag)/6Li轉(zhuǎn)換屏作為低能區(qū)探測器,EJ230塑閃屏作為高能區(qū)探測器,同樣利用飛行時間法測量不同能段.

3.1 中子能譜和注量率測量

3.1.1 高能能區(qū)的中子能譜和注量率測量

1)實驗裝置

中子能譜和注量率測量系統(tǒng)的探測器為多層(5層)快裂變室[17-20],如圖4所示.多層快裂變室內(nèi)部是高純度的235U和238U靶片,鍍層平均厚度約 2 80 μg/cm2,鍍層活性區(qū)直徑40 mm,極板間距10 mm.裂變室主要由靶片、收集極、外殼、絕緣部件、導線、進氣孔和出氣孔等部分組成.裂變室模型采用銅質(zhì)的外殼和收集極.收集極與靶片基板間、靶片基板與外殼間均用絕緣材料隔開,通過改變絕緣墊片的厚度來控制靶片與收集極之間的距離,即極板間距.靶片接地,收集極與MESYTECMSI-8前置放大器相連,輸出時間信號接300 V正高壓.裂變室工作氣體為氬甲烷P10 (甲烷10%,氬氣90%),1個標準大氣壓.

探測器時間分辨和粒子分辨是對重要并需要兼容的指標,初步選定極間距10 mm,實驗上可以有效分辨α粒子和裂變信號,系統(tǒng)時間分辨好于35 ns.

探測器信號通過同軸電纜接入前置放大器和成形放大器,然后進入讀出電子學系統(tǒng).前置放大器使用Mesytec公司的MSI-8集成放大器,它是一款緊湊型8通道成形放大器,且具有集成的定時濾波放大功能.由于模塊化的設置,每個通道可以單獨選擇前置放大和成形模塊的類型,MSI-8可同時輸入8路信號,每路輸入信號對應T(時間)和E(能量)兩個輸出信號,如圖5所示,其中負信號為T信號,正信號為E信號.T信號的上升時間約70 ns,通過恒比定時可以得到好于20 ns的定時精度,滿足測量反角白光中子源的10 MeV以下中子的飛行時間的需求.

Q熊老師您好! 根據(jù)您之前的答復，我對數(shù)據(jù)流中長期燃油修正(LTFT)和短期燃油修正(STFT)有了全新的認識，只是您說如果系統(tǒng)中所有部分工作都正常，長期燃油修正值和短期燃油修正值都接近于0。但是，我在實際檢測中，發(fā)現(xiàn)有的大眾車長期燃油修正值或者短期燃油修正值超出了6%或者7%，車輛卻并沒有任何故障，系統(tǒng)都很正常，請問這是什么原因？

圖6是多層快裂變室的實驗測量時間信號,左側兩個相隔較近的小信號就是兩個束團的γ-flash,右側較大的信號是裂變碎片的信號.通過分析不同的信號發(fā)現(xiàn),裂變碎片的能量信號和時間信號幅度都很大,α粒子的能量信號和時間信號幅度都較小,而γ-flash的能量信號很大,時間信號遠小于裂變信號.根據(jù)這一特征,可以比較容易區(qū)分信號的類型.

2)實驗測量

能譜測量主要在實驗廳-2進行,采用單束團模式,束流功率15 kW左右.中子注量率測量采用相同的裂變電離室,只是將其中的靶片換成了精確定量的兩片235U和兩片238U,其定量精度為1.5%,注量率測量實驗時的加速器運行參數(shù)與能譜測量基本相同.

裂變室的五個靶片對應五路輸出信號,這五路信號進入成形放大器MSI-8,MSI-8分別處理每一路信號,并輸出能量信號E和時間信號T.通過調(diào)節(jié)MSI-8的增益,可使E信號幅度為0—400 mV,而T信號的信號幅度在—1500—0 mV之間.把E信號和T信號通過數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)的調(diào)理電路板(SCM板)后再接入波形數(shù)字化采集卡(FDM板),通過DAQ軟件就可以獲取波形數(shù)據(jù).整個數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)采用外部觸發(fā)方式,觸發(fā)源是質(zhì)子束流的脈沖拾取信號,這樣探測器測得的信號就和質(zhì)子打靶有了嚴格的一一對應關系,保證了中子飛行時間的精度.

3)數(shù)據(jù)處理和實驗結果

數(shù)據(jù)處理的思路是： 根據(jù)所獲取的裂變碎片的波形數(shù)據(jù),確定有效信號及其過零時刻; 確定該有效信號的中子飛行距離和飛行時間; 得到中子飛行時間譜(即裂變率譜); 進行探測效率修正得到中子能譜等四個步驟.

圖5 MSI-8的輸出信號Fig.5.The output signal of MSI-8 module.

圖6 裂變室的時間信號Fig.6.The time signal of the fission chamber.

圖7 過零定時效果示意Fig.7.Zero-crossing time determination of signal.

b)中子的飛行距離和飛行時間的確定.根據(jù)實驗測量到的探測器介質(zhì)的特征共振峰位及其與標準截面庫給出的該特征共振峰位的比較,確定中子飛行距離.再通過散裂反應γ脈沖和裂變碎片脈沖(即中子到達時刻)的相對位置確定中子的飛行時間(圖8).中子飛行時間等于γ脈沖和中子到達時刻之間的時間差與L/c之和(其中c是光速,L是探測器到散裂靶的距離).

圖8 有效裂變信號的飛行時間確定示意圖Fig.8.Time determination from fission signal.

c)中子飛行時間譜(即裂變率譜)的獲得.每一個周期內(nèi)的有效信號(即裂變碎片信號)與中子起飛時刻之差即為中子的飛行時間.記錄中子數(shù)目隨中子飛行時間的變化即得到中子飛行時間譜,即裂變事件率的時間譜,如圖9所示.

d)中子能譜和注量的數(shù)據(jù)處理過程.中子能譜根據(jù)下面公式得到：

圖9 中子飛行時間譜Fig.9.Neutron time-of-flight spectrum.

式中En是入射中子的能量,由中子的飛行時間和距離確定; N(En)是能量為En的中子與裂變室靶片作用產(chǎn)生的裂變事件,由實驗測量得到; σ(En)是能量為En的中子與裂變室靶片作用的裂變截面,可由評價數(shù)據(jù)庫得到; NV是裂變室靶片中所含裂變物質(zhì)的原子數(shù),制靶期間由靶片重量算得可控制到1.5%以內(nèi); ε是裂變碎片的探測效率,根據(jù)模擬計算和預備實驗得到; Np是實驗測量的、引起散裂中子反應的總質(zhì)子數(shù); K是束流功率100 kW時對應的單位時間的質(zhì)子數(shù),其值為3.9×1014/s.對各能量區(qū)間的中子完成計算后,就可以得到中子能譜和各能量間隔內(nèi)的中子注量率.

3.1.2 低能區(qū)間的中子能譜和注量率測量

低能能區(qū)的中子能譜和注量率是用6LiF探測器和235U裂變室測量的.由于在低能區(qū)間235U的裂變截面存在共振,按照國際原子能機構(IAEA)推薦的標準截面數(shù)據(jù)在低能量區(qū)間,6Li (n,ɑ)T反應產(chǎn)生的兩個帶電粒子的能量較大(4.8 MeV),很容易測量,截面值平滑,在低能區(qū)間將以含6Li探測器的測量為主.6LiF探測器的結構如圖10所示,將6LiF電鍍到鋁膜上制成轉(zhuǎn)換靶,6LiF厚度約200 μg/cm2,電鍍區(qū)直徑60 mm,底襯鋁膜厚約10μm(模擬表明對全能區(qū)中子注量率的影響不到萬分之一).離6LiF鍍層軸心線上外部約30 mm處平面上,對稱放置8個金硅面壘型探測器,用于測量反應帶電粒子,同時保證探測器不在中子束線內(nèi).每個探測器靈敏面積20 mm × 20 mm,每個探測器的過中心法線通過6LiF靶的中心.中子同6Li反應產(chǎn)生的帶電粒子將被探測器記錄,由此得到低能區(qū)中子的能譜和注量率.

圖10 6Li-Si 探測器結構Fig.10.6Li-Si Detector structure.

6Li-Si探測器測量中子能譜和注量率的過程與上節(jié)裂變室的測量類似,這里不再贅述.

用6Li-Si探測器測量中子能譜和注量率如圖11中的黑方塊所示,其能區(qū)覆蓋范圍從eV至200 keV.圓圈代表用235U裂變室測得的結果,覆蓋0.15 MeV以上能區(qū),但在低能區(qū),特別是2 keV以下,存在共振.黑圓點代表用238U裂變室測得的結果,覆蓋1.1 MeV以上能區(qū).整個中子能譜與實驗前的模擬計算結果基本一致.

圖11 實驗測得的CSNS 反角白光中子能譜Fig.11.Experimental result of back-streaming white neutron energy spectrum.

根據(jù)中子能譜,結合質(zhì)子束流值和功率,得到實驗廳-1 (距離散裂中子靶站55 m) 在100 kW滿功率運行時的中子注量率為 1.75×107s—1·cm—2,實驗廳-2 (距離散裂中子靶站75.8 m)在100 kW滿功率運行時的中子注量率為 7.03 × 106s—1·cm—2,不確定度約為3%,兩個測量廳的不確定度會有少許變化,主要因為中子束斑和能譜上的微小變化.

3.2 束流剖面測量

3.2.1 中子束流剖面測量裝置及工作原理

束流剖面測量采用閃爍體+反射鏡+相機的方式,測量裝置示意圖如圖12所示.

圖12 中子束剖面測量裝置Fig.12.Neutron profile measurement equipment.

輻射圖像轉(zhuǎn)換屏采用了兩種類型的閃爍體： 一種是φ150 mm × 10 mm的EJ-230塑料閃爍體,主要對快中子響應; 另一種為6LiF/ZnS的閃爍屏(EJ-426HD2,6LiF∶ZnS 為 1∶2,厚度為 0.32 mm),主要對低能中子響應.

探測器的光電轉(zhuǎn)換器件和數(shù)據(jù)采集部分采用的是ANDOR-ISTAR-sCMOS相機,其基本參數(shù)為： 像素陣列 2560 × 2160,像素大小 6.5 μm,全幅最大幀頻率50,門控時間 ＜ 5 ns,制冷溫度0 ℃.鏡頭為Nikon 50 mm 1/1.8.反射鏡厚度2 mm.測量中,采用Integrate On Chip模式,經(jīng)多個脈沖采集后在芯片上累加一次讀出,可大大降低讀出噪聲.

實驗時需如圖13所示.觸發(fā)信號由每個周期的觸發(fā)信號提供,相機延遲采用內(nèi)部延遲,結合相機的延遲時間以及門寬來進行中子飛行時間的選通,從而選擇不同的中子能量段作剖面測量.

圖13 探測器觸發(fā)時間關系Fig.13.Timing-serial of neutron profile detection.

3.2.2 中子束流剖面測量的數(shù)據(jù)處理和結果

圖像處理內(nèi)容包括圖像預處理、系統(tǒng)性能標定和束流剖面判定尺寸判讀等環(huán)節(jié).圖像預處理包括： 尺寸標定、γ斑點(亮白點)去除和本底扣減等內(nèi)容.在此基礎上分別完成了中子束剖面輪廓判定及尺寸判讀、系統(tǒng)調(diào)制傳遞函數(shù)測量和中子能譜測量的初步分析.系統(tǒng)性能標定主要指系統(tǒng)的空間分辨能力,本實驗中通過厚刀口法測量得到探測系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù),從而得到系統(tǒng)空間分辨能力,并利用狹縫法驗證.束流剖面判定尺寸判讀基于Hough變換的圓檢測算法,得到不同能量對束流輪廓、尺寸的影響,不同能量不同計數(shù)圈內(nèi)非均勻性變化規(guī)律,束剖面輪廓中心與“重心”偏差分析等結果.

圖14 中子束斑剖面分布及其在x軸和y軸上的灰度值分布Fig.14.Neutron profile distribution and grey scale information on x and y axis.

對中子束輪廓判斷、尺寸大小和均勻性進行了評估和定量分析,并對中子重點能區(qū)的能譜(0.1—20.0 MeV)進行了初步實驗研究.在束斑直徑理論值為Φ50 mm的實驗廳-1 (距中子靶55 m),實驗測得的半高值(FWHM)對應的中子束斑值為Φ55 mm,峰值強度約75%時對應的束斑直徑為Φ50 mm,與理論值一致.在束斑直徑理論值為Φ60 mm的實驗廳-2 (距中子靶75.8 m),實驗測得的半高值(FWHM)對應的中子束斑值為Φ63 mm,峰值強度75%時對應的束斑直徑為Φ60 mm,也與理論值一致.進一步分析表明,束斑的輪廓尺寸與中子能量無關,這說明各種能量的中子在束斑內(nèi)是均勻分布的,中子束強度在已判定輪廓的80%范圍內(nèi)不均勻性小于10%,且束剖面不均勻性與能量無關.剖面上的全能區(qū)中子束強度分布圖及其在x軸方向和y方向的投影如圖14所示.

4 實驗結果討論

CSNS反角白光中子平臺的建設完成,對未來國內(nèi)的中子核數(shù)據(jù)工作非常有利,而該中子束線特征參數(shù)測量對加速器及束線前期設計起著檢驗作用,為未來的核數(shù)據(jù)測量及核物理實驗提供基礎的參數(shù),對實驗的設計以及數(shù)據(jù)處理意義重大,必須得到準確測量結果.目前通過測量給出了初步實驗結果,分別給出了中子能譜、中子注量和中子束流剖面等結果.由圖11的反角白光中子能譜可以看到,目前按照IAEA推薦的3個核素探測介質(zhì)得到的結果互相符合得很好,而3個核素的截面不確定度很好,說明測量結果是可信的.實驗結果有4項修正量,分別是裂變產(chǎn)物碎片自吸收系數(shù)修正2.5%,低能區(qū)碎片修正1%,高能區(qū)中子修正1%,同位素修正8.5%.不確定度分析包含統(tǒng)計不確定度2%,標準靶定量不確定度1.5%,推薦截面不確定度(20 MeV以下小于1%,以上小于5%),合成不確定度2.7%—5.6%.

束斑剖面的測量結果符合事先模擬計算[7]的結果(圖15),在束暈直徑和灰度值分布上模擬和實驗一致.

圖15 60 mm直徑束斑模擬Fig.15.Simulation of neutron profile in 60 mm diameter.

5 結 論

目前得到的CSNS反角白光中子束流特征實驗結果是初步的.對于中子能譜和注量率的測量尚存在兩個問題： 低能區(qū)中子能譜是重點關注對象,特別是對其可能存在的固有的結構需要精確掌握,用6Li-Si探測器是合適的,但是其設計存在缺陷,后面測量改進的方法是盡量減少束斑內(nèi)物質(zhì)的厚度包括閃爍體合結構材料,同時使光電倍增管偏出束線,利用光的全反射收集,減少探測器的死時間;利用235U裂變室測量中子能譜和注量率是可以的,但在低能區(qū)存在密密麻麻的共振峰,后面還要用其他實驗結果來驗證,但是用來做中子注量監(jiān)測是合適的.此外在低能區(qū)還需要用含3He,6Li或10B等標準截面的探測介質(zhì)來進行進一步的實驗驗證.對于中子束流剖面測量,需要做出各能量區(qū)間標定后的剖面分布,而不僅是轉(zhuǎn)化為可見光后的近似剖面結果.

實驗準備和測量過程中,感謝中國原子能科學研究院的唐洪慶和周祖英兩位老師的悉心指導,感謝探測器標定過程中加速器組提供的優(yōu)質(zhì)束流,感謝散裂中子源值班人員放棄春節(jié)假期堅守崗位.