CSNS帶寬限制中子斬波器系統(tǒng)性能研究

王閃閃 蔡偉亮 王 平 張 鴻 左太森 王松林

1（深圳大學(xué) 物理與光電工程學(xué)院深圳518060）

2（中國科學(xué)院高能物理研究所北京100049）

3（散裂中子源科學(xué)中心東莞523803）

中國散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是世界上第一個(gè)由發(fā)展中國家研制的散裂中子源，也是我國“十二五”期間重點(diǎn)建設(shè)的大科學(xué)裝置。CSNS一期工程規(guī)劃建設(shè)20臺(tái)中子散射譜儀，其中通用粉末衍射儀（General Purpose Powder Diffractometer，GPPD）、多 功 能 反 射 儀（Multifunctional Reflectometer，MR）和小角散射儀（Small Angle Scatterometer，SANS）已完成國家驗(yàn)收并投入使用［1-2］，且質(zhì)子束功率也于2020年2月份成功達(dá)到100 kW[3]。帶寬限制中子斬波器（簡(jiǎn)稱帶寬斬波器）則是中子散射譜儀上必不可少的中子光學(xué)器件。一臺(tái)譜儀上可安裝多臺(tái)帶寬斬波器，組成帶寬斬波器系統(tǒng)，這三臺(tái)譜儀上則分別安裝了三、三和兩臺(tái)帶寬斬波器。通過對(duì)帶寬斬波器系統(tǒng)進(jìn)行合理的設(shè)計(jì)與參數(shù)配置即可滿足譜儀實(shí)驗(yàn)需求［4］。

帶寬斬波器主要用來選擇譜儀需求的中子波長(zhǎng)范圍和濾除長(zhǎng)波重疊背底。每臺(tái)帶寬斬波器都包括底座、主軸、轉(zhuǎn)盤、伺服電機(jī)、密封殼等部件，其核心部件是轉(zhuǎn)盤。轉(zhuǎn)盤上有扇形開口，靠近轉(zhuǎn)盤邊緣略大于束流截面的圓環(huán)上涂有中子吸收材料，通過轉(zhuǎn)盤對(duì)中子束流的機(jī)械式阻擋可實(shí)現(xiàn)帶寬斬波器的主要性能［5］。本文則以中國散裂中子源通用粉末衍射儀中的帶寬斬波器系統(tǒng)為研究對(duì)象，采用理論計(jì)算、中子束流實(shí)驗(yàn)和蒙特卡羅模擬的方法對(duì)帶寬斬波器截取中子波長(zhǎng)范圍的準(zhǔn)確性及長(zhǎng)波背底的濾除能力兩個(gè)問題進(jìn)行了具體分析。

1 GPPD上的中子斬波器系統(tǒng)

GPPD位于CSNS靶站大廳退耦合窄化氫慢化器（Decoupled Hydrogen Moderator，DPHM）提供的第18號(hào)中子束線。圖1給出了GPPD的示意圖（更詳細(xì)的圖可參考文獻(xiàn)［6-7］），顯示了主要器件慢化器、中子導(dǎo)管、中子斬波器系統(tǒng)及監(jiān)測(cè)器相對(duì)于慢化器表面的位置分布情況。圖下方的數(shù)值表示關(guān)鍵器件距離慢化器DPHM表面的距離。其中，中子斬波器系統(tǒng)包含一臺(tái)T0斬波器，用來阻擋脈沖0時(shí)刻發(fā)出的絕大部分高能中子與γ射線，降低噪聲，提高中子束流品質(zhì)。三臺(tái)帶寬斬波器分別為T1、T2單轉(zhuǎn)盤帶寬斬波器和T3（T3D1和T3D2）雙轉(zhuǎn)盤帶寬斬波器。T1與T2帶寬斬波器負(fù)責(zé)阻止重疊波長(zhǎng)，T3帶寬斬波器用于選擇出樣品需求的中子波長(zhǎng)范圍（如：0.1～0.58 nm）。表1對(duì)應(yīng)的是各中子斬波器的物理參數(shù)，其中束流高度與束流寬度代表的是入射到該斬波器前的中子束流截面，轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心距離束流中心300 mm，各帶寬斬波器運(yùn)轉(zhuǎn)頻率與源頻率相同為25 Hz。

圖1 GPPD示意圖（側(cè)視）Fig.1 Schematic layout of GPPD(side view)

表1 中子斬波器物理參數(shù)Table 1 Physical parameters of neutron choppers

以帶寬斬波器T1為例，圖2給出了它的核心部件——轉(zhuǎn)盤的示意圖，圖中參數(shù)與表1保持一致，角頻率ω=2πf，R為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)中心至中子束流截面中心的距離，灰色部分代表中子吸收涂層。帶寬斬波器主要利用飛行時(shí)間技術(shù)原理和對(duì)轉(zhuǎn)盤精密的相位控制，使得需求波段的中子飛行至帶寬斬波器時(shí)，帶寬斬波器的開口角恰好轉(zhuǎn)動(dòng)至能夠放開該部分中子的位置，最終需求中子波段順利通過而不需要的中子被轉(zhuǎn)盤上的中子吸收材料阻擋吸收，從而實(shí)現(xiàn)其功能。

圖2 帶寬斬波器T1轉(zhuǎn)盤Fig.2 The rotary disk of the bandwidth chopper T1

2 實(shí)驗(yàn)與模擬條件

2.1 實(shí)驗(yàn)條件

中子束流實(shí)驗(yàn)在通用粉末衍射儀上開展。英國AST公司生產(chǎn)的直徑50 mm、厚度6 mm的GS20鋰玻璃探測(cè)器安裝在距離慢化器表面30 m處，并與德國ISEG公司的SHQ高壓電源（加載電壓-1 000V）連接。利用美國NI公司的NI-PXIe-5122數(shù)據(jù)采集卡收集實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)并將其傳輸?shù)接?jì)算機(jī)上。實(shí)驗(yàn)開始前對(duì)CTOF數(shù)據(jù)獲取界面做以下參數(shù)設(shè)置：測(cè)試時(shí)間10 s，測(cè)試脈沖周期100 ms，采樣率106次（每1μs進(jìn)行一次采樣）。值得指出的是本文所有問題的分析使用的數(shù)據(jù)均進(jìn)行扣除了本底處理，最終得到的是中子波長(zhǎng)-中子數(shù)/脈沖的關(guān)系圖。

2.2 模擬模型

利用國際通用的中子散射器件模擬軟件包McStas2.4開展帶寬斬波器性能的模擬驗(yàn)證。該軟件具有強(qiáng)大的射線追蹤功能［8-9］，含有多種中子組件，如：源、導(dǎo)管、斬波器、狹縫和監(jiān)測(cè)器等，可以建立圖1所示的GPPD模型來模擬中子的傳輸過程。模型采用組件SNS_source作為中子發(fā)生器，同時(shí)調(diào)用CSNS中子物理組提供的退耦合窄化氫慢化器數(shù)據(jù)文件，慢化器可視面大小為100 mm×100 mm。中子導(dǎo)管采用組件Guide，超鏡因子m=3，導(dǎo)管系統(tǒng)由5部分組成，記為G1、G2、G3、G41、G42、G43和G5，其入、出口截面分別為60 mm×90 mm和20 mm×40 mm（寬×高），分別距離慢化器表面2.25 m與28 m，2.25 m處的入射中子波長(zhǎng)譜如圖3（小圖為短波部分的局部放大）所示。各帶寬斬波器均采用組件Disk_chopper，輸入?yún)?shù)與表1保持一致。在距離慢化器表面30 m的位置插入波長(zhǎng)敏感監(jiān)測(cè)器L_monitor，用來獲得樣品處的中子波長(zhǎng)譜。為了增強(qiáng)模擬結(jié)果的可靠性，減少統(tǒng)計(jì)不確定性，采用109個(gè)粒子數(shù)。

圖3 距離慢化器表面2.25 m處的DPHM波長(zhǎng)譜Fig.3 Wavelength spectrum of DPHM at 2.25 m away from the surface of moderator

3 結(jié)果與討論

3.1 波段選擇

從寬脈沖中子束流中選擇出某一波長(zhǎng)范圍的需求中子是帶寬斬波器的重要性能之一。GPPD上中子的最遠(yuǎn)飛行距離為32.3 m，單個(gè)脈沖周期T（40 ms）下最大可用中子波長(zhǎng)帶寬Δλ由Δλ=c1Δt/L求得0.489 9 nm，其中c1=mn/h=0.395 62 nm·ms-1，mn為中子質(zhì)量；h為普朗克常量；Δt為中子飛行時(shí)間，此處即為40 ms；L為中子飛行距離。譜儀樣品實(shí)驗(yàn)使用的帶寬Δλ0=0.48 nm，即帶寬斬波器系統(tǒng)最終截取到的波長(zhǎng)寬度應(yīng)為0.48 nm，以波長(zhǎng)范圍0.1～0.58 nm為例。T1、T2、T3D1和T3D2所能截取的波長(zhǎng)帶寬均可由式（1）求出：

表2 各轉(zhuǎn)盤理論上選擇出的中子波長(zhǎng)Table 2 The theoretically selected neutron wavelength of each rotary disk

實(shí)驗(yàn)中則是在中子斬波器的用戶界面上將所有斬波器運(yùn)行頻率設(shè)置為25 Hz，并輸入截取0.1～0.58 nm時(shí)各帶寬斬波器對(duì)應(yīng)的相位（中點(diǎn)波長(zhǎng)的中子飛行至該帶寬斬波器所用的飛行時(shí)間），測(cè)得30 m處的中子波長(zhǎng)譜。為了便于獲得帶寬斬波器對(duì)0.1～0.58 nm左右邊界的截取情況，對(duì)縱坐標(biāo)進(jìn)行了對(duì)數(shù)處理，曲線端點(diǎn)斜率為1時(shí)對(duì)應(yīng)的波長(zhǎng)即為該斬波器截取的邊界波長(zhǎng)如圖3所示。圖4顯示T3D1與T3D2轉(zhuǎn)盤實(shí)際截取的左右邊界波長(zhǎng)分別為0.099 nm和0.577 nm，對(duì)應(yīng)著0.478 nm的波長(zhǎng)帶寬，與目標(biāo)帶寬的相對(duì)誤差約為0.42%。

圖4 實(shí)驗(yàn)選擇波長(zhǎng)譜Fig.4 The wavelength spectrum selected by the experiment

模擬中帶寬斬波器系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置與束流實(shí)驗(yàn)唯一不同的地方在于相位，此時(shí)需要利用θ1=ωt將中點(diǎn)波長(zhǎng)中子的飛行時(shí)間轉(zhuǎn)化為轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)的相位角。對(duì)30 m處L_monitor測(cè)得的波長(zhǎng)譜的縱坐標(biāo)進(jìn)行相同的處理后得結(jié)果如圖5所示，顯示出T3D1與T3D2轉(zhuǎn)盤截取的邊界波長(zhǎng)分別為0.099 nm和0.578 nm，對(duì)應(yīng)帶寬為0.479 nm，與目標(biāo)帶寬的相對(duì)誤差約為0.21%。

圖5 模擬選擇波長(zhǎng)譜Fig.5 The wavelength spectrum selected by the simulation

由上述結(jié)果可知，帶寬斬波器系統(tǒng)實(shí)際截取波長(zhǎng)范圍0.1～0.58 nm時(shí)的帶寬與目標(biāo)帶寬的相對(duì)誤差在0.5%以內(nèi)，可以認(rèn)為帶寬斬波器基本上能夠準(zhǔn)確選擇出譜儀需求波段。而實(shí)驗(yàn)上截取的波段略低于目標(biāo)帶寬，誤差來源主要有：1）各轉(zhuǎn)盤的相位控制精度（轉(zhuǎn)盤轉(zhuǎn)動(dòng)到規(guī)定位置時(shí)可能存在的抖動(dòng)）為±0.22°（25 Hz運(yùn) 行 時(shí) 對(duì) 應(yīng) 著±24μs［5］），則11.555 m與11.645 m的中子飛行距離對(duì)應(yīng)著±0.000 8 nm的波長(zhǎng)波動(dòng)；2）轉(zhuǎn)盤的TDC角度（以安裝在斬波器電機(jī)軸上的旋轉(zhuǎn)變壓器的絕對(duì)零點(diǎn)為參考點(diǎn)，用光電傳感器測(cè)出轉(zhuǎn)盤開口角正上方中心線位置轉(zhuǎn)動(dòng)至束流截面中心線位置的絕對(duì)角度，用于查看相位控制效果）的標(biāo)定有微妙級(jí)的誤差；3）中子束流有1°左右的發(fā)散度，當(dāng)斬波器開口角掃過導(dǎo)管截面時(shí)，在斬波器剛打開放出中子和即將關(guān)閉阻擋中子通過時(shí)，入射中子的通過率較低易損失，使得實(shí)際截取的帶寬變窄；4）讀取左右邊界值時(shí)的人為誤差。模擬環(huán)境較為理想，結(jié)果也優(yōu)于實(shí)際情況，但同樣存在與實(shí)驗(yàn)上相同的第三種誤差成因。

3.2 周期重疊背底濾除

CSNS的脈沖周期為40 ms，根據(jù)飛行時(shí)間測(cè)量技術(shù)要求可知，中子的飛行時(shí)間展寬不能大于脈沖周期，如果沒有斬波器，各個(gè)脈沖周期內(nèi)中子將會(huì)有飛行時(shí)間重疊，即上一個(gè)脈沖周期的長(zhǎng)波中子可能會(huì)被探測(cè)器記錄為這個(gè)脈沖周期所需的較短波段中子，成為長(zhǎng)波背低。如圖3所示，中子通量隨波長(zhǎng)增加急劇降低，長(zhǎng)波中子雖然通量極低，但由于與樣品散射后的散射強(qiáng)度與中子波長(zhǎng)的4次方成正比［10-12］，仍然需要將長(zhǎng)波中子背底抑制在較低水平。考慮到中子衍射譜儀通常的分辨率在0.1%左右，根據(jù)中子波長(zhǎng)-通量譜和散射強(qiáng)度公式，從信噪比角度要求能通過斬波器系統(tǒng)的最小截止長(zhǎng)波波長(zhǎng)一般要大于4 nm（不同譜儀對(duì)長(zhǎng)波背底的抑制和最小截止長(zhǎng)波波長(zhǎng)的要求不同）。帶寬斬波器系統(tǒng)設(shè)計(jì)以此為依據(jù)，采用合理的斬波器數(shù)量、開口角、轉(zhuǎn)速、安裝位置等參數(shù)配置，通過飛行時(shí)間來擋住不需要的長(zhǎng)波中子背底，提高信噪比。

對(duì)單個(gè)帶寬斬波器來說，飛行時(shí)間為斬波器開口時(shí)間窗加上整數(shù)倍測(cè)量周期的慢中子也能通過斬波器，形成長(zhǎng)波背底，即均可通過該斬波器，其中0，1，2，3，…，分別對(duì)應(yīng)需求波長(zhǎng)、一階背底、二階背底、三階背底、……。由此可計(jì)算出T1帶寬斬波器泄漏的背底波長(zhǎng)范圍，以目標(biāo)波長(zhǎng)范圍0.1～0.58 nm為例，計(jì)算結(jié)果見表3。若去背底帶寬斬波器T1與T2不工作，那么到達(dá)探測(cè)器波段除了目標(biāo)波段外還有表中加粗的背底部分1.470～1.939 nm、2.839～3.298 nm和4.209～4.657 nm。當(dāng)帶寬斬波器T1與T2正常運(yùn)行時(shí)，帶寬斬波器T2可以完全阻擋帶寬斬波器T1的一階泄漏背底；部分阻擋二階泄漏背底，泄漏的二階背底部分最終由帶寬斬波器T3阻擋；各個(gè)帶寬斬波器的相互配合最終使泄漏的背底波長(zhǎng)達(dá)到6.961 nm，滿足GPPD背底波長(zhǎng)大于6.0 nm的要求。對(duì)比帶寬斬波器T1和T2運(yùn)行和不運(yùn)行兩種工作狀態(tài)對(duì)樣品處泄漏中子的影響可知，它們正常運(yùn)行時(shí)的濾除背底波長(zhǎng)能力顯著，是整個(gè)帶寬斬波器系統(tǒng)不可缺少的重要部分。

表3 各轉(zhuǎn)盤理論上選擇出的中子波長(zhǎng)Table 3 The theoretically selected neutron wavelength of each disk

實(shí)驗(yàn)中則是開展：1）關(guān)閉帶寬斬波器T1與T2，使其靜止在束流放開位置，其余斬波器正常運(yùn)行截取0.1～0.58 nm，測(cè)得結(jié)果記為R1；2）所有斬波器正常運(yùn)行截取0.1～0.58 nm，測(cè)得結(jié)果記為R2。利用R1和R2計(jì)算出帶寬斬波器T1和T2運(yùn)行時(shí)長(zhǎng)波背底降低的百分比，結(jié)果如圖6所示?？梢悦黠@看出，帶寬斬波器T1與T2正常運(yùn)行時(shí)對(duì)長(zhǎng)波背底的濾除功能，最大可使背底降低約10%。圖中存在明顯的波動(dòng)主要是因?yàn)閷?shí)驗(yàn)探測(cè)時(shí)間短，累積到的長(zhǎng)波中子計(jì)數(shù)不足。

模擬中同樣測(cè)得帶寬斬波器T1和T2停止和運(yùn)行兩種狀態(tài)下的波長(zhǎng)譜，結(jié)果如圖7所示。

圖6 背底降低百分比波長(zhǎng)譜Fig.6 Background reduction percentage wavelength spectrum

圖7 泄露中子的阻擋Fig.7 Blocking of the leakage neutrons

因?yàn)槟M中的中子入射波長(zhǎng)譜如圖3所示，它不是脈沖型的，而是各種波長(zhǎng)的中子不停地發(fā)射，這樣得到的結(jié)果可與計(jì)算結(jié)果比較。顯然，帶寬斬波器T1與T2停止時(shí)，同樣到達(dá)監(jiān)測(cè)器的除了目標(biāo)波段還有三部分泄漏中子，這與表3中字體加粗部分計(jì)算出的泄漏中子范圍一致；而帶寬斬波器T1與T2運(yùn)行時(shí)則很好地阻擋了泄漏中子，起到了降低背底、提高信噪比的重要作用。

4 結(jié)語

本文以中國散裂中子源通用粉末衍射儀上安裝的帶寬斬波器系統(tǒng)為研究對(duì)象，借助理論計(jì)算、McStas軟件模擬與中子束流實(shí)驗(yàn)方法，對(duì)帶寬斬波器選擇實(shí)驗(yàn)需求波長(zhǎng)范圍和濾除脈沖周期重疊長(zhǎng)波背底兩個(gè)性能展開了研究，總結(jié)如下：

1）帶寬斬波器系統(tǒng)選擇中子波長(zhǎng)范圍的交集即為譜儀最終需求的波長(zhǎng)帶寬，也即帶寬斬波器T3能夠選擇出的波長(zhǎng)范圍。對(duì)于目標(biāo)波長(zhǎng)范圍0.1～0.58 nm，帶寬斬波器T3實(shí)際選擇出的帶寬與目標(biāo)帶寬的相對(duì)誤差在0.5%以內(nèi)，基本上認(rèn)為帶寬斬波器T3可以準(zhǔn)確選擇出需求波長(zhǎng)。

2）三種研究方法下所得結(jié)果均表明，帶寬斬波器T1與T2正常運(yùn)行時(shí)很好地阻擋了泄漏中子，展現(xiàn)了顯著的去除背底功能，發(fā)揮了降低背底、提高信噪比的重要作用；同時(shí)也說明去背底帶寬斬波器的不可或缺性。對(duì)于這項(xiàng)功能的驗(yàn)證，之后也可以增加樣品實(shí)驗(yàn)，通過對(duì)比帶寬斬波器T1和T2兩種工作狀態(tài)對(duì)樣品散射譜圖的影響來直接判定。本研究也將為CSNS陸續(xù)建設(shè)的中子散射譜儀上帶寬斬波器的設(shè)計(jì)與制造提供一定的實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

致謝感謝CSNS通用粉末衍射儀提供的實(shí)驗(yàn)平臺(tái)、實(shí)驗(yàn)機(jī)時(shí)以及探測(cè)器設(shè)備安裝的幫助；感謝中子物理組王松林老師提供的探測(cè)器設(shè)備。