中國(guó)散裂中子源快循環(huán)同步環(huán)形加速器橫向準(zhǔn)直器上質(zhì)子束流損失造成的中子場(chǎng)分布

董啟凡，敬罕濤，許守彥，劉 磊，余潔冰，譚志新

(散裂中子源科學(xué)中心，東莞523803；中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所，北京100049)

中國(guó)散裂中子源(China Spallation Neutron Source，CSNS)裝置是一個(gè)大型綜合性中子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái)和能開(kāi)展多學(xué)科研究的國(guó)家大科學(xué)裝置[1-5]。2018年8月，CSNS裝置正式竣工并通過(guò)國(guó)家驗(yàn)收。當(dāng)前，CSNS裝置已達(dá)到設(shè)計(jì)指標(biāo)，打靶質(zhì)子束流能量為1.6 GeV，束流功率為100 kW，重復(fù)頻率為25 Hz。CSNS裝置由1臺(tái)高功率直線加速器(linear accelerator，LINAC)、1臺(tái)快循環(huán)同步環(huán)形加速器(rapid cycling synchrotron, RCS)和1座靶站組成。圖1為CSNS裝置的布局。CSNS裝置還規(guī)劃了高能質(zhì)子應(yīng)用區(qū)(high-energy proton experimental area， HPEA)，可開(kāi)展質(zhì)子束與繆子束的應(yīng)用研究。

CSNS RCS是CSNS裝置的第二級(jí)加速器，主要作用是將經(jīng)過(guò)LINAC的80 MeV中能質(zhì)子束團(tuán)進(jìn)行累積和加速。每個(gè)脈沖周期對(duì)質(zhì)子束團(tuán)的操作可分為多圈注入、束團(tuán)加速和引出3個(gè)階段。首先，采取剝離多圈方式注入中能負(fù)氫離子束，累積完成2個(gè)高功率質(zhì)子束團(tuán)；隨后，中能質(zhì)子束團(tuán)在加速腔被不斷加速，約20 ms后，質(zhì)子束團(tuán)能量被加速到1.6 GeV附近；最后，使用1組快引出磁鐵將質(zhì)子束流從環(huán)中引出打靶，每個(gè)引出脈沖的質(zhì)子數(shù)約為1.56×1013。CSNS RCS為4折對(duì)稱設(shè)計(jì)，上下2個(gè)長(zhǎng)直線節(jié)分別用于注入和引出；左邊直線段為加速段；右邊直線段用于質(zhì)子束流橫向準(zhǔn)直[6]、切除大角度束暈粒子及控制束流發(fā)射度。同時(shí)，將接受度外的質(zhì)子損失在指定位置，可對(duì)損失質(zhì)子進(jìn)行集中屏蔽，控制整個(gè)加速器隧道內(nèi)的活化劑量，便于束線上設(shè)備的維護(hù)。

圖1 CSNS裝置的布局Fig.1 Layout of CSNS facility

1RCS橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)

圖2為RCS橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖。RCS橫向束流準(zhǔn)直采用了二級(jí)準(zhǔn)直系統(tǒng)設(shè)計(jì)，由1個(gè)主準(zhǔn)直器和4個(gè)次級(jí)準(zhǔn)直器構(gòu)成。在RCS環(huán)中，由于空間電荷效應(yīng)的影響，束流發(fā)射度增加緩慢。這些束暈粒子占比很小，直接碰到主準(zhǔn)直器。主準(zhǔn)直器的刮束片為鎢金屬薄片，對(duì)與其碰撞的束暈粒子提供大角度散射而不直接吸收或引起粒子明顯的能量損失，使被散射粒子更易于被下游的次級(jí)準(zhǔn)直器吸收；次級(jí)準(zhǔn)直器是由石墨和金屬材料組成的吸收體，束流發(fā)射度大于主準(zhǔn)直器的接受度。這樣的準(zhǔn)直系統(tǒng)被稱為二級(jí)準(zhǔn)直系統(tǒng)，主準(zhǔn)直器和次準(zhǔn)直器分別稱為“切刮器”和“吸收器”。主準(zhǔn)直器的接受度控制為350π～400π mm·mrad，次準(zhǔn)直器的接受度為420π mm·mrad[7]。

圖2 RCS環(huán)上橫向束流準(zhǔn)直系統(tǒng)示意圖Fig.2 Transverse collimation system on RCS ring

中能負(fù)氫離子束流被剝離并多圈注入到RCS環(huán)中后，經(jīng)約20 ms的加速后，能量從80 MeV達(dá)到1.6 GeV，然后被引出。注入和加速過(guò)程中，大角度的質(zhì)子被主準(zhǔn)直器刮掉，在準(zhǔn)直系統(tǒng)附近損失，并與刮束片、真空管壁和屏蔽體發(fā)生核反應(yīng)，產(chǎn)生中子、γ及其他本底粒子。由于中子有很強(qiáng)的穿透能力及屏蔽體對(duì)高能中子有慢化作用，屏蔽體附近以寬能譜的中子場(chǎng)為主。由于RCS是脈沖型加速器，質(zhì)子束流損失具有很短的脈沖結(jié)構(gòu)，本文首次分析了CSNS準(zhǔn)直器中子場(chǎng)的時(shí)間結(jié)構(gòu)。具有時(shí)間結(jié)構(gòu)的寬能譜白光中子場(chǎng)在輻照效應(yīng)及探測(cè)器測(cè)試等方面有很好的應(yīng)用前景。

2中子場(chǎng)分析

2.1質(zhì)子束流損失情況

CSNS RCS的工作頻率為25 Hz，在準(zhǔn)直器附近布置有束流損失探頭。當(dāng)RCS工作在100 kW時(shí)，束流損失探頭對(duì)質(zhì)子損失測(cè)量發(fā)現(xiàn)，質(zhì)子束流損失具有很強(qiáng)的時(shí)間關(guān)聯(lián)性，并不是周期內(nèi)平均損失。由于注入期間和高能加速期間質(zhì)子的損失都比較小，與2.4～5.0 ms期間的束流損失相比，可忽略不計(jì)，所以本文只研究2.4～5.0 ms期間的束流損失情況。圖3為橫向準(zhǔn)直系統(tǒng)上質(zhì)子束流損失與時(shí)間和質(zhì)子能量的變化關(guān)系。由圖3可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子束被加速到130 MeV附近時(shí)，束流損失最多，隨后逐漸下降。基于此配置的運(yùn)行狀態(tài)下，束流損失的時(shí)間關(guān)系固定，損失質(zhì)子造成的中子場(chǎng)隨時(shí)間的變化關(guān)系也是確定的。根據(jù)束流損失監(jiān)測(cè)探測(cè)器測(cè)量的結(jié)果，損失的質(zhì)子束流總功率約為260 W。

圖3 橫向準(zhǔn)直系統(tǒng)上質(zhì)子束流損失隨 時(shí)間和質(zhì)子能量的變化關(guān)系Fig.3 Proton beam loss of the collimator system vs. time and proton energy

橫向準(zhǔn)直系統(tǒng)主準(zhǔn)直器的刮束板采用厚度為0.17 mm鎢片，后面接銅板，起到將熱量從真空盒內(nèi)導(dǎo)出真空盒外的散熱作用。由圖3可見(jiàn)，每個(gè)脈沖周期內(nèi)損失質(zhì)子的能量基本小于200 MeV。由于鎢片散射角較大，因此束暈粒子被散射后發(fā)射度增大。這部分質(zhì)子在銅中射程最大約為43.5 mm，能被下游次級(jí)準(zhǔn)直器中的銅塊吸收。

FLUKA是一種用來(lái)模擬粒子和物質(zhì)相互作用過(guò)程及輸運(yùn)的蒙特卡羅模擬程序，能模擬包括質(zhì)子、中子、電子和重離子在內(nèi)的60余種粒子在固體、液體及氣體中的輸運(yùn)和相互作用過(guò)程[8]。本文采用FLUKA程序模擬RCS中準(zhǔn)直器附近的質(zhì)子束流損失過(guò)程，計(jì)算得出束流損失產(chǎn)生的中子場(chǎng)的分布、時(shí)間結(jié)構(gòu)和能譜等。圖4為利用FLUKA程序模擬給出的質(zhì)子束流損失隨時(shí)間和質(zhì)子能量的變化關(guān)系及雙高斯函數(shù)擬合曲線。

圖4 FLUKA程序模擬給出的束流損失隨時(shí)間和 質(zhì)子能量的變化關(guān)系及雙高斯函數(shù)擬合曲線Fig.4 Proton beam loss vs. time and proton energy and the fitting curve of double Gaussian function simulated by FLUKA code

2.2準(zhǔn)直器幾何結(jié)構(gòu)

橫向準(zhǔn)直系統(tǒng)由主準(zhǔn)直器和4套次級(jí)準(zhǔn)直器組成。由圖3可見(jiàn)，主要損失的質(zhì)子為130 MeV附近的中能質(zhì)子。這部分的質(zhì)子在主準(zhǔn)直器鎢刮束片中的射程約為15 mm，不會(huì)將太多能量沉積到刮束片上，而是很容易穿過(guò)鎢刮束片被大角度散射，損失在主準(zhǔn)直器下游。這和附近監(jiān)測(cè)探頭測(cè)得數(shù)據(jù)一致。因此，模擬過(guò)程中，本文簡(jiǎn)化幾何模型，主要構(gòu)建主準(zhǔn)直器的鎢刮束片、下游首個(gè)次準(zhǔn)直器的銅吸收體及附近的屏蔽體，如圖5所示。其中，鎢刮束片距管道中心為5.4 cm；上下鎢片和左右鎢片在縱向方向上的距離為3.3 cm。

主準(zhǔn)直器的刮束片為0.17 mm厚的鎢片，下游為次準(zhǔn)直器的銅吸收體。真空管外部為厚度為60 cm鐵屏蔽體；再外部為厚度為20 cm的混凝土屏蔽體，其中，混凝土材料中各元素的質(zhì)量分?jǐn)?shù)：w(H)為1%；w(C)為 0.1%；w(O)為52.9%；w(Na)為1.6%；w(Mg)為0.2%；w(Al)為3.4%；w(Si)為33.7%；w(P)為1.3%；w(Ca)為4.4%；w(Fe)為1.4%。詳細(xì)幾何參數(shù)如表1所列。

(a)Front view

(b)Top view

表1 準(zhǔn)直器的主要結(jié)構(gòu)及尺寸Tab.1 Structure and size of primary collimator

2.3在準(zhǔn)直器屏蔽體外中子場(chǎng)的能譜和時(shí)間結(jié)構(gòu)

2.3.1中子注量率和能譜

實(shí)驗(yàn)測(cè)得RCS正常運(yùn)行下，重復(fù)頻率為25 Hz，主準(zhǔn)直器附近的束流損失功率約為260 W。主準(zhǔn)直器中，主要有鐵屏蔽體和混凝土屏蔽體，通過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和軟件模擬，分別得到屏蔽體外邊緣的中子注量率和能譜。圖6為FLUKA模擬得到的屏蔽體外邊緣中子注量率隨能量的變化關(guān)系。本文各粒子注量率和能譜都以圖5(b)所示的2 m長(zhǎng)束流管道為模型所得。由圖6可見(jiàn)，在鐵屏蔽體外邊緣，中子的總注量率為8.217×105cm-2·s-1；鐵屏蔽體表面的中子能譜峰值在0.02 MeV左右，中子在0.01～0.4 MeV范圍內(nèi)最多，同時(shí)鐵的共振峰非常清晰；混凝土屏蔽體表面的中子能譜峰值大約在0.05 eV處，中子大多集中在熱中子能區(qū)。由圖6(a)和圖6(b)的對(duì)比可見(jiàn)，混凝土屏蔽體顯然起到慢化能量較高中子的作用，且中子總注量率也比進(jìn)入混凝土屏蔽體前少了1個(gè)量級(jí)，為5.101×104cm-2·s-1。

(a)Fe

(b)Concrete

2.3.2中子場(chǎng)的能量-時(shí)間分布

由于RCS為脈沖型加速器，因此，預(yù)計(jì)中子場(chǎng)分布有時(shí)間結(jié)構(gòu)。從注入到引出前的每個(gè)脈沖周期內(nèi)，質(zhì)子束流在RCS環(huán)里每一圈都會(huì)有相應(yīng)的束流損失。質(zhì)子束團(tuán)在環(huán)里每次經(jīng)過(guò)主準(zhǔn)直器的損失，如圖4所示。在FLUKA的用戶接口SOURCE程序中，把測(cè)量得到的數(shù)據(jù)歸一到質(zhì)子束流損失總功率，直接進(jìn)行質(zhì)子能量和時(shí)間的關(guān)聯(lián)抽樣，利用抽樣質(zhì)子束直接轟擊主準(zhǔn)直器，在混凝土外邊界和鐵外邊界分別設(shè)置虛擬探測(cè)器，在一個(gè)完整的加速周期內(nèi)統(tǒng)計(jì)2個(gè)位置的中子場(chǎng)的分布，得到混凝土屏蔽體表面中子注量率隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖7所示。由圖7可見(jiàn)，中子場(chǎng)的時(shí)間分布呈振蕩分布，在3.1 ms附近注量率最高。

圖7 混凝土屏蔽體表面中子注量率隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.7 The neutron fluence rate on the surface of the concrete shielding body vs. time

如再考慮中子能量的分布，就得到混凝土表面中子能量隨時(shí)間的變化關(guān)系，如圖8所示。由圖8可見(jiàn)，中子能量集中分布在3.1 ms (0.05 eV)附近，且時(shí)間分布呈現(xiàn)振蕩分布，能量分布呈單一峰值分布。這是因?yàn)橘|(zhì)子具有時(shí)間結(jié)構(gòu)，由束流在RCS環(huán)中每圈的時(shí)間所決定，所以得到的中子也具有類(lèi)似的振蕩結(jié)構(gòu)。又因?yàn)殍F屏蔽體和混凝土屏蔽體對(duì)中子的慢化作用，所以中子的時(shí)間結(jié)構(gòu)與質(zhì)子束流的時(shí)間結(jié)構(gòu)不同。

圖8 混凝土表面中子能量隨時(shí)間的變化關(guān)系Fig.8 The neutron energy of concrete surface vs. time

2.4其他本底粒子

由于損失的質(zhì)子能量已較高，因此，除與束流管及屏蔽體等發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生中子外，質(zhì)子也會(huì)通過(guò)電離及次級(jí)的級(jí)聯(lián)過(guò)程產(chǎn)生大量的γ和正負(fù)電子等，因此，屏蔽體外是一個(gè)混合場(chǎng)。通過(guò)FLUKA模擬可得到混凝土屏蔽體表面除中子外其他幾個(gè)主要本底粒子的注量率，φγ為4.813×104cm-2·s-1；φe-為5.706×102cm-2·s-1；φe+為46.97 cm-2·s-1。圖9為混凝土屏蔽體表面幾種粒子的注量率隨粒子能量的變化關(guān)系。由圖9可見(jiàn)，中子是最主要組成成分；γ的強(qiáng)度與中子非常接近；電子和正電子占比較低；在中子輻照和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中一般可忽略。

圖9 混凝土屏蔽體表面幾種粒子 的注量率隨粒子能量的變化關(guān)系Fig.9 The neutron fluence rate of several kinds of particles on the surface of concrete shielding body vs.time

3總結(jié)和展望

本文利用蒙特卡羅模擬軟件FLUKA對(duì)CSNS RCS中主準(zhǔn)直器的中子場(chǎng)分布進(jìn)行了計(jì)算和分析，得到中子在鐵屏蔽體和混凝土屏蔽體表面的總注量率、能譜和時(shí)間分布及其他次級(jí)粒子能譜。由混凝土外邊緣和鐵屏蔽體外邊緣的中子能譜和注量率的結(jié)果對(duì)比可見(jiàn)，屏蔽體阻擋和慢化了中子，使中子注量率減小且能譜分布向低能方向轉(zhuǎn)移。由中子的能量和時(shí)間分布結(jié)果可見(jiàn)，當(dāng)前準(zhǔn)直器附近的中子場(chǎng)有顯著的時(shí)間結(jié)構(gòu)，呈振蕩分布，脈沖時(shí)間間隔與質(zhì)子束在環(huán)內(nèi)跑每圈的時(shí)間相對(duì)應(yīng)，時(shí)間寬度約為125 μs。

本文首次對(duì)國(guó)內(nèi)外同類(lèi)裝置質(zhì)子束流損失所造成中子場(chǎng)的時(shí)間相關(guān)性進(jìn)行研究，發(fā)現(xiàn)熱中子場(chǎng)具有很好的時(shí)間結(jié)構(gòu)，可用于快響應(yīng)的中子探測(cè)器測(cè)試并開(kāi)展一些脈沖中子的應(yīng)用拓展、中子劑量測(cè)量、輻射防護(hù)應(yīng)用和低劑量的中子輻照實(shí)驗(yàn)研究。