基于100 MeV質(zhì)子回旋加速器的白光中子束線設(shè)計(jì)

麻 旭，劉應(yīng)都，鮑 杰，陳啟明，張 凱，任 杰，阮錫超，郭 剛，歐陽曉平,,4

(1. 湘潭大學(xué) 材料科學(xué)與工程學(xué)院，湖南湘潭 411100；2. 中國原子能科學(xué)研究院 核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室；3. 中國原子能科學(xué)研究院 國防科技工業(yè)抗輻照應(yīng)用技術(shù)創(chuàng)新中心： 北京 102413；4. 西北核技術(shù)研究所，西安 710024)

基于散裂反應(yīng)的白光中子源具有中子產(chǎn)額高和能區(qū)覆蓋范圍寬等特點(diǎn)，可應(yīng)用于核數(shù)據(jù)測量、基礎(chǔ)核物理實(shí)驗(yàn)、中子輻照效應(yīng)研究及探測器標(biāo)定等研究領(lǐng)域。中國原子能科學(xué)研究院100 MeV質(zhì)子回旋加速器的白光中子束線正是服務(wù)于上述領(lǐng)域的一個(gè)重要的多用途白光中子實(shí)驗(yàn)平臺。本文利用蒙特卡羅程序FLUKA[1-2]，根據(jù)100 MeV回旋加速器白光中子靶及實(shí)驗(yàn)終端的空間結(jié)構(gòu)[3]，優(yōu)化了幾何模型，計(jì)算了0°方向與15°方向白光中子束線實(shí)驗(yàn)終端的中子能譜和注量，根據(jù)中子準(zhǔn)直器的結(jié)構(gòu)，得到實(shí)驗(yàn)終端內(nèi)的束斑和信噪比等參數(shù)，用于進(jìn)一步的優(yōu)化設(shè)計(jì)，并為未來物理實(shí)驗(yàn)提供參考。

圖1為100 MeV質(zhì)子回旋加速器白光中子束線示意圖。

中子源由100 MeV質(zhì)子回旋加速器產(chǎn)生，從加速器系統(tǒng)向南引出100 MeV高能質(zhì)子束線，轟擊鎢靶，由散裂反應(yīng)產(chǎn)生白光中子。實(shí)驗(yàn)大廳西部預(yù)留給準(zhǔn)單能中子束線，東部預(yù)留給質(zhì)子單粒子束線。為盡可能地利用空間和提高實(shí)驗(yàn)效率，規(guī)劃了2條白光中子束線，可同時(shí)獨(dú)立開展物理測量。

1 中子能譜及注量率

中子束線參數(shù)是物理實(shí)驗(yàn)測量的基礎(chǔ)數(shù)據(jù)。根據(jù)中子靶的幾何結(jié)構(gòu)和質(zhì)子束線參數(shù)，利用蒙特卡羅程序FLUKA模擬散裂鎢靶上中子的產(chǎn)生、調(diào)節(jié)和輸運(yùn)過程。FLUKA利用核數(shù)據(jù)庫和理論模型，能模擬從低能到高能的中子產(chǎn)生和輸運(yùn)的過程，最終得到關(guān)鍵中子束線的中子能譜、中子注量和中子束斑分布等特征參數(shù)。靶站的剖視圖如圖2所示。

模擬過程中，鎢靶直徑為7.5 cm，厚度為1.2 cm，水層厚度為5 mm。靶的結(jié)構(gòu)采用水冷銅盤銀焊焊接的方式包住鎢片，一方面增加鎢片與銅盤之間的熱傳導(dǎo)系數(shù)，另一方面水層能起到冷卻和慢化中子作用。在0°方向距靶心16 m處及15°方向距靶心30 m處的實(shí)驗(yàn)點(diǎn)分別統(tǒng)計(jì)不同束斑的中子能譜及注量率。

1.1 0°方向白光中子束線的中子能譜及注量率

根據(jù)圖1中0°方向白光中子束線及實(shí)驗(yàn)廳的幾何結(jié)構(gòu)建立模型。模擬給出以靶心為原點(diǎn)，100 MeV的質(zhì)子轟擊鎢靶發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子的過程，從散裂反應(yīng)出射的0°方向白光中子經(jīng)2級準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后到達(dá)距靶心16 m處的中子注量率φn隨中子能量En的變化關(guān)系，如圖3所示。

根據(jù)模擬得到的中子能譜，結(jié)合回旋質(zhì)子加速器給出的質(zhì)子束線功率，對中子能譜進(jìn)行積分后，即可得到中子注量率φn，表示為

(1)

更改積分上下限Emin，Emax即可得到不同能量區(qū)間的中子注量率，進(jìn)行定量分析。當(dāng)積分上下限分別為0和100 MeV時(shí)，即可得到整個(gè)能量區(qū)間內(nèi)的中子注量率。在5 kW滿功率運(yùn)行狀態(tài)下，0°方向中子束線在距靶心16 m處的中子注量率為5.09×106s-1·cm-2，在0.1～100 MeV能量區(qū)間的中子數(shù)與0°方向出射散裂中子總數(shù)之比為94.9%。

1.2 15°白光中子束線的中子能譜及注量

根據(jù)圖1中的15°方向白光中子束線及實(shí)驗(yàn)終端的幾何結(jié)構(gòu)建立幾何模型。模擬以靶心為原點(diǎn)，100 MeV的質(zhì)子轟擊鎢靶發(fā)生散裂反應(yīng)產(chǎn)生中子的過程，從散裂反應(yīng)出射的15°方向白光中子經(jīng)2級準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后到達(dá)距靶心30 m位置的中子注量率隨中子能量的變化關(guān)系，如圖4所示。

根據(jù)模擬計(jì)算出的中子能譜，在5 kW滿功率運(yùn)行狀態(tài)下，15°方向距靶心30 m處(小實(shí)驗(yàn)廳)的中子注量率為8.19×105s-1·cm-2，在0.1 ～100 MeV能量區(qū)間的中子數(shù)與15°方向出射散裂中子總數(shù)之比為94.5%。

用FLUKA模擬了100 MeV質(zhì)子轟擊鎢靶發(fā)生散列反應(yīng)產(chǎn)生中子的過程，不同束斑條件下的中子注量率，如表1所列。2條束線在不同能區(qū)不同位置的中子注量率及占比如表2所列。由表2可知，0°方向距靶心16 m處與15°方向距靶心30 m處的中子能譜形狀相似，趨勢一致。2條束線能譜的峰值都在1～5 MeV之間。

表1 2條束線在不同束斑條件下的中子注量率Tab.1 Neutron fluence rates of two beam lines in different beam spots

表2 2條束線在不同能量區(qū)間不同位置下的中子注量率及占比Tab.2 Neutron fluence rate and ratio of two beam lines at different positions in different energy ranges

2 準(zhǔn)直束和中子剖面

物理測量時(shí)，根據(jù)測試樣品尺寸，提出了直徑d分別為30 mm和60 mm的2種束斑需求。根據(jù)束線實(shí)際長度和中子能譜特點(diǎn)，采用2級準(zhǔn)直方式，即在中子靶出碉堡區(qū)放置第一個(gè)初級準(zhǔn)直器，在實(shí)驗(yàn)廳前端放置限束用主準(zhǔn)直器，每條束線盡頭都有一個(gè)束線捕集器用于吸收透射束線。簡化的中子束線準(zhǔn)直光路如圖5所示。

散裂反應(yīng)產(chǎn)生的中子按角分布向全空間發(fā)射，其中0°和15°方向出射的白光中子束線通過初級準(zhǔn)直器沿真空管道輸運(yùn)，到達(dá)主準(zhǔn)直器，經(jīng)限束后在測量位置點(diǎn)得到標(biāo)準(zhǔn)中子束斑，之后繼續(xù)飛行直到被束線捕集器吸收。初級準(zhǔn)直器的作用是保留由中子靶處發(fā)射的0°和15°方向的源中子，屏蔽由靶點(diǎn)向其他方向發(fā)射的射線，減少大廳內(nèi)漫散射引起的本底，屏蔽質(zhì)子束同其他非靶物質(zhì)作用產(chǎn)生的射線；主準(zhǔn)直器作用是約束樣品前束斑尺寸，同時(shí)起到屏蔽及進(jìn)一步降低漫散射的作用。利用FLUKA模擬計(jì)算得到優(yōu)化的中子束斑與主準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)參數(shù)，如表3所列。

表3 中子束斑與主準(zhǔn)直器設(shè)計(jì)參數(shù)Tab.3 Neutron beam spot and primary collimator design parameters

根據(jù)光學(xué)確定束線參數(shù)及2級準(zhǔn)直器參數(shù)，得到樣品位置的束斑形狀，如圖6和7所示。由圖6和圖7可見，在0°和15°方向上的束斑投影圖中，每條輪廓線都有一個(gè)類似平頂?shù)姆秶?，可近似等效于束斑尺寸，而平頂?shù)钠秸潭葎t體現(xiàn)了不同束斑內(nèi)束線的均勻性[4-6]。一般在束斑內(nèi)，束斑中心束線強(qiáng)度最高，束斑邊緣束線強(qiáng)度最低，故束斑內(nèi)的束線均勻性可表示為

(2)

其中：H為束斑的不均勻性；IC為束斑中心束線強(qiáng)度；IE為束斑邊緣束線強(qiáng)度。H越小，表明束斑內(nèi)束線均勻性越好。經(jīng)過計(jì)算：0°方向距靶心16 m處，直徑為30 mm束斑的H值為8%，直徑為60 mm束斑的H值為1.1%；15°方向距靶心30 m處，直徑為30 mm束斑的H值為7.7%，直徑為60 mm束斑的H值為4.4%。分析不同位置和不同孔徑束斑內(nèi)的粒子分布可見，各種能量的中子在4組束斑內(nèi)是均勻分布的，中子束線強(qiáng)度在4組束斑直徑輪廓范圍內(nèi)的不均性均小于10 %，基本符合實(shí)驗(yàn)要求。

3 中子實(shí)驗(yàn)廳本底

中子測量實(shí)驗(yàn)的環(huán)境本底對實(shí)驗(yàn)結(jié)果有重要影響，按照輸運(yùn)粒子種類，可分為中子本底和γ射線本底。除散裂靶直接出射到測量點(diǎn)的中子外，任何中子都被認(rèn)為是本底中子，一般是由環(huán)境散射引起的，包括靶附近散射、束線線結(jié)構(gòu)材料散射、空氣散射、逸出部分在環(huán)境中散射、透過準(zhǔn)直器和屏蔽體的多次散射和在后端屏蔽體內(nèi)的反散射，在時(shí)間結(jié)構(gòu)上本底中子不符合能量時(shí)間關(guān)系。γ射線主要來自于散裂反應(yīng)過程產(chǎn)生和白光中子在環(huán)境中的次級作用。本底的大小直接影響實(shí)驗(yàn)的精度，對于中子本底，實(shí)驗(yàn)廳內(nèi)環(huán)境中子本底要比束斑內(nèi)中子注量小5個(gè)量級，即要求信噪比不小于105。在15°方向搭建了一個(gè)小型實(shí)驗(yàn)廳，長為5 m，寬為4 m，用來實(shí)現(xiàn)更高的信噪比。γ射線由散裂伴生和中子次級反應(yīng)產(chǎn)生，γ射線的影響需根據(jù)測量γ射線的具體實(shí)驗(yàn)要求確定，本文不展開討論。同時(shí)在0°方向白光中子束線實(shí)驗(yàn)終端靠近15°方向白光中子束線的一側(cè)添加了一堵厚度為50 cm混凝土屏蔽墻，墻體與0°方向白光中子束線保持平行[7-8]。根據(jù)實(shí)際的中子輸運(yùn)線幾何參數(shù)，建立了FLUKA模擬模型，模擬計(jì)算得到功率為5 kW時(shí)，中子源在2條白光中子束線在實(shí)驗(yàn)終端中產(chǎn)生的本底及信噪比，結(jié)果如圖8、圖9及表4所示。由圖8、圖9和表4可見，信噪比大于105，滿足實(shí)驗(yàn)基本要求。

表4 2條白光中子束線在相同束斑不同實(shí)驗(yàn)終端內(nèi)的信噪比Tab.4 SNR of two white neutron beams at different experimental terminals in the same beam spot

4 總結(jié)

本文利用中子能譜、中子注量、中子束斑及中子和γ本底的蒙特卡羅模擬，開展了白光中子束線設(shè)計(jì)。2條束線的中子能譜主要分布在0.1～100 MeV范圍內(nèi)，0°方向白光中子束線中0.1～100 MeV的中子占比為94.9%，15°方向白光中子束線中0.1～100 MeV的中子占比為94.5 %。中子能譜偏硬，主要是由中子慢化過程少、散裂靶薄及散裂反應(yīng)后直接引出引起的。散裂反應(yīng)屬于非彈性核反應(yīng)，其中，10 MeV以下中子主要由復(fù)合核蒸發(fā)逸出及裂變產(chǎn)生，10 MeV以上中子主要是由核內(nèi)級聯(lián)作用產(chǎn)生，模擬結(jié)果符合實(shí)驗(yàn)研究結(jié)論。

模擬得到2條白光束線中子注量率，0°方向白光中子束線在距靶心16 m處的中子注量率為5.09×106cm-2·s-1；15°方向白光中子束線距靶心在30 m處的中子注量率為8.19×105cm-2·s-1。經(jīng)屏蔽的2條中子束線實(shí)驗(yàn)終端內(nèi)的中子和γ射線的本底較低，特別是15°方向白光中子束線的實(shí)驗(yàn)終端，束線內(nèi)外的中子信噪比大于105。

同時(shí)，根據(jù)束線光學(xué)設(shè)計(jì)優(yōu)化了中子束線準(zhǔn)直系統(tǒng)，在2條束線的實(shí)驗(yàn)終端內(nèi)得到幾何形狀和均勻性都非常好的圓形中子束斑，2條束線均可實(shí)現(xiàn)直徑30 mm和60 mm準(zhǔn)直束測量，滿足實(shí)驗(yàn)基本要求。

未來將開展中子束線特征參數(shù)的實(shí)驗(yàn)測量，通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與模擬結(jié)果的比較，進(jìn)一步完善實(shí)驗(yàn)平臺，服務(wù)于中子物理實(shí)驗(yàn)。

致謝

在模擬計(jì)算過程中得到了中科院高能物理研究所東莞分部中國散裂中子源敬罕濤副研究員和北京航空航天大學(xué)物理學(xué)院王濤峰副教授的大力支持，在此表示感謝。