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(qiáng) 李曉 李陽 李樣 劉榮 劉樹彬 劉星言 馬應(yīng)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(xué)研究院,核數(shù)據(jù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 102413)

2) (中國科學(xué)院高能物理研究所,北京 100049)

3) (東莞中子科學(xué)中心,東莞 523803)

4) (西北核技術(shù)研究所,西安 710024)

5) (核探測與核電子學(xué)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京100049,合肥 230026)

6) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥 230026)

7) (核物理與核技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京大學(xué)物理學(xué)院,北京 100871)

8) (中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,綿陽 621900)

9) (南華大學(xué),衡陽 421001)

10) (中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)工程與應(yīng)用物理系,合肥 230026)

11) (西安交通大學(xué),西安 710049)

12) (北京航空航天大學(xué),北京 100083)

13) (蘭州大學(xué)核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院,蘭州 730000)

中國散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建設(shè)完工,隨后進(jìn)行了試運(yùn)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(shù)應(yīng)用等多方面的實(shí)驗(yàn).本文報(bào)道對(duì)該中子束的品質(zhì)參數(shù)測量實(shí)驗(yàn)過程以及最終實(shí)驗(yàn)結(jié)果.實(shí)驗(yàn)主要采用中子飛行時(shí)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)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(shí)驗(yàn)測量結(jié)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(gè)實(shí)驗(yàn)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(jié)果的比較探討了以上結(jié)果的合理性,并提出了改進(jìn)計(jì)劃.這些實(shí)驗(yàn)結(jié)果為以后該束線的核數(shù)據(jù)測量和探測器標(biāo)定實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

1 引言

中國散裂中子源(China spallation neutron source,CSNS)是我國一個(gè)大型中子科學(xué)實(shí)驗(yàn)平臺(tái),于2018年5月建設(shè)完工和達(dá)到預(yù)定束流功率,并于2018年8月正式通過國家驗(yàn)收交付使用.CSNS主要技術(shù)指標(biāo)為： 滿功率為100 kW,重復(fù)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(yàn)收指標(biāo)為10 kW.為了充分發(fā)揮CSNS的作用,建設(shè)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M(fèi)eV的范圍,且強(qiáng)度較大,可用于中子核數(shù)據(jù)測量、中子物理實(shí)驗(yàn)研究和核技術(shù)應(yīng)用.本文主要針對(duì)反角白光中子束的參數(shù)及其相關(guān)性能進(jìn)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(shí)驗(yàn)廳如圖1所示.從散裂反應(yīng)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(guān)和一級(jí)準(zhǔn)直器準(zhǔn)直后進(jìn)入實(shí)驗(yàn)廳-1、經(jīng)過二級(jí)準(zhǔn)直器進(jìn)入實(shí)驗(yàn)廳-2.實(shí)驗(yàn)廳-1和實(shí)驗(yàn)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(zhǔn)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(shí)驗(yàn)選用.本文主要針對(duì)用于未來核數(shù)據(jù)測量及中子物理實(shí)驗(yàn)的60 mm直徑中子束斑進(jìn)行測量.

2 反角白光中子束的特點(diǎn)

1)由加速器的設(shè)計(jì)可知[6-8],在正常運(yùn)行的情況下,其質(zhì)子脈沖束頻率為25 Hz,每個(gè)束脈沖又具有雙束團(tuán)結(jié)構(gòu),還可以運(yùn)行在單束團(tuán)工作狀態(tài)下,如圖2所示.

對(duì)于雙束團(tuán)模式,單個(gè)束團(tuán)的半高寬約50 ns,兩束團(tuán)之間的距離約410 ns.在要求高時(shí)間(即能量)分辨的物理實(shí)驗(yàn)中,最好采用單束團(tuán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),如果采用雙束團(tuán)進(jìn)行實(shí)驗(yàn),則需要對(duì)測量結(jié)果進(jìn)行解譜分析.

圖2 一個(gè)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(jì)算得到.圖3給出了束流功率為100 kW時(shí),反角方向75.8 m遠(yuǎn)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M(fèi)eV; 而且高能中子成分還相當(dāng)豐富.考慮到在物理實(shí)驗(yàn)中需采用飛行時(shí)間法(TOF),而脈沖束周期只有40 ms(對(duì)應(yīng)于脈沖束頻率25 Hz)的實(shí)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(shí)間已接近或超過40 ms).由于鎘(Cd)對(duì)熱中子有很高的截面,形成切割效應(yīng),這里是采用在中子束線上游前端放置鎘片的方法實(shí)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(gè)質(zhì)子脈沖產(chǎn)生的γ射線強(qiáng)度高時(shí)間短.模擬計(jì)算表明每個(gè)脈沖內(nèi)伴隨散裂反應(yīng)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(shí)間段內(nèi),對(duì)探測器來講有足夠的響應(yīng)時(shí)間利于測量; 而對(duì)伴生的瞬發(fā)γ射線,無論其能量高低都以光速行進(jìn),因此集中在與質(zhì)子束團(tuán)相當(dāng)?shù)臅r(shí)間范圍內(nèi)(每個(gè)約50 ns).若用探測器在實(shí)驗(yàn)廳進(jìn)行測量,則在約50 ns的時(shí)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(diǎn)有別于以往經(jīng)驗(yàn),對(duì)實(shí)驗(yàn)測量提出新要求,下文具體實(shí)驗(yàn)描述中都會(huì)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(diǎn)： 中子能譜、中子強(qiáng)度和角分布,具體針對(duì)反角白光中子束線就是中子能譜、實(shí)驗(yàn)位置的中子注量率和準(zhǔn)直約束下的中子束斑.對(duì)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(shù)[9-16],并考慮到CSNS反角白光中子束能量范圍寬的特點(diǎn),采用飛行時(shí)間法實(shí)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(yàn)結(jié)果,保證實(shí)驗(yàn)測量的準(zhǔn)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(bǔ)金屬氧化物半導(dǎo)體(CMOS)照相系統(tǒng)進(jìn)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(dǎo)線、進(jìn)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(shí)間信號(hào)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(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓.

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

探測器信號(hào)通過同軸電纜接入前置放大器和成形放大器,然后進(jìn)入讀出電子學(xué)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(shí)濾波放大功能.由于模塊化的設(shè)置,每個(gè)通道可以單獨(dú)選擇前置放大和成形模塊的類型,MSI-8可同時(shí)輸入8路信號(hào),每路輸入信號(hào)對(duì)應(yīng)T(時(shí)間)和E(能量)兩個(gè)輸出信號(hào),如圖5所示,其中負(fù)信號(hào)為T信號(hào),正信號(hào)為E信號(hào).T信號(hào)的上升時(shí)間約70 ns,通過恒比定時(shí)可以得到好于20 ns的定時(shí)精度,滿足測量反角白光中子源的10 MeV以下中子的飛行時(shí)間的需求.

Q熊老師您好! 根據(jù)您之前的答復(fù)，我對(duì)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(rèn)識(shí)，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(shí)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(qǐng)問這是什么原因？

圖6是多層快裂變室的實(shí)驗(yàn)測量時(shí)間信號(hào),左側(cè)兩個(gè)相隔較近的小信號(hào)就是兩個(gè)束團(tuán)的γ-flash,右側(cè)較大的信號(hào)是裂變碎片的信號(hào).通過分析不同的信號(hào)發(fā)現(xiàn),裂變碎片的能量信號(hào)和時(shí)間信號(hào)幅度都很大,α粒子的能量信號(hào)和時(shí)間信號(hào)幅度都較小,而γ-flash的能量信號(hào)很大,時(shí)間信號(hào)遠(yuǎn)小于裂變信號(hào).根據(jù)這一特征,可以比較容易區(qū)分信號(hào)的類型.

2)實(shí)驗(yàn)測量

能譜測量主要在實(shí)驗(yàn)廳-2進(jìn)行,采用單束團(tuán)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(shí)驗(yàn)時(shí)的加速器運(yùn)行參數(shù)與能譜測量基本相同.

裂變室的五個(gè)靶片對(duì)應(yīng)五路輸出信號(hào),這五路信號(hào)進(jìn)入成形放大器MSI-8,MSI-8分別處理每一路信號(hào),并輸出能量信號(hào)E和時(shí)間信號(hào)T.通過調(diào)節(jié)MSI-8的增益,可使E信號(hào)幅度為0—400 mV,而T信號(hào)的信號(hào)幅度在—1500—0 mV之間.把E信號(hào)和T信號(hào)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(gè)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(hào),這樣探測器測得的信號(hào)就和質(zhì)子打靶有了嚴(yán)格的一一對(duì)應(yīng)關(guān)系,保證了中子飛行時(shí)間的精度.

3)數(shù)據(jù)處理和實(shí)驗(yàn)結(jié)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(hào)及其過零時(shí)刻; 確定該有效信號(hào)的中子飛行距離和飛行時(shí)間; 得到中子飛行時(shí)間譜(即裂變率譜); 進(jìn)行探測效率修正得到中子能譜等四個(gè)步驟.

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

圖6 裂變室的時(shí)間信號(hào)Fig.6.The time signal of the fission chamber.

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

b)中子的飛行距離和飛行時(shí)間的確定.根據(jù)實(shí)驗(yàn)測量到的探測器介質(zhì)的特征共振峰位及其與標(biāo)準(zhǔn)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(yīng)γ脈沖和裂變碎片脈沖(即中子到達(dá)時(shí)刻)的相對(duì)位置確定中子的飛行時(shí)間(圖8).中子飛行時(shí)間等于γ脈沖和中子到達(dá)時(shí)刻之間的時(shí)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(hào)的飛行時(shí)間確定示意圖Fig.8.Time determination from fission signal.

c)中子飛行時(shí)間譜(即裂變率譜)的獲得.每一個(gè)周期內(nèi)的有效信號(hào)(即裂變碎片信號(hào))與中子起飛時(shí)刻之差即為中子的飛行時(shí)間.記錄中子數(shù)目隨中子飛行時(shí)間的變化即得到中子飛行時(shí)間譜,即裂變事件率的時(shí)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(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(píng)價(jià)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(jì)算和預(yù)備實(shí)驗(yàn)得到; Np是實(shí)驗(yàn)測量的、引起散裂中子反應(yīng)的總質(zhì)子數(shù); K是束流功率100 kW時(shí)對(duì)應(yīng)的單位時(shí)間的質(zhì)子數(shù),其值為3.9×1014/s.對(duì)各能量區(qū)間的中子完成計(jì)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(jī)構(gòu)(IAEA)推薦的標(biāo)準(zhǔn)截面數(shù)據(jù)在低能量區(qū)間,6Li (n,ɑ)T反應(yīng)產(chǎn)生的兩個(gè)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(jié)構(gòu)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(duì)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(duì)稱放置8個(gè)金硅面壘型探測器,用于測量反應(yīng)帶電粒子,同時(shí)保證探測器不在中子束線內(nèi).每個(gè)探測器靈敏面積20 mm × 20 mm,每個(gè)探測器的過中心法線通過6LiF靶的中心.中子同6Li反應(yīng)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(jié)構(gòu)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(jié)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(diǎn)代表用238U裂變室測得的結(jié)果,覆蓋1.1 MeV以上能區(qū).整個(gè)中子能譜與實(shí)驗(yàn)前的模擬計(jì)算結(jié)果基本一致.

圖11 實(shí)驗(yàn)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(jié)合質(zhì)子束流值和功率,得到實(shí)驗(yàn)廳-1 (距離散裂中子靶站55 m) 在100 kW滿功率運(yùn)行時(shí)的中子注量率為 1.75×107s—1·cm—2,實(shí)驗(yàn)廳-2 (距離散裂中子靶站75.8 m)在100 kW滿功率運(yùn)行時(shí)的中子注量率為 7.03 × 106s—1·cm—2,不確定度約為3%,兩個(gè)測量廳的不確定度會(huì)有少許變化,主要因?yàn)橹凶邮吆湍茏V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(jī)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(duì)快中子響應(yīng); 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(duì)低能中子響應(yīng).

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(jī),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(shí)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(gè)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(shí)驗(yàn)時(shí)需如圖13所示.觸發(fā)信號(hào)由每個(gè)周期的觸發(fā)信號(hào)提供,相機(jī)延遲采用內(nèi)部延遲,結(jié)合相機(jī)的延遲時(shí)間以及門寬來進(jìn)行中子飛行時(shí)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(shí)間關(guān)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(jié)果

圖像處理內(nèi)容包括圖像預(yù)處理、系統(tǒng)性能標(biāo)定和束流剖面判定尺寸判讀等環(huán)節(jié).圖像預(yù)處理包括： 尺寸標(biāo)定、γ斑點(diǎn)(亮白點(diǎn))去除和本底扣減等內(nèi)容.在此基礎(chǔ)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(biāo)定主要指系統(tǒng)的空間分辨能力,本實(shí)驗(yàn)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(yàn)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(duì)束流輪廓、尺寸的影響,不同能量不同計(jì)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(jié)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(duì)中子束輪廓判斷、尺寸大小和均勻性進(jìn)行了評(píng)估和定量分析,并對(duì)中子重點(diǎn)能區(qū)的能譜(0.1—20.0 MeV)進(jìn)行了初步實(shí)驗(yàn)研究.在束斑直徑理論值為Φ50 mm的實(shí)驗(yàn)廳-1 (距中子靶55 m),實(shí)驗(yàn)測得的半高值(FWHM)對(duì)應(yīng)的中子束斑值為Φ55 mm,峰值強(qiáng)度約75%時(shí)對(duì)應(yīng)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(shí)驗(yàn)廳-2 (距中子靶75.8 m),實(shí)驗(yàn)測得的半高值(FWHM)對(duì)應(yīng)的中子束斑值為Φ63 mm,峰值強(qiáng)度75%時(shí)對(duì)應(yīng)的束斑直徑為Φ60 mm,也與理論值一致.進(jìn)一步分析表明,束斑的輪廓尺寸與中子能量無關(guān),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(qiáng)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(guān).剖面上的全能區(qū)中子束強(qiáng)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(shí)驗(yàn)結(jié)果討論

CSNS反角白光中子平臺(tái)的建設(shè)完成,對(duì)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(duì)加速器及束線前期設(shè)計(jì)起著檢驗(yàn)作用,為未來的核數(shù)據(jù)測量及核物理實(shí)驗(yàn)提供基礎(chǔ)的參數(shù),對(duì)實(shí)驗(yàn)的設(shè)計(jì)以及數(shù)據(jù)處理意義重大,必須得到準(zhǔn)確測量結(jié)果.目前通過測量給出了初步實(shí)驗(yàn)結(jié)果,分別給出了中子能譜、中子注量和中子束流剖面等結(jié)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(gè)核素探測介質(zhì)得到的結(jié)果互相符合得很好,而3個(gè)核素的截面不確定度很好,說明測量結(jié)果是可信的.實(shí)驗(yàn)結(jié)果有4項(xiàng)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(jì)不確定度2%,標(biāo)準(zhǔn)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(jié)果符合事先模擬計(jì)算[7]的結(jié)果(圖15),在束暈直徑和灰度值分布上模擬和實(shí)驗(yàn)一致.

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

5 結(jié) 論

目前得到的CSNS反角白光中子束流特征實(shí)驗(yàn)結(jié)果是初步的.對(duì)于中子能譜和注量率的測量尚存在兩個(gè)問題： 低能區(qū)中子能譜是重點(diǎn)關(guān)注對(duì)象,特別是對(duì)其可能存在的固有的結(jié)構(gòu)需要精確掌握,用6Li-Si探測器是合適的,但是其設(shè)計(jì)存在缺陷,后面測量改進(jìn)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(jié)構(gòu)材料,同時(shí)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(shí)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(shí)驗(yàn)結(jié)果來驗(yàn)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(biāo)準(zhǔn)截面的探測介質(zhì)來進(jìn)行進(jìn)一步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證.對(duì)于中子束流剖面測量,需要做出各能量區(qū)間標(biāo)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(jié)果.

實(shí)驗(yàn)準(zhǔn)備和測量過程中,感謝中國原子能科學(xué)研究院的唐洪慶和周祖英兩位老師的悉心指導(dǎo),感謝探測器標(biāo)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(jiān)守崗位.