韓長材，歐陽曉平，張顯鵬，宋朝暉，鮑 杰，嚴維鵬

(1.西北核技術研究院，陜西 西安 710024；2.中國原子能科學研究院，北京 102413)

2018年8月23日，中國散裂中子源(CSNS)正式通過了國家驗收。與此同時，中國科學院高能物理研究所、中國原子能科學研究院、中國工程物理研究院、西北核技術研究院以及中國科學技術大學等5家單位合作，在質子束反角方向上建立的一條核數(shù)據(jù)測量專用中子束管道(反角白光中子源，Back-n源)也正式對用戶開放。反角白光中子源有兩個實驗終端，分別位于約55 m和75 m處(ES1和ES2)，可開展核數(shù)據(jù)測量等工作。反角白光中子源的建設不僅填補了我國核數(shù)據(jù)測量用白光中子源的空白，也為提高我國核數(shù)據(jù)測量水平、開展先進核裝置設計和中子物理診斷研究提供了重要支撐[1-3]。用于核數(shù)據(jù)測量的白光中子源，除需要有較高的中子強度和較小的實驗本底外，還要有較好的束流品質。一般情況下，測量核反應截面所用的樣品量較少，樣品面積較小。為準確獲得樣品處的中子注量率，要求中子束有較好的束斑形狀：束斑內有較好的均勻性，束斑邊緣較陡峭等。為此，本文對中子束斑特性參數(shù)進行實驗測量和定量分析。

1 CSNS反角白光中子源

中國散裂中子源由質子加速器驅動，加速器主體包括1臺80 MeV的負氫直線加速器、1臺1.6 GeV的快循環(huán)質子同步加速器、2條質子束流輸運線等。中國散裂中子源第1期的設計束流功率為100 kW，脈沖重復頻率25 Hz，質子流強62.5 μA，質子束轟擊鎢靶，發(fā)生散裂反應而放出中子，總的中子注量率高達2.0×1016cm-2·s-1。CSNS的質子脈沖共3種運行模式：普通模式、窄束團模式和單束團模式[1-2]。普通模式為雙束團模式，由2個相隔約410 ns且半高寬約50 ns的單束團組成。CSNS反角白光中子束線上有3個中子準直裝置，分別是中子開關、準直器1和準直器2，分別位于反角中子通道前端、ES1前墻外和ES2前墻外，如圖1所示。通過中子開關和準直器的配合，可在實驗終端ES2處獲得3種不同幾何形狀的中子束斑，分別是直徑30 mm和60 mm的圓形束斑以及邊長90 mm的正方形束斑[2-3]。ES1與ES2的束斑形狀相同，只是幾何尺寸略小。表1列出了準直系統(tǒng)的孔徑和實驗終端的束斑尺寸。從質子束流的反角方向出射的大部分中子未經過慢化體和反射層，具有很寬的能譜和較高的注量率。CSNS反角出射中子的能量在熱中子到幾百MeV之間，峰值在1 MeV附近，如圖2所示。

圖1 CSNS反角白光中子源布局圖Fig.1 Layout of CSNS Back-n source

ES1束斑尺寸/mmES2束斑尺寸/mm中子開關尺寸/mm準直器1尺寸/mm準直器2尺寸/mmES1中子注量率/(cm-2·s-1)ES2中子注量率/(cm-2·s-1)直徑20直徑30直徑12直徑15直徑402.20×1067.81×105直徑50直徑60直徑50直徑50直徑584.33×1071.36×107邊長75×50邊長90×90邊長78×62邊長76×76邊長90×905.98×1072.18×107

圖2 CSNS反角白光中子能譜Fig.2 Spectrum of CSNS Back-n

2 中子束斑測量

CSNS反角白光中子束斑特性參數(shù)可為開展核數(shù)據(jù)測量等物理實驗調試提供數(shù)據(jù)參考，因此需在開展正式實驗前對其進行定量測量[1-3]。目前，基于CSNS Back-n在建的中子束斑測量系統(tǒng)包括閃爍陣列探測器+多陽極光電倍增管測量系統(tǒng)(MAPMT, multi-anode photo-amplifier)、MICROMEGAS探測器[4-6]。目前MAPMT有256個計數(shù)單元，組成了16×16的二維陣列，測量直徑60 mm中子束斑時，空間分辨約2.8 mm。如果增加更多的計數(shù)單元，同時實現(xiàn)放大通道并行化，MAPMT將能達到更好的空間分辨。MICROMEGAS探測器具有較高的空間分辨、良好的時間分辨和高計數(shù)率等特點，其空間分辨可達幾十μm[5]。目前建設中的MICROMEGAS測量系統(tǒng)的空間分辨約1 mm。為滿足精度較高的核數(shù)據(jù)測量等工作，根據(jù)實驗要求，同時建立了一套空間分辨小于1 mm的基于門控增強型CMOS中子成像系統(tǒng)，利用像增強器的脈沖選通特性和中子飛行時間方法測量得到具有一定時間分辨能力的中子束斑圖像[4]。

3 成像系統(tǒng)和方法

3.1 實驗裝置

成像系統(tǒng)位于反角白光中子源實驗終端處，由圖像轉換屏、反射鏡、主物鏡、門控增強型CMOS相機等組成。實驗原理如圖3所示。圖像轉換屏采用了兩種類型的閃爍屏：直徑150 mm、厚10 mm的EJ-230塑料閃爍體(H∶C=1.104)和直徑150 mm、厚0.32 mm的EJ-426薄片熱中子屏(6LiF/ZnS)。在下文中，除特別指明外，所有實驗和測量均采用EJ-230塑料閃爍體作為圖像轉換屏。主物鏡為Nikon 50 mm F1.8，相機為安道爾公司的iStar sCMOS，陣列大小2 560×2 160，像素尺寸6.5 μm，全幅幀頻50 Hz，圖像灰度16 bit。

圖3 實驗原理圖Fig.3 Principle of experimental arrangement

3.2 成像系統(tǒng)參數(shù)設置

1) 觸發(fā)模式及時序

為獲得具有時間分辨能力的中子束斑圖像，需要CMOS工作在外觸發(fā)模式。觸發(fā)信號由放置在圖像轉換屏后端約1 m處的中子束流通道中的伽馬探測器提供，它探測到雙束團的第1個γ-flash信號后，再經過恒比定時器產生脈沖觸發(fā)信號，利用相機門控系統(tǒng)的脈沖選通特性，選擇不同的延遲時間和曝光時間，最終測量得到特定能區(qū)的中子束斑圖像。通過分析成像系統(tǒng)靈敏度可知，實驗終端處束斑強度無法滿足1個脈沖就能獲得高質量圖像的要求。因此，相機采用IOC工作模式，即在1個曝光周期內，像增強器完成多次開關門(單曝光時間)，采集多個脈沖信號后在CMOS傳感器上疊加(圖4)。除此之外，相機單個曝光周期最長時間為30 s，累加多個曝光周期后最終一次讀出信號。這種方式極大提高了圖像信噪比。圖4中，ΔT1為伽馬飛行時間和同步觸發(fā)系統(tǒng)的內部延遲，約176 ns；ΔT2為雙束團間隔時間，約410 ns。

2) 曝光時間

圖像數(shù)據(jù)由中子信號和本底噪聲組成。中子信號服從泊松分布，其均值和方差相等，與曝光時間呈正比。本底噪聲均值與曝光時間呈正比，方差與曝光時間近似為二次函數(shù)關系[7]。分別采集曝光時間為600、900、1 800、3 600、7 200 s的本底圖像，計算得到其方差，通過二次多項式擬合，得到以曝光時間t為自變量，本底方差為因變量的二次函數(shù)關系式，擬合結果如圖5a所示。由圖2知，CSNS反角白光中子能譜峰值在1 MeV附近，選擇1～2 MeV能量區(qū)間進行中子束斑圖像數(shù)據(jù)采集，當曝光時間為900 s時，信號強度均值約200ADU。通過進一步分析可得到圖像信噪比(SNR)與曝光時間的關系曲線，如圖5b所示。從圖5b可看出，SNR極限值為19.5，曝光時間大于3 600 s后圖像SNR增加的幅度不大。因此，本實驗中成像系統(tǒng)曝光時間設置為3 600 s。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

CMOS相機用于長時間曝光時必須考慮暗電流噪聲、暗白點噪聲等對圖像數(shù)據(jù)的影響，因為即使在沒有入射光情況下，這類本底噪聲的強度也與曝光時間呈正比。圖6a、b示出了曝光時間3 600 s情況下的本底圖像和在束測量圖像的直方圖?？煽闯觯狈綀D均呈現(xiàn)出長拖尾現(xiàn)象。Konnik等[7]總結給出，CMOS圖像傳感器工作在短時間曝光下(<1 s)，直方圖分布可用高斯分布或對數(shù)正態(tài)分布表征；隨曝光時間的增加，其表征為單一伽馬分布或伽馬分布、高斯分布和均勻分布等3種分布的疊加結果，伽馬分布為長拖尾分布。除此之外，在束斑測量過程中，CMOS受到散射射線的電離輻照效應會產生非可見光引起的電荷輸出，在輸出圖像上會產生隨機脈沖噪聲。這種隨機脈沖噪聲在空間位置分布上是隨機的，在直方圖上區(qū)別于高斯噪聲分布，也會呈現(xiàn)出長拖尾特征[8-9]。綜上所述，本底噪聲和散射射線噪聲的直方圖表征基本相同，它們的存在會對測量數(shù)據(jù)的定量分析帶來一定影響，可通過中值濾波、菱形濾波、非本地均值方法、自適應方法和消波裁剪濾波等方法加以去除[8-12]。本文采用消波裁剪濾波方法，考慮到該方法對較大斑點無法處理的局限性，結合多次迭代、分塊本地自適應計算統(tǒng)計的方法來實現(xiàn)噪聲識別和去除[10-11]。圖6a、b分別給出了應用改進消波裁剪濾波算法后的本底和圖像數(shù)據(jù)直方圖，長拖尾已基本去除。圖6c、d分別示出了典型的去除噪聲前、后的束斑圖像。利用Buades等[12]提出的方法噪聲(method noise)標準進一步分析表明，去噪前、后圖像的差值結果并未發(fā)現(xiàn)明顯的圖像信息損傷。

圖4 普通模式下相機同步觸發(fā)時序Fig.4 Synchronous trigger timing at normal mode

圖5 本底方差(a)和圖像信噪比(b)隨曝光時間的變化關系Fig.5 Variation of background (a) and SNR (b) of experiment vs exposure time

3.4 成像系統(tǒng)性能標定

1) 中子能量響應

反角白光中子能譜分布寬，一般利用飛行時間法測量中子能量響應，測點位置中子能量及能量分辨率結合延遲時間和曝光時間換算獲得。束斑測量過程中，CSNS工作在普通模式下，測點處中子注量是前、后兩個束團的疊加?？紤]到前、后兩個束團的時間間隔約410 ns，成像系統(tǒng)開關門時刻選擇對應前一束團，后一束團貢獻的份額必須進行時間校正。由于不同能量中子的熒光效率不同，采用NRESP7程序計算不同能量中子作用于EJ-230時的相對光輸出[13]，并與對應能譜強度一一相乘，可計算得到前、后兩個束團的熒光產額(表2)。表2中同時列出了束斑中心區(qū)域半徑5 mm內的灰度統(tǒng)計均值。為更好地進行理論值與實驗值的對比，全部結果歸一到1～2 MeV能區(qū)。計算過程中，后一束團貢獻份額需先與前一束團貢獻份額進行疊加求和后再進行歸一化處理。表2中列出了6個能區(qū)的對比結果，實驗值和理論值吻合較好。該實驗方法為今后成像系統(tǒng)靈敏度標定或相關的實驗設計提供了方法借鑒和數(shù)據(jù)參考。

2) 調制傳遞函數(shù)

首先采用鎢分辨卡測量得到退化臺階像獲取邊緣擴展函數(shù)ESF，然后微分得到線擴展函數(shù)LSF，再經過一維傅里葉變換得到系統(tǒng)的調制傳遞函數(shù)MTF，如圖7所示。鎢分辨卡貼近圖像轉換屏放置，中子束可近似為平行入射。鎢分辨卡上均勻地排列著5組寬度相等、厚度為10 mm的鎢質材料做成的柵條，柵條的間距等于柵條的寬度。1條柵條和與它相鄰的1個間距構成1個線對(line pair，LP)。線對的空間分辨率從上到下依次為0.25、0.50、1.0、1.5、2.0 LP/mm。以MTF為0.2對應的空間頻率來確定系統(tǒng)的空間分辨，計算得到圖像轉換屏分別為EJ-230、EJ-426時對應系統(tǒng)的空間分辨率為0.5、1.1 LP/mm。

4 測量結果及數(shù)據(jù)分析

定量分析束斑輪廓、尺寸、非均勻性和對稱性等特性參數(shù)。實驗數(shù)據(jù)處理流程主要包括本底扣除、噪聲去除、利用基于Hough變換的圓檢測算法計算給出束斑的圓心位置及半徑等過程。

4.1 中子能量對束斑輪廓的影響

研究中子能量對束斑輪廓的影響時，采用二維圖像進行一維投影的方法，分析束斑形狀是否發(fā)生明顯變化。圖8示出了束斑圖像沿垂直方向和水平方向上的一維投影?？煽闯?，不同能區(qū)的束斑對應的一維投影雖略有不同，但差異不大，因此可認為束斑輪廓與中子能量無關。

圖8 束剖面的水平(a)、垂直(b)方向一維投影Fig.8 1D horizontal (a) and vertical (b) projections of beam profile

4.2 束斑輪廓判定及尺寸測量

由4.1節(jié)知，束斑輪廓與中子能量無關。圖9示出了在中子開關為50 mm、準直器1為50 mm、準直器2為58 mm的實驗條件下某能區(qū)的束斑圖像、垂直剖面線和水平剖面線。圖9a為ES1處測量結果，中間虛線為圓心位置，兩側虛線對應半徑為27.5 mm的FWHM圓，兩側點劃線對應半徑為25 mm的圓，點劃線位置約對應峰值強度的75%。圖9b為ES2處測量結果，中間虛線為圓心位置，兩側虛線對應半徑為31.5 mm的FWHM圓，兩側點劃線對應半徑為30 mm的圓，點劃線位置約對應峰值強度的75%。表3對測量結果和理論值進行了對比。從圖9還可看出，束斑邊緣較陡峭，呈臺階狀，與理論計算的束斑形狀基本一致[2-3,14]。

圖9 ES1(a)和ES2(b)束斑圖像和剖面線Fig.9 Distribution and profile of beam profiles at ES1 (a) and ES2 (b)

表3 束斑尺寸測量結果與理論值對比Table 3 Measurement result vs theoretical value for beam profile size

4.3 束斑非均勻性分析

通過霍夫變換算法給出束斑圓心位置，然后計算計數(shù)圈半徑分別為5.0、10、15、20、25 mm時束斑的非均勻性。非均勻性計算公式為：

非均勻性=Std/Mean

式中：Std為計數(shù)圈內的灰度值統(tǒng)計標準偏差；Mean為相應計數(shù)圈內的灰度值統(tǒng)計均值。

表4列出了束斑非均勻性統(tǒng)計結果?？煽闯觯叻蔷鶆蛐噪S計數(shù)圈半徑增大而逐漸加大；計數(shù)圈半徑小于20 mm時，即束斑中心80%的區(qū)域，束斑非均勻性小于10%，且與中子能量無關。

表4 束斑非均勻性Table 4 Non-uniformity of beam profile

4.4 束斑圓心與“重心”偏差分析

理想情況下，束斑圓心位置應與其“重心”位置一致。實際上，由于束流通道上準直器的安裝或復位精度、質子束特性、場磁鐵設計等相互間的復雜作用，均會使二者產生偏離[1-3,14-17]。以束斑圓心為參考點，分別對比了不同計數(shù)圈內左右部分、上下部分的相對計數(shù)差。表5列出了圖9a的統(tǒng)計結果，表中總強度即為灰度?？煽闯觯邎A心與“重心”相對偏差不大，左右相對偏差或上下相對偏差皆小于2.2%。

表5 束斑圓心與“重心”偏差分析Table 5 Difference of center of beam profile and “center of gravity”

5 總結

采用飛行時間法原理，建立具有時間分辨能力的成像測量系統(tǒng)，得到了較高空間分辨率的CSNS Back-n束斑圖像，并對束斑輪廓、尺寸、非均勻性等特性參數(shù)進行定量分析，滿足了CSNS反角白光中子源實驗終端的需求。此外，束斑圖像反映了中子強度的二維空間分布情況，能為成像系統(tǒng)靈敏度評價、實驗調試和較高精度的核數(shù)據(jù)測量提供參考依據(jù)。下一步需進一步開展單束團實驗，為相關部門提供更準確的參考信息。