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(guó)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(guó)原子能科學(xué)研究院 國(guó)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(cè)量、基礎(chǔ)核物理實(shí)驗(yàn)、中子輻照效應(yīng)研究及探測(cè)器標(biāo)定等研究領(lǐng)域。中國(guó)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(tái)。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(cè)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(cè)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(kù)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(jí)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(duì)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(jí)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(shì)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(cè)量時(shí)，根據(jù)測(cè)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(zhǎng)度和中子能譜特點(diǎn)，采用2級(jí)準(zhǔn)直方式，即在中子靶出碉堡區(qū)放置第一個(gè)初級(jí)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(jiǎn)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(jí)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(cè)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(jí)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(jí)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山频刃в谑叱叽?，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(cè)量實(shí)驗(yàn)的環(huán)境本底對(duì)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(cè)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(jí)作用。本底的大小直接影響實(shí)驗(yàn)的精度，對(duì)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(jí)，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(zhǎng)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(jí)反應(yīng)產(chǎn)生，γ射線的影響需根據(jù)測(cè)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(jí)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(cè)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(cè)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(tái)，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(guó)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。