中子導管末端中子束角發散分布規律研究

王 雨，王洪立，劉蘊韜，孫 凱，魏國海，賀林峰，韓松柏，陳東風

（中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413）

中子導管末端中子束角發散分布規律研究

王 雨，王洪立，劉蘊韜，孫 凱，魏國海，賀林峰，韓松柏＊，陳東風＊

（中國原子能科學研究院核物理研究所，北京 102413）

本文針對常被忽略的中子導管末端束流角發散現象，基于全反射光學幾何原理推導了準確描述中子束角發散分布規律的理論公式，揭示了角發散分布不連續特性的本質是源于導管系統中空間間隔的影響。利用蒙特卡羅模擬軟件建立計算模型，驗證了公式的正確性。模擬結果發現，角發散分布的不連續性將引起使用光闌的光路系統樣品處中子強度空間分布不均勻，甚至出現柵格暗紋效應。依據理論解析公式，提出了優化角發散分布從而減小或消除暗紋效應的方法。

中子導管；角發散；蒙特卡羅模擬；中子照相

中子導管利用中子全反射原理將中子束以較小的傳輸損失傳遞到距中子源較遠的裝置，在中子散射工程中起著重要作用。目前，世界上約2／3的中子譜儀安裝在導管后端［1］。通常，利用蒙特卡羅模擬方法［2］計算優化導管末端的中子束流通量、均勻性以及導管系統的幾何空間布局［1，3－8］。但對于導管系統末端中子角發散的研究少見報道。本文從導管傳輸的基本原理出發，針對導管傳輸系統中的空間間隔對中子束角發散分布的影響，推導中子輸運至導管末端角發散分布的理論公式，描述導管傳輸角發散分布不連續的性質。依據該公式中各變量間的影響關系，提出有效減小或消除角發散分布不連續性的幾種方法，旨為今后中子導管的設計和應用提供必要的理論依據。

1 導管末端中子束角發散分布的理論分析和模擬驗證

1.1 理論解析公式推導

穩定中子源產生的中子，經屏蔽體內孔道和導管系統傳輸，供中子儀器使用。一般，一臺或多臺中子譜儀共用一條中子束線。在屏蔽體內孔道入口至導管末端出口的整個中子傳輸路線中，由于條件限制或實際需要，通常會設置不連續的間隔，如為避免堆內孔道內強輻射場對導管造成的嚴重損害，堆內不放置導管或僅放置部分導管，造成中子源和導管入口之間的間隔；放置中子束閘門、單色器和機械速度選擇器等設備的空間等均會形成導管之間的間隔。

以上述第1種情況為例，反應堆產生的中子由慢化體慢化后，經堆內孔道和旋轉門內孔道后傳輸至反應堆堆口，堆外可接中子導管，將中子引入空間更寬闊的導管大廳，供更多譜儀使用。由此建立的幾何布局如圖1所示。

圖1 反應堆中子導管系統幾何布局Fig.1 Layout of reactor neutron guide system

中子導管末端任意一點探測到的中子來源示于圖2。為能清晰直觀地分析導管末端任意一點O探測到的中子的角發散，圖2中只給出從下至上傳輸的中子，并定義由導管右壁反射后射向O點的中子入射角度為正。中子從慢化體傳出，經堆內孔道和中子導管的傳輸，最終到達導管末端。末端截面上任意一點O探測到的中子來源包括中子源直接入射的中子和經導管反射后入射的中子。

圖2 中子導管末端任意一點探測到的中子來源Fig.2 Neutron source of any point at the end of neutron guide

對于O點上來自中子源直接入射（圖2中點線）的中子，根據幾何關系可得出，其正、負角度覆蓋范圍如下。

其中：Ws為中子源尺寸；x為O點水平位置坐標；Lguide為中子導管長度；Lsp為中子源和導管入口之間的距離。

O點上來自導管反射的中子隨入射到導管內中子角度的逐漸增大以及導管長度的增加，在導管內發生全發射的次數也逐漸變化。首先，根據入射中子角范圍和導管的特征參數判斷中子在導管內發生反射的次數，然后確定其角發散分布。

圖3 中子多次反射幾何示意圖Fig.3 Schematic diagram of neutron multiply reflection

中子在導管水平面內能反射的次數取決于入射中子的角度范圍、導管的長度、截面寬度Wg、中子超鏡的全反射臨界角度參數m以及中子波長λ。圖3為中子多次反射幾何示意圖，中子與導管兩側壁發生鄰近兩次反射經過的水平距離，即飛行經過的中子直導管長度，最短（此時的反射角為該波長中子的臨界角mθcλ）為：

其中，θc為中子導管鍍層為Ni時的單位波長中子的臨界角，其值為0.99°／nm。

對于某一波長λ，當中子入射角度范圍大于其mθcλ時，中子在導管內能發生全反射的最大次數Nmax為：

其中：±對應來自導管兩側壁的反射；Floor函數表示向下取整。當中子入射角度范圍小于該波長對應的mθcλ時，根據入射角最大對應的中子波長（λ＝θin，max／mθc）及式（4）計算全反射的最大次數。

根據圖2所示的幾何條件可推導出前N次中子反射的正、負角度分布公式如下：

N為大于等于1的正整數，相鄰兩次反射之間的正、負角度間隔公式如下。

依據上述推導的公式可看出，當導管前端與中子源存在一定間隔時，入射到導管上的中子角度受到限制，導致堆內孔道入口的中子源直接入射到導管末端截面上任一點的中子覆蓋的角度和導管一次反射之間以及一次反射和二次反射之間等，均存在一定的角度分布不連續性，即有角度間隔。而間隔的多少取決于中子在導管中發生全發射的次數。間隔的大小因反射的次數和位置的不同而不同，N越大，間隔越大；x越大，正角度間隔越大，負角度間隔越小。

以上公式的推導雖只考慮中子導管傳輸系統中前端堆內孔道間隔對末端角發散分布帶來的不連續分布的影響，但可推知，在導管傳輸系統中存在的任何空隙（如為安裝其他設備的間隔空間和導管單元之間的安裝精度間隔）均會導致導管末端角度分布不連續的現象。

1.2 角發散分布公式的蒙特卡羅模擬驗證

建立圖4所示模型，采用熱中子源進行驗證，其注量率為8×1014cm－2·s－1，能譜服從麥克斯韋分布。Lsp為3.4m，λ為0.1～1nm，中子直導管四壁材料采用m＝3的超鏡，長度為20m，導管的截面水平寬度為0.09m。

圖4 中子導管末端角發散分布公式驗證的幾何模型Fig.4 Geometric model for verification of angular divergence distribution formula at the end of neutron guide

對于該模型，根據理論公式推算出導管末端角發散分布情況為：1）角發散分布間隔數（全反射次數）。計算得到能入射到中子導管內并發生反射的中子束最大入射角度為1.52°，以該角度為臨界角，根據式（4）可得，導管中心位置（x＝0）處探測的來自導管反射的中子中最大反射次數向下取整為6，即正、負角發散分布間隔數均為6。2）間隔大小變化趨勢。隨反射次數的增加，間隔大小逐漸增加；隨x由負向正變化，正角度間隔逐漸增加，負角度間隔逐漸減小。

采用國際通用的McStas軟件對該模型進行模擬計算，在導管末端放置4種探測器，分別用于探測導管末端中子束強度和空間分布的均勻性、全截面平均水平角發散、一維位置敏感水平角發散及中子導管截面中心局部面積的平均水平角發散情況。為提高模擬效率，僅對飛行方向能進入堆內導管入口的中子抽樣。同時，為獲取在導管系統中無間隔情況下，導管末端中子束的角發散分布情況，將上述模型中中子源和導管入口之間的間隔替換為導管。有間隔導管系統的模擬結果如圖5所示，連續導管系統的模擬結果如圖6所示。

圖5a、b分別示出了有間隔導管末端中子束分布的均勻性和全截面平均水平角發散分布。模擬計算表明，20m長的直導管末端的中子強度空間分布較均勻，全截面內平均角發散在±1.5°內滿足高斯分布。角發散分布間隔數模擬結果如圖5d所示，導管中心1cm2范圍內，正、負角發射分布間隔（圖5d中箭頭所指）數均為6，與理論公式推出的結果一致；角發散分布間隔變化趨勢如圖5c所示，正、負角發散的第6次間隔最大，在x由－4.5cm向4.5cm變化的過程中，正角度間隔逐漸變大，負角度間隔逐漸減小，與理論公式推出的變化趨勢完全符合。

圖6a、b、c、d分別示出了連續中子導管系統有間隔導管末端中子束流分布的均勻性、全截面平均水平角發散分布、角發散分布間隔變化趨勢、角發散分布間隔數模擬結果。模擬計算表明，末端各點的中子束角發散分布均連續，即使小截面內的平均中子角分布也是連續的高斯分布。

圖5 有間隔導管系統末端中子束角發散分布Fig.5 Angular divergence distribution of neutron beam for neutron guide system with gap

圖6 連續導管系統末端中子束角發散分布Fig.6 Angular divergence distribution of neutron beam for continue neutron guide system

2 角發散分布不連續效應分析

比較圖5b、d可知，導管全截面范圍內的平均中子角發散無明顯效應，但導管末端中心1cm2截面內的平均角發散分布卻效應顯著。在實際使用中，不同中子譜儀使用末端全截面或部分截面內的中子束。本文將使用McStas建立模擬模型，進一步計算不同截面面積的中子束的平均角發散分布情況。

模擬模型的導管幾何結構參數與圖4所示的一致，但在導管末端分別放置尺寸為9cm× 9cm（全截面）、4.5cm×4.5cm、2cm×2cm、1cm×1cm及0.5cm×0.5cm的光闌，并在光闌后直接放置角發散探測器，以探測通過光闌后的中子束x方向（在不考慮重力因素的情況下，與y方向角發散一致）的角發散平均分布，并在距離光闌4m位置放置二維位置靈敏探測器，以探測中子強度的空間分布均勻性。有間隔導管系統使用不同光闌尺寸后中子束角發散分布和強度空間分布如圖7所示。

圖7表明，隨光闌尺寸逐漸減小，導管末端中子角發散分布不連續的效應逐漸顯著，光闌較小時不連續角發散將導致中子通量分布不均勻，形成柵格暗紋現象，這將對譜儀分辨和數據分析產生較大負面影響。中子照相和小角散射的光路結構中均在導管末端采用較小的光闌，由此導致的中子通量分布不均勻現象在德國HMI冷中子照相設備CONRAD［9］及FRMⅡ的42m長小角散射儀器（SANS）［10］的樣品處均被探測到（圖8）。因此，充分考慮導管末端中子束的角發散分布效應的影響，非常有必要優化導管參數。

圖7 有間隔導管系統中子束角發散分布（a）和強度空間分布（b）Fig.7 Angular divergence distribution（a）and phase space distribution（b）for neutron guide system with gap

圖8 德國HMI冷中子照相設備CONRAD平場圖像（a）和FRMⅡ的小角散射儀器樣品處中子束流圖像（b）Fig.8 Beam profile flat－field of CONRAD in HMI（a）and beam profile at sample positionof SANS in FRMⅡ（b）

3 減小或消除角發散分布不連續效應的方法

通過描述可見，導管系統中的空間間隔將導致導管末端中子束角發散分布不連續，進而導致中子強度空間分布不均勻，影響譜儀的分辨和數據分析。因此，減弱和消除角發散分布不連續性十分必要。

通過式（7）、（8），可得到：

依據上述公式可知，在N和x確定情況下，即對于某一特定的角度間隔，通過優化導管傳輸系統的幾何結構參數，如增加中子源尺寸Ws、減小中子導管截面尺寸Wg、增加中子導管長度、減小中子源和導管入口之間距離Lsp等，均能有效減小中子角分布的間隔，減弱和消除角發散分布不連續效應。

4 小結

本文從中子導管傳輸中子的基本原理出發，通過解析方法推導出中子導管末端截面上各點中子束角發散分布公式，發現當中子導管傳輸系統中存在空間間隔時，導管末端中子束的角發散分布將出現不連續分布。應用McStas軟件開展蒙特卡羅模擬研究，其結果證明了所推導理論公式的正確性，并揭示了角發散分布不連續將導致在導管末端使用光闌的設備（如中子照相和小角中子散射）樣品處中子強度分布出現明顯的不均勻效應。利用推導的理論公式，提出了解決角發散分布不連續的方法。本文針對導管傳輸系統角發散分布性質開展的研究結果，將為中子導管的設計和應用提供有益的參考和指導。

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Research on Angular Divergence Distribution of Neutron Beam at the End of Neutron Guide

WANG Yu，WANG Hong－li，LIU Yun－tao，SUN Kai，WEI Guo－hai，HE Lin－feng，HAN Song－bai＊，CHEN Dong－feng＊
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box275－30，Beijing102413，China）

The theoretical formulae were deduced based on the principle of total reflection optical geometry，and they can accurately depict the angular divergence distribution of any point at the end of the neutron guide.The theoretical formulae were verified by Monte Carlo simulation.The simulation results show that the angular divergence distribution discontinuous nature will cause the inhomogeneous spatial distribution of the neutron intensity at the sample position，even result in grid dark lines effect.Finally，according to the theory of analytic formula，several effective methods were given，which can reduce or eliminate the grid dark lines effect.

neutron guide；angular divergence；Monte Carlo simulation；neutron radiography

O571.56

A

：1000－6931（2015）02－0234－06

10.7538／yzk.2015.49.02.0234

2013－12－10；

2014－03－06

973計劃資助項目（2010CB833101）；國家自然科學基金資助項目（11375271）；中國原子能科學研究院院長基金－青年英才培育基金資助項目（16YC－201303，16YC－201302）

王 雨（1985—），男，吉林通化人，助理研究員，博士研究生，中子散射專業

＊通信作者：韓松柏，E－mail：hansb＠ciae.ac.cn；陳東風，E－mail：dongfeng＠ciae.ac.cn