唐靖宇,安 琪,白懷勇,鮑 杰,曹 平,陳琪萍,陳永浩,程品晶,崔增琪,樊瑞睿,3,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,季筱璐,吉旭陽,江浩雨,蔣 偉,敬罕濤,康 玲,康明濤,李 波,李 論,李 強,李 曉,李 洋,李 樣, 劉 榮,劉樹彬,劉星言,欒廣源,馬應林,寧常軍,齊斌斌,任 杰,阮錫超,宋朝暉,孫 虹,孫曉陽,孫志嘉,3,譚志新,唐洪慶,王鵬程,王 琦,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,易 晗,于 莉,余 滔,于永積,張國輝,張 旌,張林浩,張利英,3,張清民, 張奇瑋,張顯鵬,張玉亮,張志永,趙映潭,周 良,周祖英,朱丹陽,朱科軍,朱 鵬
(1.中國科學院 高能物理研究所,北京 100049;2.散裂中子源科學中心,廣東 東莞 523803; 3.核探測與核電子學國家重點實驗室,北京 100049/合肥 230026;4.中國科學技術大學 近代物理系,安徽 合肥 230026;5.北京大學 物理學院 核物理與核技術國家重點實驗室,北京 100871; 6.中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室,北京 102413; 7.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所,四川 綿陽 621900; 8.南華大學,湖南 衡陽 421001;9.西北核技術研究所,陜西 西安 710024; 10.中國科學技術大學 工程與應用物理系,安徽 合肥 230026; 11.北京航空航天大學,北京 100083;12.西安交通大學,陜西 西安 710049)
高性能白光中子源在核數據測量、基礎核物理、粒子物理、中子輻射效應和中子照相等廣泛領域或方向上有非常重要的應用。在核數據測量研究方面,新一代核能技術、核天體物理、基礎核物理、核醫學和國防戰略武器研究等都有較強烈的需求,如在新一代核能技術領域,隨著包括各種不同類型的第4代反應堆、加速器驅動次臨界核能系統(ADS)、釷基熔鹽堆和聚變堆在內的新一代核能系統的發展,對一系列重要核素的中子反應截面測量提出了更高的要求,包括更高的精度、更寬的能區范圍、更多的反應類型,以及原來難以測量的短壽命或稀有核素的數據。這就需要發展新的測量系統,包括更強大的中子源和更強大的實驗譜儀,以及新的制靶技術和實驗方法,高性能白光中子源及其配套的譜儀系統為這樣的研究提供了一個強大的平臺。高性能白光中子源也能同時開展范圍廣泛的應用研究,如中子探測器的標定是中子科學研究和應用中新型探測器發展所必須的,高能中子單粒子效應是大規模集成電路中影響可靠性的重要因素,中子輻射損傷效應和中子誘導材料改性也是很重要的應用,基于白光中子源的照相技術也有誘人的前景。
高性能白光中子源可產生強度很高、連續能區且覆蓋范圍非常寬并有很好脈沖特性的中子束流,從而可利用飛行時間方法測量記錄所有參與反應中子的能量,并在一個實驗過程中開展全能區中子誘發反應的測量,既能保證實驗測量的高效率,也能保證測量的高精度。高性能白光中子源經歷了20世紀60年代的強流中能電子直線加速器驅動的中子源(第1代白光中子源)和20世紀80年代以后由高功率質子加速器驅動的中子源(第2代白光中子源),前者基于光核反應產生中子,覆蓋能區上限到幾MeV,且強度較弱(總中子產額1013~1014s-1),主要開展共振區的核數據測量;后者基于散裂反應產生中子,覆蓋能區可達幾百MeV,且強度要大得多(總中子產額1015~1016s-1),應用范圍也更廣。目前仍在運行(或剛停止運行)的第1代白光中子源主要有:位于比利時Geel的歐盟聯合研究中心JRC-IRMM的GELINA裝置[1]、位于美國ORNL的ORELA裝置[2](已于2015年停止運行)和位于倫斯勒理工學院(Rensselaer Polytechnic Institute)的Gaerttner直線加速器[3]。第2代白光中子源主要有:美國LANL的LANSCE裝置[4]和歐洲CERN的n_TOF裝置[5],以及我國新建成的中國散裂中子源(CSNS)反角白光中子源(Back-n)裝置[6-7]。也有一些非典型的白光中子源,相對于主流裝置,其性能較低,第1代白光中子源類型如位于俄羅斯Dubna聯合研究所(JINR)FLNP實驗室的IREN裝置[8]、韓國PAL的PNF裝置[9]和中國科學院上海應用物理研究所的光中子源[10],它們都是基于較低能量/束流功率的電子直線加速器,實驗條件不夠完善,特別是缺少功能強大且種類多的譜儀系統;第2代白光中子源類型如日本J-PARC上的ANNRI裝置[11],它依托日本散裂中子源J-PARC/JSNS靶站引出的慢化中子束,能譜處于低能區,最高可達到幾keV。本文將介紹CSNS Back-n白光中子源性能、實驗譜儀和初期運行的實驗情況。
CSNS是一臺基于高功率質子加速器的大型多學科應用平臺,其核心應用是利用高功率質子束打靶產生的高強度中子,慢化后變為熱中子或冷中子束流,開展基于中子散射技術的物質結構研究,一期工程包括1臺能量為1.6 GeV、束流功率為100 kW、重復頻率為25 Hz的高功率質子加速器和1臺散裂靶站及多臺中子散射譜儀,二期升級工程將質子束打靶功率提高到500 kW。Back-n反角白光中子源是CSNS的擴展應用平臺,與CSNS一期工程于2018年3月同步建成。CSNS在國際上首次開發了利用沿質子束打靶通道反流回來的中子束流(反角中子),使之成為一條具有高注量率和高飛行時間分辨率的Back-n白光中子束線,其綜合性能處于國際最先進水平[12-13]。圖1為Back-n的布局,專門設計的偏轉磁鐵使質子束打靶前偏轉15°以將反角白光中子束流與質子束流分離。

圖1 Back-n白光中子源布局示意圖Fig.1 Layout of Back-n white neutron source

圖2 Back-n中子能譜模擬和測量結果Fig.2 Simulated and measured neutron energy spectrum at Back-n
設計階段開展的蒙特卡羅模擬研究和后來的能譜測量實驗[14]表明,反角中子束流的強度高、能區覆蓋范圍寬、脈沖特點較好,經過優化設計,可提供品質優秀的白光中子束流和實驗區條件,包括2個實驗廳(ES#1和ES#2)、多套不同組合的束斑設置、極低的實驗廳本底等。為提高百keV以上能區中子的飛行時間測量精度,還開發了CSNS加速器的特殊運行模式,從而可提供不同要求的短束團質子束或僅保留通常運行模式下每個脈沖2個質子束團中的一個。圖2為距散裂靶約76 m處的ES#2實驗廳樣品位置的中子能譜(加鎘吸收片),該能譜分別通過裂變室(235U)和Li-Si探測器測量得到,在低能區,235U有很多共振峰,影響測量結果,應采用Li-Si探測器給出的結果,另外,能量低于0.5 eV的中子被中子束窗位置的鎘片所吸收。圖3為不同加速器模式下相同位置的飛行時間測量分辨率。本項目組還專門發展了雙束團解譜方法,從而使CSNS正常運行模式下,全能區范圍的絕大部分都能獲得與單束團類似的結果,模擬實驗研究和實際實驗數據處理都驗證了該解譜方法的可靠性。

圖3 不同加速器運行模式下 飛行時間分辨率(距散裂靶80 m)Fig.3 Time resolution at distance of 80 m from spallation target in different accelerator operation modes
根據實驗需要,通過對中子束開關、準直器1、準直器2進行不同孔徑的聯合設置,可在ES#1和ES#2實驗廳提供不同束斑大小和剖面分布的中子束流,相應的中子注量率也有較大差異(表1)。其中,ES#2實驗廳樣品位置的φ30 mm和φ60 mm束斑主要用于核數據測量,90 mm×90 mm束斑用于中子照相,中子束開關處的φ2 mm小孔徑用于探測器標定,也可根據具體實驗要求采用不同于表1的孔徑組合。束線上配備了基于Li-Si探測器的在線中子流強監測系統,同時記錄每個打靶質子脈沖的流強;也根據實驗需要,采用CMOS相機或Micromegas探測器隨時開展相應的樣品位置處束斑分布的測量。

表1 Back-n中子束注量率和束斑的主要組合Table 1 Main combinations of neutron flux and spot size at Back-n
經過精心設計,2個實驗廳的本底均處于很低的水平,包括中子本底和γ本底,尤其是ES#2實驗廳基礎本底非常低,注量率與束流內部相比相差108倍,可為核數據測量提供非常好的效應本底比[15]。實際本底測量雖證實了設計模擬的可靠性,但發現盡管隧道距離地面約13 m,天然γ本底與地面上相近,是γ本底的主要來源,但天然γ本底的影響較易在實驗數據處理中扣除。研究也發現,由不同實驗設置自身帶來的本底,如束流在樣品和其底襯的散射中子和γ對測量造成的影響要遠大于基礎本底的影響,氣體探測器的真空窗或樣品位置的束流管窗也會產生散射效應。
2個實驗廳各有優缺點,ES#1實驗廳注量率較高,但飛行距離較短,導致時間分辨較差,且基礎本底也偏高,適于開展對中子注量率要求高的核數據測量;ES#2實驗廳注量率較低,但飛行時間測量的精度更高,且束斑均勻性更好、基礎本底更低,適于高精度實驗的開展。對于全截面測量實驗,可將樣品放在ES#1實驗廳而探測器放在ES#2實驗廳,利用二者中間的準直器2和隔墻可大幅降低樣品散射造成的影響。對于某些易受隨反角中子束流從散裂靶來的γ暴影響的實驗,一個可行的方法是在ES#1實驗廳放置可顯著降低γ強度的吸收體如鉛塊,而將探測器/譜儀放在ES#2實驗廳。
絕大多數適合利用飛行時間方法和在線測量的核數據測量實驗都可在Back-n上開展,Back-n也因此規劃了多臺適合不同類型測量的譜儀,包括開展中子俘獲截面測量的C6D6譜儀、GTAF-Ⅱ和GTAF-Ⅲ譜儀,開展裂變截面測量的FIXM譜儀,開展全截面測量的NTOX譜儀,開展帶電粒子出射測量的LPDA譜儀,開展裂變瞬發中子譜(PFNS)測量的FINDA譜儀,開展在束γ譜測量的GAEA譜儀,同時也在設計一種多功能時間投影室(MTPC)譜儀以測量輕帶電粒子和裂變產物,以及考慮利用GTAF-Ⅱ/Ⅲ或GAEA開展裂變瞬發γ譜的測量。其中,C6D6、FIXM、NTOX和LPDA已建成并投入運行,在中國原子能科學研究院原有的40單元4γ-BaF2陣列(GTAF)[16]基礎上升級的GTAF-Ⅱ即將投入運行。然而,Back-n只有1條中子束線和2個實驗廳,正常情況下,只能安排1個核數據測量實驗,其他譜儀必須離線安置,而不同的測量類型對束流條件的要求并不相同,各譜儀或測量的具體布局如圖4所示。
中子俘獲截面數據在國防建設、新一代核能系統研發和基礎物理研究等領域都具有重要的應用價值,可為核設施與核裝置的設計、核天體物理理論計算,以及我國的核數據庫完善提供重要的參考數據。前期已投入實驗測量的C6D6譜儀是由4個基于氘代苯(C6D6)的液閃探測器組成的(圖5a)。盡管探測效率不高,但這種探測器使用簡單,對原子核俘獲中子發射的特征γ測量很直接,入射中子能量分辨率小于1%,得到的俘獲截面不確定度小于5%。利用該譜儀已開展了多個核素的共振區俘獲截面測量。

圖4 Back-n上不同類型核數據測量的位置安排Fig.4 Experimental setup for different nuclear data measurements at Back-n
即將投入實驗測量的是GTAF-Ⅱ譜儀(圖5b),該譜儀原是中國原子能科學研究院在21世紀初建造的,為適應在Back-n上的測量研究,在原譜儀基礎上增加了內中子屏蔽體(基于B4C材料的球殼形),采用全新的高事例率全數字化讀出電子學和全數字化觸發判選系統,研制了新的探測器支架(包括球形支架和底部支架)。因其有近4π立體角的覆蓋,探測效率較C6D6高得多,2019年下半年投入使用后,將大幅提高對一些反應截面很小或微量樣品的俘獲截面測量的能力。

圖5 進行在線測量的C6D6譜儀(a) 和改造前的GTAF譜儀(b)Fig.5 C6D6 spectrometer under experiment (a) and GTAF spectrometer before upgrading (b)
另外,性能更高的GTAF-Ⅲ譜儀也已完成了設計,它共有90個探測器單元,不僅立體角覆蓋更高,而且因為內部空間更大,可采用更大的束斑和更好的中子屏蔽層,將有更強的競爭力。
重元素中子誘發的裂變截面在先進核能開發、核廢料處理、國防科研、天體物理、核物理研究等眾多領域是非常重要的基礎數據。目前Back-n上已建成的裂變截面測量譜儀是快響應多層裂變電離室(FIXM),具有8層結構,即可填裝相同或不同的8片核素樣品,采用MesytecMSI-8型前置放大器,后接共用電子學和數據獲取系統。中子轟擊裂變核素誘發裂變后,高能裂變碎片穿出樣品進入電離室工作氣體中,誘發工作氣體電離。電離信號被電離室的信號電極收集,再通過電子學及數據獲取系統進行放大、波形數字化和存儲分析,通過采集到的裂變事件進行分析得到裂變截面信息。譜儀結構示意圖如圖6所示。

圖6 快響應多層裂變電離室Fig.6 Fast-response multi-layer fission ionization chamber
為提高探測效率,核素樣品必須足夠薄,采用電鍍等方法在薄底襯(通常為10~100 μm鋁)上均勻沉積一層待測量核素(厚度約100 nm),同時為保證測量精度,必須使用高純度裂變核素,并需細致分析核素中同位素的影響并加以消除。裂變電離室內充滿P10工作氣體,氣壓可根據不同的實驗需要預先設定,裂變核素鍍片和收集電極之間加載200~600 V高壓。可同時裝配標準樣品(如235U和238U)和待測核素樣品,以進行相對截面測量。在通常情況下,FIXM安裝在ES#2實驗廳,飛行距離約76 m,也可根據需要放在ES#1實驗廳,以利用更高的中子注量率。
另外,正在設計研究TPC類型的探測器,希望在今后若干年內建成,這將大幅提高裂變截面測量的效率,并可同時測量裂變產物。
全截面為中子與原子核發生所有核反應作用截面的總和,這些相互作用包括散射、吸收、俘獲、裂變等,中子全截面是核數據庫的最基礎數據,因而非常重要。全截面是通過測量中子穿過待測樣品的透射率來實現的,考慮到中子束流的復雜能譜結構,一般采用有/無樣品的實驗數據的比較方法。考慮到不同類型核素在不同中子能區全截面的巨大差別以及不同類型的中子探測器探測效率也與中子能區關聯很大,通常需要1套組合型探測器來完成這樣的測量。目前,已投入使用的全截面測量譜儀(NTOX)是基于FIXM探測器(加載235U和238U標準樣品)和1個待測樣品驅動機構(可遠距離操控),待測樣品放在ES#1實驗廳,可隨時更換不同厚度的樣品或無樣品,FIXM探測器則放在ES#2實驗廳,中間有1個準直器可有效清除散射的中子并保證ES#2實驗廳的低中子本底(圖7)。其他類型的中子測量探測器也將隨后建立,其中測量快中子的閃爍探測器可隨時投入。
中子誘發的輕帶電粒子出射反應截面數據對新一代核能系統(包括第4代反應堆、ADS等)的研發尤為重要,涉及到中子探測、輻射防護與檢測、反應堆控制與運行等多個方面;同時,一些關鍵核素的中子誘發帶電粒子出射過程對核天體物理中的恒星模型至關重要,中子探測方法和強子治療等也需要更精確的這類數據。

圖7 全截面測量實驗示意圖Fig.7 Schematic for total cross-section measurement
Back-n目前配備的中子誘發帶電粒子探測器系統(LPDA)基于ΔE-ΔE-E望遠鏡陣列,共16個探測器單元,每個單元包括1個MWPC型氣體電離室(ΔE)、1個硅探測器(ΔE)和1個CsI(Tl)探測器(E),對應出射質子的測量能量上限為100 MeV。探測器陣列位于1個直徑為1 m的真空靶室內(圖8)。該譜儀具有適應全能區中子和可同時測量出射粒子角分布的特點,總體性能國際領先。整個譜儀包含5個子系統及3個外圍子系統,它們是探測器系統、真空系統、氣路循環系統、樣品自動換樣和底盤轉動系統和控制系統,并與共用電子學系統和數據獲取系統相連接。也可根據具體實驗的需要靈活配置靶室內的探測器,如LPDA首個實驗(6Li(n,t)實驗)采用了15個硅探測器組成的陣列。

圖8 LPDA結構示意圖(a)和首次實驗時的靶室內部布局(b)Fig.8 Structure of LPDA spectrometer (a) and detector arrangement in vacuum chamber for the first experiment (b)
除以上幾臺譜儀已建成并投入運行以外,其他幾臺規劃的譜儀仍在尋找經費支持,其中FINDA和GAEA的主要設計目標如下。
1) FINDA譜儀

圖9 FINDA的中子探測器示意圖(1/2陣列)Fig.9 Schematic for FINDA spectrometer (half array)
裂變瞬發中子譜(Prompt Fission Neutron Spectrum, PFNS)是重要的核數據,在國防科技、先進核能的反應堆設計、反應堆運行、核技術應用及核物理理論研究中都有重要的應用價值。FINDA (Fission Neutron spectrum Detector Array)譜儀是針對PFNS測量需求而設計的閃爍探測器陣列方案,探測器安裝示意圖如圖9所示。該探測器陣列由64個中子探測器(包括48個5″×2″的液閃探測器和16個2″×2″鋰玻璃探測器)和1個PPAC(并行板雪崩計數器)構成,能覆蓋6.45%的全空間立體角。其中,液閃探測器用于快中子探測;鋰玻璃探測器用于1 MeV以下低能區的中子探測;PPAC用于測量裂變事例,共有8層,相當于8個裂變室,總樣品量約100 mg。為保證出射中子的能量分辨率,PPAC時間分辨應好于1 ns。液閃探測器距離PPAC中心1 m,鋰玻璃探測器距離PPAC中心0.4 m,兩類中子探測器陣列半徑不同,但其對PPAC中心的總立體角覆蓋相當。
2) GAEA譜儀
中子與靶核發生核反應后,除彈性散射外幾乎都伴有余核放射出的瞬發γ射線,通過測量這些特征γ射線,可對反應過程進行分析,進而得出相應的反應截面和核結構信息。采用直接測量中子的方法時經常有其他反應道中子的干擾問題,對裂變核的干擾尤其嚴重,而測量瞬發γ射線可避開其他反應道的干擾問題。精確的在束γ譜測量在核能領域的燃料核素和結構材料核素的測量、基礎核物理領域的核譜學與核結構研究(衰變譜學與在束γ譜學等)方面有很重要的應用。
GAEA譜儀是由90個探測器單元組成的4π球型探測器陣列(圖10),包括50個HPGe探測器、10個Clover探測器(每個單元內含4個HPGe探測器)、10個平面鍺探測器和20個LaBr3探測器。該譜儀不能直接應用現有共用電子學系統,需研發新的更高精度的讀出電子學。

圖10 GAEA譜儀伽馬譜測量示意圖Fig.10 GAEA spectrometer and in-beam gamma spectrum measurement
Back-n上已配備和將新增多種不同類型的譜儀,每種譜儀都有其物理目標和探測器系統,因而其對讀出電子學的要求也各不相同。為簡化電子學系統的研制和提高運行效率,Back-n對各譜儀和讀出電子學采用共用設計的思路,包括探測器模擬信號適配電路和全數字化處理讀出電子學[17],同時也采用統一的數據獲取軟件。在開展不同的實驗甚至是多個實驗同時在線時,各探測器單元的信號均通過與其相配的信號調理模塊(SCM)調理成統一的差分電平后再接入到全數字化的共用讀出電子學中,基于PXIe技術的多通道共用電子學具有高速處理和記錄數據的能力,將輸入的波形進行數字化處理、數字化判選和緩存(采樣率1 GSPS、量化精度12 bit),并具有全局同步的時鐘和觸發系統,可進行飛行時間(TOF)精確測量(圖11)。項目組正有步驟地增加共用電子學的通道數,目前已有30個通道,2019年底將增至64個通道,滿足目前所有的譜儀和即將投入的GTAF-Ⅱ的需求。
數據獲取(DAQ)系統通過以太網連接公共電子學模塊,進行配置信息下發和數據讀出。數據流模塊包括讀出、在線分析、存儲,提供運行控制、波形抽樣顯示、日志、實驗管理數據庫等功能,如圖12所示。

圖11 共用電子學結構示意圖(a)和電子學模塊實物圖(b)Fig.11 Schematic structure for common readout electronics (a) and photos for circuit module (b)
在Back-n上開展的實驗研究方向較多,除以上重點介紹的核數據測量實驗外,其非常寬的能譜范圍、高流強和時間分辨好的特性還可用于開展探測器標定、高能中子單粒子效應研究[18]、中子照相、積分實驗等。其中,全元素共振中子成像方法是一個在國際上尚處于發展早期的中子成像方法,Back-n的高流強特點在這方面有很大的優勢[19],相關技術的發展正在進行中;大規模集成電路的高能中子單粒子效應是芯片技術發展的重要障礙,在國內有很大的需求,Back-n提供了目前國內唯一的測試平臺;隨著中子科學和應用的發展,對新型中子探測器的需求也隨之增大,Back-n也提供了目前國內唯一的寬能區范圍標定平臺。其他的應用還包括中子計量學和粒子物理中的中子基本屬性精確測量實驗等。

圖12 共用數據獲取系統示意圖Fig.12 Schematic for data acquisition system
自2018年3月開始試運行以來,Back-n上已開展了一系列不同類型的實驗,全年開展各種類型實驗的束流時間達4 100 h,其中用戶實驗束流時間2 560 h,開展實驗20個,包括中子俘獲截面測量、裂變截面測量、全截面測量、帶電粒子出射測量、探測器標定、高能中子單粒子效應、中子輻照改性或損傷、中子成像等,用戶來源廣泛,包括研究院所、高校和企業,完全達到了預期目標。系列束流特征測量實驗證實了中子束線設計的正確性和其擁有的高性能指標,實驗廳本底達到預期的低本底水平,首批投入運行的幾臺譜儀、共用電子學和數據獲取系統運行非常可靠、性能優異,從而保證了第一年物理實驗和應用實驗的順利開展,數據質量很高。典型的核數據測量實驗有:國內首次共振區中子俘獲截面測量實驗(197Au、169Tm和57Fe)、裂變截面測量實驗(235U、238U和236U)、全截面測量實驗(12C、27Al)、帶電粒子出射測量實驗(6Li和10B),其中,6Li(n,t)的全能區微分截面測量數據大幅擴展了國際上已發表數據的完整性。加速器打靶束流功率也從最初的10 kW逐漸提高到20 kW和50 kW,正進一步向設計指標100 kW靠近。
Back-n的建成為我國科學家今后開展高質量的核數據測量研究和范圍廣泛的其他研究和應用提供了國際一流的實驗平臺。然而,為開展國際一流的實驗研究,不僅需要性能優異的中子束流條件,還需要盡快建設幾臺規劃中的大型陣列譜儀,同時,發展白光中子源實驗方法和樣品條件建設。吸引更多的科研院所和高校潛在用戶在Back-n上開展高水平的實驗研究,并積極開展用戶合作也將是Back-n合作組的重要責任。另外,CSNS也正在積極申請CSNS升級工程建設,以期將打靶束流功率提高到500 kW,這將進一步提高Back-n的國際競爭力。
本項目還得到Back-n合作組各成員單位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核物理與化學研究所、西北核技術研究所、中國科學技術大學自籌經費的支持,在此表示衷心感謝。