D-T中子源束斑尺寸測量技術及應用

張 凱，侯 龍,*，陳紅濤，鮑 杰，蘇 明，阮念壽，趙 芳

(1.中國原子能科學研究院 核數據重點實驗室，北京 102413； 2.中國工程物理研究院 材料研究所，四川 綿陽 621000)

在核安全保障、核軍備控制和核不擴散等領域均涉及到對特種核材料的探測，D-T中子源由于具有中子能量高、穿透性強、便于控制的特點，已開始在主動探測方法中得到應用[1-4]。利用D-T聚變反應同時出射的α粒子和n具有時間關聯和位置關聯特性，通過對α粒子時間和位置信息的探測，可跟蹤特定方向的中子，實現出射中子的自準直，結合中子飛行時間符合測量，可挑選特定中子進行探測。通過α粒子與透射中子關聯，可實現對核材料的透射斷層掃描成像；α粒子與裂變中子關聯，可實現裂變映射成像；α粒子與散射中子關聯，可實現散射中子成像。由于中子發生器的D+束斑不是一個質點，而是具有一定的幾何尺寸，就會導致由α粒子標記出射中子出現一定的角不確定度，從而導致透射斷層掃描成像、裂變映射成像和散射中子成像在中子位置重建過程中出現拖尾效應(smearing effect)[5]，導致成像質量變差影響位置分辨效果。在α探測器位置分辨小于1 mm的情況下，影響成像系統角分辨的關鍵因素就是束斑尺寸，所以在成像過程中要保證束斑尺寸盡量小。

中子發生器對束斑尺寸進行測量的方法中，最簡單的是對新靶樣品進行一段時間的持續轟擊，通過測量束流轟擊后留下的束斑痕跡推斷束斑尺寸[6]，但這種方法在已完成聚束調節的前提下才有效，具有滯后性；一種方式就是用石英玻璃片代替靶，利用CCD相機進行觀測測量，這樣雖可實現束斑尺寸測量，但只能在實驗調試前進行，不能測量實驗過程中的束斑尺寸。美國ORNL實驗室是利用α點探測器，結合多個中子探測器形成的陣列探測器進行關聯α-n符合觀測，根據符合中子探測器的個數來推斷中子發生器束斑尺寸[7]，雖可實現束斑測量，但所需探測器數量較多，電子學復雜，不利于實驗過程中的束斑檢測。西安交通大學王東明博士利用輻射編碼成像技術對ING-27型便攜式中子發生器的中子束斑進行了測量[8]，實驗利用α面陣探測器結合中子面陣探測器進行特定區域n-α符合測量，能獲得較好的測量結果，但測量過程和處理更復雜，不利于實踐中的束斑測量。

為實現D-T中子源束斑更便捷的測量，本文研究利用二維面陣高時空分辨的α探測器陣列和單個中子探測器的n-α測量技術，對小型移動中子發生器的D+束斑的尺寸進行物理測量。

1 測量方法

1.1 核反應動力學分析

圖1 D-T聚變反應在質心坐標系 和實驗室坐標系下的速度關系Fig.1 Illustration of velocity of reaction products of D-T fusion reaction in COM and LAB coordinate systems

在小型移動D-T中子發生器中，加速器將D+粒子加速到120 keV能量后轟擊固態T-Ti靶，D-T聚變產生n和α，具體反應過程如圖1所示。VCM即質心速度，VnC和VαC分別是在質心(COM)坐標系下，n和α粒子出射的速度，兩者方向完全相反。VnL和VαL分別是在實驗室(LAB)坐標系下n和α粒子的出射速度，由于質心速度VCM的存在，所以根據動量守恒定律，在實驗室坐標系下，n和α粒子出射方向的夾角(ψ+φ)并不是嚴格的180°，而是小于180°。

根據圖1中的動量和能量守恒，可推導出以下關系：

(1)

(2)

其中：

ET=ED+Q

在ED=120 keV的條件下，ψ、φ關系如圖2所示。

從圖2可看出，隨著n出射角度ψ的增大，n和α粒子夾角(ψ+φ)先變小后變大，在70°<ψ<100°變化時，n和α粒子夾角(ψ+φ)變化最為平緩，范圍在168.2°～168.8°中間。在實際測量過程中，將中子探測器放置在與D+入射角度90°方向，(ψ+φ)角度為168.3°，相當于將α粒子圖像整體向D+束入射方向偏移了12°。

圖2 實驗室坐標系下n和α出射角度關系圖Fig.2 Illustration of n and α emission angles in LAB coordinate system

1.2 測量原理

在D(t,n)He聚變過程中，利用具有超快時間分辨的α位置靈敏探測器對聚變過程中的α粒子進行測量，與在α粒子關聯角度內的一定尺寸中子探測器的中子信號進行時間符合，可獲得關聯α粒子的二維圖像，該圖像的形狀和尺寸與中子源束斑的形狀和尺寸具有幾何對應關系，從而實現對中子源束斑尺寸的精確監測。具體流程如圖3所示。

整個束斑尺寸測量的過程是基于一小尺寸的快中子探測器和α位置靈敏探測器。為剔除γ射線的干擾，快中子探測器需具有n/γ甄別能力。為剔除散射中子對測量結果的影響，中子探測器時間響應需很快。實驗過程中將中子探測器放置在α位置靈敏探測器的關聯角度內，中子探測器前表面與靶中心距離為L，所使用的中子探測是具有n/γ脈沖形狀甄別能力、快時間響應的小尺寸中子探測器，中子探測器有效截面尺寸為φn。

圖3 n-α關聯符合法測量束斑尺寸原理圖Fig.3 Schematic diagram of n-α correlation coincidence method to measure beam spot size

α位置靈敏探測器與靶中心距離為l，利用飛行時間法測得與中子探測器時間關聯的α圖像，即直射中子的關聯α圖像，尺寸設為φα，再根據α粒子和中子出射角度關系和探測器與束斑的位置關系，可得到束斑圖像。根據各探測器的位置關系可求得束斑尺寸φt如下。

(3)

由上述分析中可看出，在假定中子探測器在90°方向的相對于中子源張角不大的情況下，帶來的α粒子出射偏移角變化不大，可假設α粒子向D+束入射方向偏移角均為θ，如圖4所示。

圖4 α關聯圖像偏移示意圖Fig.4 Schematic diagram of α related image shift

中子探測器直徑為φn，中子探測器與中子源距離為L，中子源與α探測器距離為l，且令實驗中(L+l)?(φα+φn)，則可求得：

(4)

進而求得：

φα-φ′α=ltanφ+ltan(θ-φ)-ltan(θ+φ)=

(5)

所以實驗中獲得的α關聯圖像需進行lφ修正，即：

(6)

進而最終求得修正后的α圖像直徑為：

(7)

則經修正后的束斑尺寸公式為：

(8)

2 實驗測量

根據前面的測量原理，測試布局如圖5所示。中子探測器使用塑料閃爍體EJ299-33A，其具有較好的n/γ甄別能力，可有效剔除環境中γ本底對探測結果的影響。中子探測器放置在距靶頭2.5 m的弧形軌道上，探測器與中子源處于同一水平面上，探測器可在弧形軌道上移動來改變關聯角度，實驗時將其固定在與入射D+束成90°方向上。

圖5 時間分辨率在線測試示意圖Fig.5 Schematic diagram of time resolution on-line measurement

伴隨α粒子采用標記中子靶管上的高時空分辨α探測器陣列進行探測，其主要由ZnO∶Ga探測器、藍寶石玻璃和多陽極光電倍增管(PSPMT)H13700[9]組成，探測器整體放置于D+入射的90°方向。該陣列探測器的位置分辨好于1 mm，可分辨出0.3 mm的狹縫和柵條結構[8]。

中子探測器光電倍增管的陽極信號和α關聯探測器的A、B、C、D、T共5路信號由數字化儀DT5730采集，通過COMPASS軟件進行數據獲取，通過MATLAB軟件對數據進行分析。

實驗中，由于產生中子的同時，快中子會活化靶頭金屬材料，產生較強的γ本底，所以在用塑料閃爍體EJ299-33A測中子時也會測到很強的γ信號，對束斑測量結果產生較大影響，可根據n/γ不同的下降沿時間進行粒子脈沖形狀甄別(PSD)。實驗中通過COMPASS軟件對中子探測器信號進行長窗積分時間和短窗時間積分參數設置，獲得長窗時間電荷積分值Qlong和短窗時間電荷積分值Qshort，進而獲得信號的PSD參數如下：

(9)

獲得的PSD散點如圖6所示，橫坐標對應粒子能量，縱坐標為不同粒子的PSD，從圖6可看出，根據設定合適的PSD可很好地分辨出中子信號和γ信號。

圖6 EJ299-33A中子探測器信號PSD譜Fig.6 PSD spectrum of EJ299-33A neutron detector

通過選擇PSD>0.15的信號可甄選出n信號，用篩選后的n信號作開門信號，在200 ns的符合時間窗內尋找中子探測器的符合信號，獲得的飛行時間譜如圖7所示。

圖7 n-α飛行時間譜Fig.7 TOF spectrum of neutron and alpha particles

從圖7可看出，中子飛行時間譜的半高寬約0.8 ns，可見關聯α探測器具有很好的時間性能，與文獻[8]的n-α時間關聯小于1 ns的結果一致。很好的時間分辨性能可剔除散射中子和偶然符合對關聯α圖像探測的干擾。

在標記中子源源強在<1×107s-1的情況下，n-α的符合計數率為23.5 s-1，測量200 s后得到的關聯α圖像如圖8a所示，關聯圖像在x軸方向的投影如圖8b所示。經標定，關聯α探測器獲得的關聯圖像每道對應的實際長度為0.25 mm[8]，α重建圖像x軸方向投影通過高斯擬合的半高寬為13.35，對應寬度為φ′α=3.34 mm。將L=2 500 mm，l=50 mm，φn=50.8 mm，φ′α=3.34 mm代入修正后的束斑尺寸計算公式(式(9))可得φt=2.8 mm。

3 結果分析

利用n-α關聯的方法進行束斑測量是基于式(9)中中子探測器距離和伴隨α探測器距離是可精確測量的，對測量結果的不確定性影響很有限，所以關聯α圖像尺寸φ′α是影響實驗測量結果重要的因素。

關聯α探測器陣列的位置分辨直接決定了關聯α圖像尺寸φ′α的測量精度，由文獻[8]中得到α探測器陣列的位置分辨為0.9 mm，所以φ′α=(3.34±0.90) mm，代入式(9)可得到φt=(2.8±0.9) mm。

圖8 2D位置靈敏探測器關聯α圖像Fig.8 Image of associated alpha particle by 2D position sensitive detector

為驗證束斑尺寸測量結果的合理性，在不改變離子源和聚束高壓的前提下，利用3 mm厚的藍寶石玻璃代替氚靶，利用CCD相機對束斑進行直接觀測，觀測結果如圖9所示。

圖9 CCD相機拍攝的束斑照片Fig.9 Image of beam spot by CCD camera

圖9中的光暈是粒子打到藍寶石玻璃上反光形成的光暈，從圖9可清晰看出束流聚焦成1個亮斑。CCD相機整個視窗與靶頭尺寸均為50 mm，根據像素點推得的束斑直徑約為3 mm，與利用關聯α探測器測得的束斑尺寸接近，證明了n-α符合測量方法的準確性。

利用該方法對中子發生器調束過程中的n-α符合后的關聯α粒子圖像進行測量，調束過程關聯α粒子圖像變化如圖10a、b、c、d所示，可見關聯α粒子圖像可直觀反映出調束過程中束斑形狀的變化，所以利用該方法可為D-T中子源的調束進行輔助監測。

4 結論

本文基于D-T聚變反應中n和α粒子時間空間關聯的特性，研究了新型的束斑測量技術，得到了動力學修正后的束斑尺寸計算公式。利用中子探測器和關聯α探測器陣列，建立了束斑尺寸測量系統，對新研制的D-T標記中子發生器的束斑大小進行了間接測量，獲得的n-α符合的關聯α粒子圖像尺寸為(3.34±0.90) mm，由此推得的束斑尺寸為(2.8±0.9) mm，與利用CCD相機對束斑尺寸進行直接測量得到的3 mm結果一致，證明了該測量方法的可行性和準確性，為該中子發生器用于核材料的斷層掃描成像提供了技術支持。束斑尺寸測量的不確定性主要由伴隨α探測器陣列的位置分辨不足引入，若將伴隨α探測器陣列的位置分辨能力提高，束斑尺寸測量誤差可進一步減小。該方法可為D-T中子發生器調束進行輔助測量，也可在后期成像實驗過程中對中子發生器的束斑進行過程監測，以保證多輪斷層掃描成像實驗條件的一致性。

圖10 調束過程中關聯α粒子圖像形狀對比Fig.10 Change in shape of associated alpha particle image during beam modulation