基于100 MeV质子回旋加速器的白光中子束线设计

麻 旭，刘应都，鲍 杰，陈启明，张 凯，任 杰，阮锡超，郭 刚，欧阳晓平,,4

(1. 湘潭大学 材料科学与工程学院，湖南湘潭 411100；2. 中国原子能科学研究院 核数据重点实验室；3. 中国原子能科学研究院 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心： 北京 102413；4. 西北核技术研究所，西安 710024)

基于散裂反应的白光中子源具有中子产额高和能区覆盖范围宽等特点，可应用于核数据测量、基础核物理实验、中子辐照效应研究及探测器标定等研究领域。中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器的白光中子束线正是服务于上述领域的一个重要的多用途白光中子实验平台。本文利用蒙特卡罗程序FLUKA[1-2]，根据100 MeV回旋加速器白光中子靶及实验终端的空间结构[3]，优化了几何模型，计算了0°方向与15°方向白光中子束线实验终端的中子能谱和注量，根据中子准直器的结构，得到实验终端内的束斑和信噪比等参数，用于进一步的优化设计，并为未来物理实验提供参考。

图1为100 MeV质子回旋加速器白光中子束线示意图。

中子源由100 MeV质子回旋加速器产生，从加速器系统向南引出100 MeV高能质子束线，轰击钨靶，由散裂反应产生白光中子。实验大厅西部预留给准单能中子束线，东部预留给质子单粒子束线。为尽可能地利用空间和提高实验效率，规划了2条白光中子束线，可同时独立开展物理测量。

1 中子能谱及注量率

中子束线参数是物理实验测量的基础数据。根据中子靶的几何结构和质子束线参数，利用蒙特卡罗程序FLUKA模拟散裂钨靶上中子的产生、调节和输运过程。FLUKA利用核数据库和理论模型，能模拟从低能到高能的中子产生和输运的过程，最终得到关键中子束线的中子能谱、中子注量和中子束斑分布等特征参数。靶站的剖视图如图2所示。

模拟过程中，钨靶直径为7.5 cm，厚度为1.2 cm，水层厚度为5 mm。靶的结构采用水冷铜盘银焊焊接的方式包住钨片，一方面增加钨片与铜盘之间的热传导系数，另一方面水层能起到冷却和慢化中子作用。在0°方向距靶心16 m处及15°方向距靶心30 m处的实验点分别统计不同束斑的中子能谱及注量率。

1.1 0°方向白光中子束线的中子能谱及注量率

根据图1中0°方向白光中子束线及实验厅的几何结构建立模型。模拟给出以靶心为原点，100 MeV的质子轰击钨靶发生散裂反应产生中子的过程，从散裂反应出射的0°方向白光中子经2级准直器准直后到达距靶心16 m处的中子注量率φn随中子能量En的变化关系，如图3所示。

根据模拟得到的中子能谱，结合回旋质子加速器给出的质子束线功率，对中子能谱进行积分后，即可得到中子注量率φn，表示为

(1)

更改积分上下限Emin，Emax即可得到不同能量区间的中子注量率，进行定量分析。当积分上下限分别为0和100 MeV时，即可得到整个能量区间内的中子注量率。在5 kW满功率运行状态下，0°方向中子束线在距靶心16 m处的中子注量率为5.09×106s-1·cm-2，在0.1～100 MeV能量区间的中子数与0°方向出射散裂中子总数之比为94.9%。

1.2 15°白光中子束线的中子能谱及注量

根据图1中的15°方向白光中子束线及实验终端的几何结构建立几何模型。模拟以靶心为原点，100 MeV的质子轰击钨靶发生散裂反应产生中子的过程，从散裂反应出射的15°方向白光中子经2级准直器准直后到达距靶心30 m位置的中子注量率随中子能量的变化关系，如图4所示。

根据模拟计算出的中子能谱，在5 kW满功率运行状态下，15°方向距靶心30 m处(小实验厅)的中子注量率为8.19×105s-1·cm-2，在0.1 ～100 MeV能量区间的中子数与15°方向出射散裂中子总数之比为94.5%。

用FLUKA模拟了100 MeV质子轰击钨靶发生散列反应产生中子的过程，不同束斑条件下的中子注量率，如表1所列。2条束线在不同能区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处与15°方向距靶心30 m处的中子能谱形状相似，趋势一致。2条束线能谱的峰值都在1～5 MeV之间。

表1 2条束线在不同束斑条件下的中子注量率Tab.1 Neutron fluence rates of two beam lines in different beam spots

表2 2条束线在不同能量区间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 准直束和中子剖面

物理测量时，根据测试样品尺寸，提出了直径d分别为30 mm和60 mm的2种束斑需求。根据束线实际长度和中子能谱特点，采用2级准直方式，即在中子靶出碉堡区放置第一个初级准直器，在实验厅前端放置限束用主准直器，每条束线尽头都有一个束线捕集器用于吸收透射束线。简化的中子束线准直光路如图5所示。

散裂反应产生的中子按角分布向全空间发射，其中0°和15°方向出射的白光中子束线通过初级准直器沿真空管道输运，到达主准直器，经限束后在测量位置点得到标准中子束斑，之后继续飞行直到被束线捕集器吸收。初级准直器的作用是保留由中子靶处发射的0°和15°方向的源中子，屏蔽由靶点向其他方向发射的射线，减少大厅内漫散射引起的本底，屏蔽质子束同其他非靶物质作用产生的射线；主准直器作用是约束样品前束斑尺寸，同时起到屏蔽及进一步降低漫散射的作用。利用FLUKA模拟计算得到优化的中子束斑与主准直器设计参数，如表3所列。

表3 中子束斑与主准直器设计参数Tab.3 Neutron beam spot and primary collimator design parameters

根据光学确定束线参数及2级准直器参数，得到样品位置的束斑形状，如图6和7所示。由图6和图7可见，在0°和15°方向上的束斑投影图中，每条轮廓线都有一个类似平顶的范围，可近似等效于束斑尺寸，而平顶的平整程度则体现了不同束斑内束线的均匀性[4-6]。一般在束斑内，束斑中心束线强度最高，束斑边缘束线强度最低，故束斑内的束线均匀性可表示为

(2)

其中：H为束斑的不均匀性；IC为束斑中心束线强度；IE为束斑边缘束线强度。H越小，表明束斑内束线均匀性越好。经过计算：0°方向距靶心16 m处，直径为30 mm束斑的H值为8%，直径为60 mm束斑的H值为1.1%；15°方向距靶心30 m处，直径为30 mm束斑的H值为7.7%，直径为60 mm束斑的H值为4.4%。分析不同位置和不同孔径束斑内的粒子分布可见，各种能量的中子在4组束斑内是均匀分布的，中子束线强度在4组束斑直径轮廓范围内的不均性均小于10 %，基本符合实验要求。

3 中子实验厅本底

中子测量实验的环境本底对实验结果有重要影响，按照输运粒子种类，可分为中子本底和γ射线本底。除散裂靶直接出射到测量点的中子外，任何中子都被认为是本底中子，一般是由环境散射引起的，包括靶附近散射、束线线结构材料散射、空气散射、逸出部分在环境中散射、透过准直器和屏蔽体的多次散射和在后端屏蔽体内的反散射，在时间结构上本底中子不符合能量时间关系。γ射线主要来自于散裂反应过程产生和白光中子在环境中的次级作用。本底的大小直接影响实验的精度，对于中子本底，实验厅内环境中子本底要比束斑内中子注量小5个量级，即要求信噪比不小于105。在15°方向搭建了一个小型实验厅，长为5 m，宽为4 m，用来实现更高的信噪比。γ射线由散裂伴生和中子次级反应产生，γ射线的影响需根据测量γ射线的具体实验要求确定，本文不展开讨论。同时在0°方向白光中子束线实验终端靠近15°方向白光中子束线的一侧添加了一堵厚度为50 cm混凝土屏蔽墙，墙体与0°方向白光中子束线保持平行[7-8]。根据实际的中子输运线几何参数，建立了FLUKA模拟模型，模拟计算得到功率为5 kW时，中子源在2条白光中子束线在实验终端中产生的本底及信噪比，结果如图8、图9及表4所示。由图8、图9和表4可见，信噪比大于105，满足实验基本要求。

表4 2条白光中子束线在相同束斑不同实验终端内的信噪比Tab.4 SNR of two white neutron beams at different experimental terminals in the same beam spot

4 总结

本文利用中子能谱、中子注量、中子束斑及中子和γ本底的蒙特卡罗模拟，开展了白光中子束线设计。2条束线的中子能谱主要分布在0.1～100 MeV范围内，0°方向白光中子束线中0.1～100 MeV的中子占比为94.9%，15°方向白光中子束线中0.1～100 MeV的中子占比为94.5 %。中子能谱偏硬，主要是由中子慢化过程少、散裂靶薄及散裂反应后直接引出引起的。散裂反应属于非弹性核反应，其中，10 MeV以下中子主要由复合核蒸发逸出及裂变产生，10 MeV以上中子主要是由核内级联作用产生，模拟结果符合实验研究结论。

模拟得到2条白光束线中子注量率，0°方向白光中子束线在距靶心16 m处的中子注量率为5.09×106cm-2·s-1；15°方向白光中子束线距靶心在30 m处的中子注量率为8.19×105cm-2·s-1。经屏蔽的2条中子束线实验终端内的中子和γ射线的本底较低，特别是15°方向白光中子束线的实验终端，束线内外的中子信噪比大于105。

同时，根据束线光学设计优化了中子束线准直系统，在2条束线的实验终端内得到几何形状和均匀性都非常好的圆形中子束斑，2条束线均可实现直径30 mm和60 mm准直束测量，满足实验基本要求。

未来将开展中子束线特征参数的实验测量，通过实验数据与模拟结果的比较，进一步完善实验平台，服务于中子物理实验。

致谢

在模拟计算过程中得到了中科院高能物理研究所东莞分部中国散裂中子源敬罕涛副研究员和北京航空航天大学物理学院王涛峰副教授的大力支持，在此表示感谢。