中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量

鲍杰; 陈永浩; 张显鹏; 栾广源; 任杰; 王琦; 阮锡超; 张凯; 安琪; 白怀勇; 曹平; 陈琪萍; 程品晶; 崔增琪; 樊瑞睿; 封常青; 顾旻皓; 郭凤琴; 韩长材; 韩子杰; 贺国珠; 何泳成; 何越峰; 黄翰雄; 黄蔚玲; 黄锡汝; 季筱路; 吉旭阳; 江浩雨; 蒋伟; 敬罕涛; 康玲; 康明涛; 兰长林; 李波; 李论; 李强; 李晓; 李阳; 李样; 刘荣; 刘树彬; 刘星言; 马应林; 宁常军; 聂阳波; 齐斌斌; 宋朝晖; 孙虹; 孙晓阳; 孙志嘉; 谭志新; 唐洪庆; 唐靖宇; 王鹏程; 王涛峰; 王艳凤; 王朝辉; 王征; 文杰; 温中伟; 吴青彪; 吴晓光; 吴煊; 解立坤; 羊奕伟; 杨毅; 易晗; 于莉; 余滔; 于永积; 张国辉; 张旌; 张林浩; 张利英; 张清民; 张奇伟; 张玉亮; 张志永; 赵映潭; 周良; 周祖英; 朱丹阳; 朱科军; 朱鹏

doi:10.7498/aps.68.20182191

摘要

中国散裂中子源(CSNS)已于2018年5月建设完工, 随后进行了试运行. 其中的反角白光中子束线(Back-n)可用于中子核数据测量、中子物理研究和核技术应用等多方面的实验. 本文报道对该中子束的品质参数测量实验过程以及最终实验结果. 实验主要采用中子飞行时间法, 利用²³⁵U, ²³⁸U裂变室和⁶Li-Si探测器测量了中子能谱和中子注量率, 又利用闪烁体-互补金属氧化物半导体探测系统测量了中子束斑的剖面, 得到了该束线的初步实验测量结果. 其中白光中子的全能谱测量范围eV—100 MeV, 给出了不确定度分析; 给出了中子注量率两个实验厅位置的满功率值; 给出了白光中子在直径60 mm情况下的全能区束斑. 通过与模拟结果的比较探讨了以上结果的合理性, 并提出了改进计划. 这些实验结果为以后该束线的核数据测量和探测器标定实验奠定了基础.

关键词:

Abstract

The Chinese spallation neutron source was completed in May 2018 and then subsequently commissioned. The Back-streaming white neutron beam line can be used in neutron nuclear data measurement, neutron physics research, and nuclear technology. In these experiments, it is necessary to know the neutron energy spectrum, the neutron flux, and the neutron beam profile of the neutron beam. In this paper, we present the preliminary measurements of these parameters. The neutron energy spectrum and neutron flux are measured by the time-of-flight method with a fission chamber equipped with ²³⁵U and ²³⁸U samples and a ⁶Li-Si detector. The neutron beam profile is measured by a scintillator-CMOS detection system. The preliminary experimental measurements of the beam line are obtained. Among them, the energy spectrum measurement range of white neutrons is from eV to more than 100 MeV, which also gives an uncertainty analysis; the neutron fluence rate gives the full power value of the two experimental halls; the collimated white neutron beam spot is given under a diameter of 60 mm. The future plan is also given. The results of these experimental parameters can serve as the foundation for the future nuclear data measurement and detector calibration experiments of the beam line.

Keywords:

作者及机构信息

1.
中国原子能科学研究院, 核数据重点实验室, 北京　102413

2.
中国科学院高能物理研究所, 北京　100049

3.
东莞中子科学中心, 东莞　523803

4.
西北核技术研究所, 西安　710024

5.
核探测与核电子学国家重点实验室, 北京100049, 合肥　230026

6.
中国科学技术大学近代物理系, 合肥　230026

7.
核物理与核技术国家重点实验室, 北京大学物理学院, 北京　100871

8.
中国工程物理研究院核物理与化学研究所, 绵阳　621900

9.
南华大学, 衡阳　421001

10.
中国科学技术大学工程与应用物理系, 合肥　230026

11.
西安交通大学, 西安　710049

12.
北京航空航天大学, 北京　100083

13.
兰州大学核科学与技术学院, 兰州　730000

通信作者: 陈永浩, chenyonghao@ihep.ac.cn

基金项目: 国家重点研究发展计划(批准号: 2016YFA0401601)、国家自然科学基金(批准号: 11790321, 11805282)和强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室开放基础研究(批准号: SKLIPR1515, SKLIPR1516)资助的课题.

Authors and contacts

1.
Key Laboratory of Nuclear Data, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China

2.
Institute of High Energy Physics, Chinese Academy of Sciences, Beijing 100049, China

3.
Dongguan Neutron Science Center, Dongguan 523803, China

4.
Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China

5.
State Key Laboratory of Particle Detection and Electronic, Beijing 100049, Hefei 230026, China

6.
Department of Modern Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

7.
State Key Laboratory of Nuclear Physics and Technology, School of Physics, Peking University, Beijing 100871, China

8.
Institute of Nuclear Physics and Chemistry, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China

9.
University of South China, Hengyang 421001, China

10.
Department of Engineering and Applied Physics, University of Science and Technology of China, Hefei 230026, China

11.
Xi’an Jiaotong University, Xi’an 710049, China

12.
Beihang University, Beijing 100083, China

13.
School of Nuclear Science and Technology, Lanzhou University, Lanzhou 730000, China

Corresponding author: Chen Yong-Hao, chenyonghao@ihep.ac.cn

Funds: Project supported by the National Key Research and Development Program of China (Grant No. 2016YFA0401601), the National Natural Science Foundation of China (Grant Nos. 11790321, 11805282), and the Open Basic Research of State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, China (Grant Nos. SKLIPR1515, SKLIPR1516).

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施引文献

图 1 CSNS装置布局及其反角白光中子源

Fig. 1. Arrangement of back-streaming neutron beam at CSNS

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图 2 一个脉冲内的两种供束模式

Fig. 2. Two kinds of operation modes.

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图 3 蒙特卡罗模拟得到的反角出射的散裂中子能谱

Fig. 3. Stimulated neutron energy spectrum of back-streaming beam.

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图 4 多层快裂变室

Fig. 4. The multi layer fission chamber.

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图 5 MSI-8的输出信号

Fig. 5. The output signal of MSI-8 module.

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图 6 裂变室的时间信号

Fig. 6. The time signal of the fission chamber.

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图 7 过零定时效果示意

Fig. 7. Zero-crossing time determination of signal.

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图 8 有效裂变信号的飞行时间确定示意图

Fig. 8. Time determination from fission signal.

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图 9 中子飞行时间谱

Fig. 9. Neutron time-of-flight spectrum.

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图 10 ⁶Li-Si 探测器结构

Fig. 10. ⁶Li-Si Detector structure.

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图 11 实验测得的CSNS 反角白光中子能谱

Fig. 11. Experimental result of back-streaming white neutron energy spectrum.

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图 12 中子束剖面测量装置

Fig. 12. Neutron profile measurement equipment.

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图 13 探测器触发时间关系

Fig. 13. Timing-serial of neutron profile detection.

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图 14 中子束斑剖面分布及其在x轴和y轴上的灰度值分布

Fig. 14. Neutron profile distribution and grey scale information on x and y axis

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图 15 60 mm直径束斑模拟

Fig. 15. Simulation of neutron profile in 60 mm diameter.

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[17]	王胜, 邹宇斌, 温伟伟, 李航, 刘树全, 王浒, 陆元荣, 唐国有, 郭之虞. 基于小型加速器的编码中子源成像研究. 物理学报, 2013, 62(12): 122801. doi: 10.7498/aps.62.122801
[18]	于全芝, 殷雯, 梁天骄. 中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析. 物理学报, 2011, 60(5): 052501. doi: 10.7498/aps.60.052501
[19]	李竹起, 阮景辉, 吴善令, 杨同华, 何敏, 陆挺, 成之绪, 陈桂英, 叶春堂. 用于凝聚态物质研究的旋转晶体中子飞行时间谱仪. 物理学报, 1980, 29(11): 1462-1470. doi: 10.7498/aps.29.1462
[20]	卢鹤绂, 姚震黄. 关於热能中子所致铀235分裂时发出的中子数目的讨论. 物理学报, 1955, 11(3): 199-206. doi: 10.7498/aps.11.199

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中国散裂中子源反角白光中子束流参数的初步测量