唐靖宇，安 琪，白怀勇，鲍 杰，曹 平，陈琪萍，陈永浩，程品晶，崔增琪，樊瑞睿,3，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，季筱璐，吉旭阳，江浩雨，蒋 伟，敬罕涛，康 玲，康明涛，李 波，李 论，李 强，李 晓，李 洋，李 样， 刘 荣，刘树彬，刘星言，栾广源，马应林，宁常军，齐斌斌，任 杰，阮锡超，宋朝晖，孙 虹，孙晓阳，孙志嘉,3，谭志新，唐洪庆，王鹏程，王 琦，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，易 晗，于 莉，余 滔，于永积，张国辉，张 旌，张林浩，张利英,3，张清民， 张奇玮，张显鹏，张玉亮，张志永，赵映潭，周 良，周祖英，朱丹阳，朱科军，朱 鹏

(1.中国科学院 高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科学中心，广东 东莞 523803； 3.核探测与核电子学国家重点实验室，北京 100049/合肥 230026；4.中国科学技术大学 近代物理系，安徽 合肥 230026；5.北京大学 物理学院 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871； 6.中国原子能科学研究院 核数据重点实验室，北京 102413； 7.中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900； 8.南华大学，湖南 衡阳 421001；9.西北核技术研究所，陕西 西安 710024； 10.中国科学技术大学 工程与应用物理系，安徽 合肥 230026； 11.北京航空航天大学，北京 100083；12.西安交通大学，陕西 西安 710049)

高性能白光中子源在核数据测量、基础核物理、粒子物理、中子辐射效应和中子照相等广泛领域或方向上有非常重要的应用。在核数据测量研究方面，新一代核能技术、核天体物理、基础核物理、核医学和国防战略武器研究等都有较强烈的需求，如在新一代核能技术领域，随着包括各种不同类型的第4代反应堆、加速器驱动次临界核能系统(ADS)、钍基熔盐堆和聚变堆在内的新一代核能系统的发展，对一系列重要核素的中子反应截面测量提出了更高的要求，包括更高的精度、更宽的能区范围、更多的反应类型，以及原来难以测量的短寿命或稀有核素的数据。这就需要发展新的测量系统，包括更强大的中子源和更强大的实验谱仪，以及新的制靶技术和实验方法，高性能白光中子源及其配套的谱仪系统为这样的研究提供了一个强大的平台。高性能白光中子源也能同时开展范围广泛的应用研究，如中子探测器的标定是中子科学研究和应用中新型探测器发展所必须的，高能中子单粒子效应是大规模集成电路中影响可靠性的重要因素，中子辐射损伤效应和中子诱导材料改性也是很重要的应用，基于白光中子源的照相技术也有诱人的前景。

高性能白光中子源可产生强度很高、连续能区且覆盖范围非常宽并有很好脉冲特性的中子束流，从而可利用飞行时间方法测量记录所有参与反应中子的能量，并在一个实验过程中开展全能区中子诱发反应的测量，既能保证实验测量的高效率，也能保证测量的高精度。高性能白光中子源经历了20世纪60年代的强流中能电子直线加速器驱动的中子源(第1代白光中子源)和20世纪80年代以后由高功率质子加速器驱动的中子源(第2代白光中子源)，前者基于光核反应产生中子，覆盖能区上限到几MeV，且强度较弱(总中子产额1013～1014s-1)，主要开展共振区的核数据测量；后者基于散裂反应产生中子，覆盖能区可达几百MeV，且强度要大得多(总中子产额1015～1016s-1)，应用范围也更广。目前仍在运行(或刚停止运行)的第1代白光中子源主要有：位于比利时Geel的欧盟联合研究中心JRC-IRMM的GELINA装置[1]、位于美国ORNL的ORELA装置[2](已于2015年停止运行)和位于伦斯勒理工学院(Rensselaer Polytechnic Institute)的Gaerttner直线加速器[3]。第2代白光中子源主要有：美国LANL的LANSCE装置[4]和欧洲CERN的n_TOF装置[5]，以及我国新建成的中国散裂中子源(CSNS)反角白光中子源(Back-n)装置[6-7]。也有一些非典型的白光中子源，相对于主流装置，其性能较低，第1代白光中子源类型如位于俄罗斯Dubna联合研究所(JINR)FLNP实验室的IREN装置[8]、韩国PAL的PNF装置[9]和中国科学院上海应用物理研究所的光中子源[10]，它们都是基于较低能量/束流功率的电子直线加速器，实验条件不够完善，特别是缺少功能强大且种类多的谱仪系统；第2代白光中子源类型如日本J-PARC上的ANNRI装置[11]，它依托日本散裂中子源J-PARC/JSNS靶站引出的慢化中子束，能谱处于低能区，最高可达到几keV。本文将介绍CSNS Back-n白光中子源性能、实验谱仪和初期运行的实验情况。

1 Back-n白光中子束线

CSNS是一台基于高功率质子加速器的大型多学科应用平台，其核心应用是利用高功率质子束打靶产生的高强度中子，慢化后变为热中子或冷中子束流，开展基于中子散射技术的物质结构研究，一期工程包括1台能量为1.6 GeV、束流功率为100 kW、重复频率为25 Hz的高功率质子加速器和1台散裂靶站及多台中子散射谱仪，二期升级工程将质子束打靶功率提高到500 kW。Back-n反角白光中子源是CSNS的扩展应用平台，与CSNS一期工程于2018年3月同步建成。CSNS在国际上首次开发了利用沿质子束打靶通道反流回来的中子束流(反角中子)，使之成为一条具有高注量率和高飞行时间分辨率的Back-n白光中子束线，其综合性能处于国际最先进水平[12-13]。图1为Back-n的布局，专门设计的偏转磁铁使质子束打靶前偏转15°以将反角白光中子束流与质子束流分离。

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

图2 Back-n中子能谱模拟和测量结果Fig.2 Simulated and measured neutron energy spectrum at Back-n

设计阶段开展的蒙特卡罗模拟研究和后来的能谱测量实验[14]表明，反角中子束流的强度高、能区覆盖范围宽、脉冲特点较好，经过优化设计，可提供品质优秀的白光中子束流和实验区条件，包括2个实验厅(ES#1和ES#2)、多套不同组合的束斑设置、极低的实验厅本底等。为提高百keV以上能区中子的飞行时间测量精度，还开发了CSNS加速器的特殊运行模式，从而可提供不同要求的短束团质子束或仅保留通常运行模式下每个脉冲2个质子束团中的一个。图2为距散裂靶约76 m处的ES#2实验厅样品位置的中子能谱(加镉吸收片)，该能谱分别通过裂变室(235U)和Li-Si探测器测量得到，在低能区，235U有很多共振峰，影响测量结果，应采用Li-Si探测器给出的结果，另外，能量低于0.5 eV的中子被中子束窗位置的镉片所吸收。图3为不同加速器模式下相同位置的飞行时间测量分辨率。本项目组还专门发展了双束团解谱方法，从而使CSNS正常运行模式下，全能区范围的绝大部分都能获得与单束团类似的结果，模拟实验研究和实际实验数据处理都验证了该解谱方法的可靠性。

图3 不同加速器运行模式下 飞行时间分辨率(距散裂靶80 m)Fig.3 Time resolution at distance of 80 m from spallation target in different accelerator operation modes

根据实验需要，通过对中子束开关、准直器1、准直器2进行不同孔径的联合设置，可在ES#1和ES#2实验厅提供不同束斑大小和剖面分布的中子束流，相应的中子注量率也有较大差异(表1)。其中，ES#2实验厅样品位置的φ30 mm和φ60 mm束斑主要用于核数据测量，90 mm×90 mm束斑用于中子照相，中子束开关处的φ2 mm小孔径用于探测器标定，也可根据具体实验要求采用不同于表1的孔径组合。束线上配备了基于Li-Si探测器的在线中子流强监测系统，同时记录每个打靶质子脉冲的流强；也根据实验需要，采用CMOS相机或Micromegas探测器随时开展相应的样品位置处束斑分布的测量。

表1 Back-n中子束注量率和束斑的主要组合Table 1 Main combinations of neutron flux and spot size at Back-n

经过精心设计，2个实验厅的本底均处于很低的水平，包括中子本底和γ本底，尤其是ES#2实验厅基础本底非常低，注量率与束流内部相比相差108倍，可为核数据测量提供非常好的效应本底比[15]。实际本底测量虽证实了设计模拟的可靠性，但发现尽管隧道距离地面约13 m，天然γ本底与地面上相近，是γ本底的主要来源，但天然γ本底的影响较易在实验数据处理中扣除。研究也发现，由不同实验设置自身带来的本底，如束流在样品和其底衬的散射中子和γ对测量造成的影响要远大于基础本底的影响，气体探测器的真空窗或样品位置的束流管窗也会产生散射效应。

2个实验厅各有优缺点，ES#1实验厅注量率较高，但飞行距离较短，导致时间分辨较差，且基础本底也偏高，适于开展对中子注量率要求高的核数据测量；ES#2实验厅注量率较低，但飞行时间测量的精度更高，且束斑均匀性更好、基础本底更低，适于高精度实验的开展。对于全截面测量实验，可将样品放在ES#1实验厅而探测器放在ES#2实验厅，利用二者中间的准直器2和隔墙可大幅降低样品散射造成的影响。对于某些易受随反角中子束流从散裂靶来的γ暴影响的实验，一个可行的方法是在ES#1实验厅放置可显著降低γ强度的吸收体如铅块，而将探测器/谱仪放在ES#2实验厅。

2 Back-n上开展核数据测量研究的实验谱仪

绝大多数适合利用飞行时间方法和在线测量的核数据测量实验都可在Back-n上开展，Back-n也因此规划了多台适合不同类型测量的谱仪，包括开展中子俘获截面测量的C6D6谱仪、GTAF-Ⅱ和GTAF-Ⅲ谱仪，开展裂变截面测量的FIXM谱仪，开展全截面测量的NTOX谱仪，开展带电粒子出射测量的LPDA谱仪，开展裂变瞬发中子谱(PFNS)测量的FINDA谱仪，开展在束γ谱测量的GAEA谱仪，同时也在设计一种多功能时间投影室(MTPC)谱仪以测量轻带电粒子和裂变产物，以及考虑利用GTAF-Ⅱ/Ⅲ或GAEA开展裂变瞬发γ谱的测量。其中，C6D6、FIXM、NTOX和LPDA已建成并投入运行，在中国原子能科学研究院原有的40单元4γ-BaF2阵列(GTAF)[16]基础上升级的GTAF-Ⅱ即将投入运行。然而，Back-n只有1条中子束线和2个实验厅，正常情况下，只能安排1个核数据测量实验，其他谱仪必须离线安置，而不同的测量类型对束流条件的要求并不相同，各谱仪或测量的具体布局如图4所示。

2.1 中子俘获截面测量谱仪

中子俘获截面数据在国防建设、新一代核能系统研发和基础物理研究等领域都具有重要的应用价值，可为核设施与核装置的设计、核天体物理理论计算，以及我国的核数据库完善提供重要的参考数据。前期已投入实验测量的C6D6谱仪是由4个基于氘代苯(C6D6)的液闪探测器组成的(图5a)。尽管探测效率不高，但这种探测器使用简单，对原子核俘获中子发射的特征γ测量很直接，入射中子能量分辨率小于1%，得到的俘获截面不确定度小于5%。利用该谱仪已开展了多个核素的共振区俘获截面测量。

图4 Back-n上不同类型核数据测量的位置安排Fig.4 Experimental setup for different nuclear data measurements at Back-n

即将投入实验测量的是GTAF-Ⅱ谱仪(图5b)，该谱仪原是中国原子能科学研究院在21世纪初建造的，为适应在Back-n上的测量研究，在原谱仪基础上增加了内中子屏蔽体(基于B4C材料的球壳形)，采用全新的高事例率全数字化读出电子学和全数字化触发判选系统，研制了新的探测器支架(包括球形支架和底部支架)。因其有近4π立体角的覆盖，探测效率较C6D6高得多，2019年下半年投入使用后，将大幅提高对一些反应截面很小或微量样品的俘获截面测量的能力。

图5 进行在线测量的C6D6谱仪(a) 和改造前的GTAF谱仪(b)Fig.5 C6D6 spectrometer under experiment (a) and GTAF spectrometer before upgrading (b)

另外，性能更高的GTAF-Ⅲ谱仪也已完成了设计，它共有90个探测器单元，不仅立体角覆盖更高，而且因为内部空间更大，可采用更大的束斑和更好的中子屏蔽层，将有更强的竞争力。

2.2 裂变截面测量谱仪

重元素中子诱发的裂变截面在先进核能开发、核废料处理、国防科研、天体物理、核物理研究等众多领域是非常重要的基础数据。目前Back-n上已建成的裂变截面测量谱仪是快响应多层裂变电离室(FIXM)，具有8层结构，即可填装相同或不同的8片核素样品，采用MesytecMSI-8型前置放大器，后接共用电子学和数据获取系统。中子轰击裂变核素诱发裂变后，高能裂变碎片穿出样品进入电离室工作气体中，诱发工作气体电离。电离信号被电离室的信号电极收集，再通过电子学及数据获取系统进行放大、波形数字化和存储分析，通过采集到的裂变事件进行分析得到裂变截面信息。谱仪结构示意图如图6所示。

图6 快响应多层裂变电离室Fig.6 Fast-response multi-layer fission ionization chamber

为提高探测效率，核素样品必须足够薄，采用电镀等方法在薄底衬(通常为10～100 μm铝)上均匀沉积一层待测量核素(厚度约100 nm)，同时为保证测量精度，必须使用高纯度裂变核素，并需细致分析核素中同位素的影响并加以消除。裂变电离室内充满P10工作气体，气压可根据不同的实验需要预先设定，裂变核素镀片和收集电极之间加载200～600 V高压。可同时装配标准样品(如235U和238U)和待测核素样品，以进行相对截面测量。在通常情况下，FIXM安装在ES#2实验厅，飞行距离约76 m，也可根据需要放在ES#1实验厅，以利用更高的中子注量率。

另外，正在设计研究TPC类型的探测器，希望在今后若干年内建成，这将大幅提高裂变截面测量的效率，并可同时测量裂变产物。

2.3 全截面测量谱仪

全截面为中子与原子核发生所有核反应作用截面的总和，这些相互作用包括散射、吸收、俘获、裂变等，中子全截面是核数据库的最基础数据，因而非常重要。全截面是通过测量中子穿过待测样品的透射率来实现的，考虑到中子束流的复杂能谱结构，一般采用有/无样品的实验数据的比较方法。考虑到不同类型核素在不同中子能区全截面的巨大差别以及不同类型的中子探测器探测效率也与中子能区关联很大，通常需要1套组合型探测器来完成这样的测量。目前，已投入使用的全截面测量谱仪(NTOX)是基于FIXM探测器(加载235U和238U标准样品)和1个待测样品驱动机构(可远距离操控)，待测样品放在ES#1实验厅，可随时更换不同厚度的样品或无样品，FIXM探测器则放在ES#2实验厅，中间有1个准直器可有效清除散射的中子并保证ES#2实验厅的低中子本底(图7)。其他类型的中子测量探测器也将随后建立，其中测量快中子的闪烁探测器可随时投入。

2.4 带电粒子出射测量谱仪

中子诱发的轻带电粒子出射反应截面数据对新一代核能系统(包括第4代反应堆、ADS等)的研发尤为重要，涉及到中子探测、辐射防护与检测、反应堆控制与运行等多个方面；同时，一些关键核素的中子诱发带电粒子出射过程对核天体物理中的恒星模型至关重要，中子探测方法和强子治疗等也需要更精确的这类数据。

图7 全截面测量实验示意图Fig.7 Schematic for total cross-section measurement

Back-n目前配备的中子诱发带电粒子探测器系统(LPDA)基于ΔE-ΔE-E望远镜阵列，共16个探测器单元，每个单元包括1个MWPC型气体电离室(ΔE)、1个硅探测器(ΔE)和1个CsI(Tl)探测器(E)，对应出射质子的测量能量上限为100 MeV。探测器阵列位于1个直径为1 m的真空靶室内(图8)。该谱仪具有适应全能区中子和可同时测量出射粒子角分布的特点，总体性能国际领先。整个谱仪包含5个子系统及3个外围子系统，它们是探测器系统、真空系统、气路循环系统、样品自动换样和底盘转动系统和控制系统，并与共用电子学系统和数据获取系统相连接。也可根据具体实验的需要灵活配置靶室内的探测器，如LPDA首个实验(6Li(n,t)实验)采用了15个硅探测器组成的阵列。

图8 LPDA结构示意图(a)和首次实验时的靶室内部布局(b)Fig.8 Structure of LPDA spectrometer (a) and detector arrangement in vacuum chamber for the first experiment (b)

2.5 规划谱仪

除以上几台谱仪已建成并投入运行以外，其他几台规划的谱仪仍在寻找经费支持，其中FINDA和GAEA的主要设计目标如下。

1) FINDA谱仪

图9 FINDA的中子探测器示意图(1/2阵列)Fig.9 Schematic for FINDA spectrometer (half array)

裂变瞬发中子谱(Prompt Fission Neutron Spectrum, PFNS)是重要的核数据，在国防科技、先进核能的反应堆设计、反应堆运行、核技术应用及核物理理论研究中都有重要的应用价值。FINDA (Fission Neutron spectrum Detector Array)谱仪是针对PFNS测量需求而设计的闪烁探测器阵列方案，探测器安装示意图如图9所示。该探测器阵列由64个中子探测器(包括48个5″×2″的液闪探测器和16个2″×2″锂玻璃探测器)和1个PPAC(并行板雪崩计数器)构成，能覆盖6.45%的全空间立体角。其中，液闪探测器用于快中子探测；锂玻璃探测器用于1 MeV以下低能区的中子探测；PPAC用于测量裂变事例，共有8层，相当于8个裂变室，总样品量约100 mg。为保证出射中子的能量分辨率，PPAC时间分辨应好于1 ns。液闪探测器距离PPAC中心1 m，锂玻璃探测器距离PPAC中心0.4 m，两类中子探测器阵列半径不同，但其对PPAC中心的总立体角覆盖相当。

2) GAEA谱仪

中子与靶核发生核反应后，除弹性散射外几乎都伴有余核放射出的瞬发γ射线，通过测量这些特征γ射线，可对反应过程进行分析，进而得出相应的反应截面和核结构信息。采用直接测量中子的方法时经常有其他反应道中子的干扰问题，对裂变核的干扰尤其严重，而测量瞬发γ射线可避开其他反应道的干扰问题。精确的在束γ谱测量在核能领域的燃料核素和结构材料核素的测量、基础核物理领域的核谱学与核结构研究(衰变谱学与在束γ谱学等)方面有很重要的应用。

GAEA谱仪是由90个探测器单元组成的4π球型探测器阵列(图10)，包括50个HPGe探测器、10个Clover探测器(每个单元内含4个HPGe探测器)、10个平面锗探测器和20个LaBr3探测器。该谱仪不能直接应用现有共用电子学系统，需研发新的更高精度的读出电子学。

图10 GAEA谱仪伽马谱测量示意图Fig.10 GAEA spectrometer and in-beam gamma spectrum measurement

2.6 共用电子学和数据获取系统

Back-n上已配备和将新增多种不同类型的谱仪，每种谱仪都有其物理目标和探测器系统，因而其对读出电子学的要求也各不相同。为简化电子学系统的研制和提高运行效率，Back-n对各谱仪和读出电子学采用共用设计的思路，包括探测器模拟信号适配电路和全数字化处理读出电子学[17]，同时也采用统一的数据获取软件。在开展不同的实验甚至是多个实验同时在线时，各探测器单元的信号均通过与其相配的信号调理模块(SCM)调理成统一的差分电平后再接入到全数字化的共用读出电子学中，基于PXIe技术的多通道共用电子学具有高速处理和记录数据的能力，将输入的波形进行数字化处理、数字化判选和缓存(采样率1 GSPS、量化精度12 bit)，并具有全局同步的时钟和触发系统，可进行飞行时间(TOF)精确测量(图11)。项目组正有步骤地增加共用电子学的通道数，目前已有30个通道，2019年底将增至64个通道，满足目前所有的谱仪和即将投入的GTAF-Ⅱ的需求。

数据获取(DAQ)系统通过以太网连接公共电子学模块，进行配置信息下发和数据读出。数据流模块包括读出、在线分析、存储，提供运行控制、波形抽样显示、日志、实验管理数据库等功能，如图12所示。

图11 共用电子学结构示意图(a)和电子学模块实物图(b)Fig.11 Schematic structure for common readout electronics (a) and photos for circuit module (b)

3 Back-n上开展的其他研究

在Back-n上开展的实验研究方向较多，除以上重点介绍的核数据测量实验外，其非常宽的能谱范围、高流强和时间分辨好的特性还可用于开展探测器标定、高能中子单粒子效应研究[18]、中子照相、积分实验等。其中，全元素共振中子成像方法是一个在国际上尚处于发展早期的中子成像方法，Back-n的高流强特点在这方面有很大的优势[19]，相关技术的发展正在进行中；大规模集成电路的高能中子单粒子效应是芯片技术发展的重要障碍，在国内有很大的需求，Back-n提供了目前国内唯一的测试平台；随着中子科学和应用的发展，对新型中子探测器的需求也随之增大，Back-n也提供了目前国内唯一的宽能区范围标定平台。其他的应用还包括中子计量学和粒子物理中的中子基本属性精确测量实验等。

图12 共用数据获取系统示意图Fig.12 Schematic for data acquisition system

4 Back-n初步运行

自2018年3月开始试运行以来，Back-n上已开展了一系列不同类型的实验，全年开展各种类型实验的束流时间达4 100 h，其中用户实验束流时间2 560 h，开展实验20个，包括中子俘获截面测量、裂变截面测量、全截面测量、带电粒子出射测量、探测器标定、高能中子单粒子效应、中子辐照改性或损伤、中子成像等，用户来源广泛，包括研究院所、高校和企业，完全达到了预期目标。系列束流特征测量实验证实了中子束线设计的正确性和其拥有的高性能指标，实验厅本底达到预期的低本底水平，首批投入运行的几台谱仪、共用电子学和数据获取系统运行非常可靠、性能优异，从而保证了第一年物理实验和应用实验的顺利开展，数据质量很高。典型的核数据测量实验有：国内首次共振区中子俘获截面测量实验(197Au、169Tm和57Fe)、裂变截面测量实验(235U、238U和236U)、全截面测量实验(12C、27Al)、带电粒子出射测量实验(6Li和10B)，其中，6Li(n,t)的全能区微分截面测量数据大幅扩展了国际上已发表数据的完整性。加速器打靶束流功率也从最初的10 kW逐渐提高到20 kW和50 kW，正进一步向设计指标100 kW靠近。

5 总结和展望

Back-n的建成为我国科学家今后开展高质量的核数据测量研究和范围广泛的其他研究和应用提供了国际一流的实验平台。然而，为开展国际一流的实验研究，不仅需要性能优异的中子束流条件，还需要尽快建设几台规划中的大型阵列谱仪，同时，发展白光中子源实验方法和样品条件建设。吸引更多的科研院所和高校潜在用户在Back-n上开展高水平的实验研究，并积极开展用户合作也将是Back-n合作组的重要责任。另外，CSNS也正在积极申请CSNS升级工程建设，以期将打靶束流功率提高到500 kW，这将进一步提高Back-n的国际竞争力。

本项目还得到Back-n合作组各成员单位中国科学院高能物理研究所、中国原子能科学研究院、中国工程物理研究院核物理与化学研究所、西北核技术研究所、中国科学技术大学自筹经费的支持，在此表示衷心感谢。