D-T中子源束斑尺寸测量技术及应用

2020-12-15陈红涛阮念寿

原子能科学技术 2020年12期

张凯，侯龙,*，陈红涛，鲍杰，苏明，阮念寿，赵芳

(1.中国原子能科学研究院核数据重点实验室，北京 102413； 2.中国工程物理研究院材料研究所，四川绵阳 621000)

在核安全保障、核军备控制和核不扩散等领域均涉及到对特种核材料的探测，D-T中子源由于具有中子能量高、穿透性强、便于控制的特点，已开始在主动探测方法中得到应用[1-4]。利用D-T聚变反应同时出射的α粒子和n具有时间关联和位置关联特性，通过对α粒子时间和位置信息的探测，可跟踪特定方向的中子，实现出射中子的自准直，结合中子飞行时间符合测量，可挑选特定中子进行探测。通过α粒子与透射中子关联，可实现对核材料的透射断层扫描成像；α粒子与裂变中子关联，可实现裂变映射成像；α粒子与散射中子关联，可实现散射中子成像。由于中子发生器的D+束斑不是一个质点，而是具有一定的几何尺寸，就会导致由α粒子标记出射中子出现一定的角不确定度，从而导致透射断层扫描成像、裂变映射成像和散射中子成像在中子位置重建过程中出现拖尾效应(smearing effect)[5]，导致成像质量变差影响位置分辨效果。在α探测器位置分辨小于1 mm的情况下，影响成像系统角分辨的关键因素就是束斑尺寸，所以在成像过程中要保证束斑尺寸尽量小。

中子发生器对束斑尺寸进行测量的方法中，最简单的是对新靶样品进行一段时间的持续轰击，通过测量束流轰击后留下的束斑痕迹推断束斑尺寸[6]，但这种方法在已完成聚束调节的前提下才有效，具有滞后性；一种方式就是用石英玻璃片代替靶，利用CCD相机进行观测测量，这样虽可实现束斑尺寸测量，但只能在实验调试前进行，不能测量实验过程中的束斑尺寸。美国ORNL实验室是利用α点探测器，结合多个中子探测器形成的阵列探测器进行关联α-n符合观测，根据符合中子探测器的个数来推断中子发生器束斑尺寸[7]，虽可实现束斑测量，但所需探测器数量较多，电子学复杂，不利于实验过程中的束斑检测。西安交通大学王东明博士利用辐射编码成像技术对ING-27型便携式中子发生器的中子束斑进行了测量[8]，实验利用α面阵探测器结合中子面阵探测器进行特定区域n-α符合测量，能获得较好的测量结果，但测量过程和处理更复杂，不利于实践中的束斑测量。

为实现D-T中子源束斑更便捷的测量，本文研究利用二维面阵高时空分辨的α探测器阵列和单个中子探测器的n-α测量技术，对小型移动中子发生器的D+束斑的尺寸进行物理测量。

1 测量方法

1.1 核反应动力学分析

图1 D-T聚变反应在质心坐标系和实验室坐标系下的速度关系Fig.1 Illustration of velocity of reaction products of D-T fusion reaction in COM and LAB coordinate systems

在小型移动D-T中子发生器中，加速器将D+粒子加速到120 keV能量后轰击固态T-Ti靶，D-T聚变产生n和α，具体反应过程如图1所示。VCM即质心速度，VnC和VαC分别是在质心(COM)坐标系下，n和α粒子出射的速度，两者方向完全相反。VnL和VαL分别是在实验室(LAB)坐标系下n和α粒子的出射速度，由于质心速度VCM的存在，所以根据动量守恒定律，在实验室坐标系下，n和α粒子出射方向的夹角(ψ+φ)并不是严格的180°，而是小于180°。

根据图1中的动量和能量守恒，可推导出以下关系：

(1)

(2)

其中：

ET=ED+Q

在ED=120 keV的条件下，ψ、φ关系如图2所示。

从图2可看出，随着n出射角度ψ的增大，n和α粒子夹角(ψ+φ)先变小后变大，在70°<ψ<100°变化时，n和α粒子夹角(ψ+φ)变化最为平缓，范围在168.2°～168.8°中间。在实际测量过程中，将中子探测器放置在与D+入射角度90°方向，(ψ+φ)角度为168.3°，相当于将α粒子图像整体向D+束入射方向偏移了12°。

图2 实验室坐标系下n和α出射角度关系图Fig.2 Illustration of n and α emission angles in LAB coordinate system

1.2 测量原理

在D(t,n)He聚变过程中，利用具有超快时间分辨的α位置灵敏探测器对聚变过程中的α粒子进行测量，与在α粒子关联角度内的一定尺寸中子探测器的中子信号进行时间符合，可获得关联α粒子的二维图像，该图像的形状和尺寸与中子源束斑的形状和尺寸具有几何对应关系，从而实现对中子源束斑尺寸的精确监测。具体流程如图3所示。

整个束斑尺寸测量的过程是基于一小尺寸的快中子探测器和α位置灵敏探测器。为剔除γ射线的干扰，快中子探测器需具有n/γ甄别能力。为剔除散射中子对测量结果的影响，中子探测器时间响应需很快。实验过程中将中子探测器放置在α位置灵敏探测器的关联角度内，中子探测器前表面与靶中心距离为L，所使用的中子探测是具有n/γ脉冲形状甄别能力、快时间响应的小尺寸中子探测器，中子探测器有效截面尺寸为φn。

图3 n-α关联符合法测量束斑尺寸原理图Fig.3 Schematic diagram of n-α correlation coincidence method to measure beam spot size

α位置灵敏探测器与靶中心距离为l，利用飞行时间法测得与中子探测器时间关联的α图像，即直射中子的关联α图像，尺寸设为φα，再根据α粒子和中子出射角度关系和探测器与束斑的位置关系，可得到束斑图像。根据各探测器的位置关系可求得束斑尺寸φt如下。

(3)

由上述分析中可看出，在假定中子探测器在90°方向的相对于中子源张角不大的情况下，带来的α粒子出射偏移角变化不大，可假设α粒子向D+束入射方向偏移角均为θ，如图4所示。

图4 α关联图像偏移示意图Fig.4 Schematic diagram of α related image shift

中子探测器直径为φn，中子探测器与中子源距离为L，中子源与α探测器距离为l，且令实验中(L+l)≫(φα+φn)，则可求得：

(4)

进而求得：

φα-φ′α=ltanφ+ltan(θ-φ)-ltan(θ+φ)=

(5)

所以实验中获得的α关联图像需进行lφ修正，即：

(6)

进而最终求得修正后的α图像直径为：

(7)

则经修正后的束斑尺寸公式为：

(8)

2 实验测量

根据前面的测量原理，测试布局如图5所示。中子探测器使用塑料闪烁体EJ299-33A，其具有较好的n/γ甄别能力，可有效剔除环境中γ本底对探测结果的影响。中子探测器放置在距靶头2.5 m的弧形轨道上，探测器与中子源处于同一水平面上，探测器可在弧形轨道上移动来改变关联角度，实验时将其固定在与入射D+束成90°方向上。

图5 时间分辨率在线测试示意图Fig.5 Schematic diagram of time resolution on-line measurement

伴随α粒子采用标记中子靶管上的高时空分辨α探测器阵列进行探测，其主要由ZnO∶Ga探测器、蓝宝石玻璃和多阳极光电倍增管(PSPMT)H13700[9]组成，探测器整体放置于D+入射的90°方向。该阵列探测器的位置分辨好于1 mm，可分辨出0.3 mm的狭缝和栅条结构[8]。

中子探测器光电倍增管的阳极信号和α关联探测器的A、B、C、D、T共5路信号由数字化仪DT5730采集，通过COMPASS软件进行数据获取，通过MATLAB软件对数据进行分析。

实验中，由于产生中子的同时，快中子会活化靶头金属材料，产生较强的γ本底，所以在用塑料闪烁体EJ299-33A测中子时也会测到很强的γ信号，对束斑测量结果产生较大影响，可根据n/γ不同的下降沿时间进行粒子脉冲形状甄别(PSD)。实验中通过COMPASS软件对中子探测器信号进行长窗积分时间和短窗时间积分参数设置，获得长窗时间电荷积分值Qlong和短窗时间电荷积分值Qshort，进而获得信号的PSD参数如下：

(9)

获得的PSD散点如图6所示，横坐标对应粒子能量，纵坐标为不同粒子的PSD，从图6可看出，根据设定合适的PSD可很好地分辨出中子信号和γ信号。

图6 EJ299-33A中子探测器信号PSD谱Fig.6 PSD spectrum of EJ299-33A neutron detector

通过选择PSD>0.15的信号可甄选出n信号，用筛选后的n信号作开门信号，在200 ns的符合时间窗内寻找中子探测器的符合信号，获得的飞行时间谱如图7所示。

图7 n-α飞行时间谱Fig.7 TOF spectrum of neutron and alpha particles

从图7可看出，中子飞行时间谱的半高宽约0.8 ns，可见关联α探测器具有很好的时间性能，与文献[8]的n-α时间关联小于1 ns的结果一致。很好的时间分辨性能可剔除散射中子和偶然符合对关联α图像探测的干扰。

在标记中子源源强在<1×107s-1的情况下，n-α的符合计数率为23.5 s-1，测量200 s后得到的关联α图像如图8a所示，关联图像在x轴方向的投影如图8b所示。经标定，关联α探测器获得的关联图像每道对应的实际长度为0.25 mm[8]，α重建图像x轴方向投影通过高斯拟合的半高宽为13.35，对应宽度为φ′α=3.34 mm。将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计算公式(式(9))可得φt=2.8 mm。

3 结果分析

利用n-α关联的方法进行束斑测量是基于式(9)中中子探测器距离和伴随α探测器距离是可精确测量的，对测量结果的不确定性影响很有限，所以关联α图像尺寸φ′α是影响实验测量结果重要的因素。

关联α探测器阵列的位置分辨直接决定了关联α图像尺寸φ′α的测量精度，由文献[8]中得到α探测器阵列的位置分辨为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。

图8 2D位置灵敏探测器关联α图像Fig.8 Image of associated alpha particle by 2D position sensitive detector

为验证束斑尺寸测量结果的合理性，在不改变离子源和聚束高压的前提下，利用3 mm厚的蓝宝石玻璃代替氚靶，利用CCD相机对束斑进行直接观测，观测结果如图9所示。

图9 CCD相机拍摄的束斑照片Fig.9 Image of beam spot by CCD camera

图9中的光晕是粒子打到蓝宝石玻璃上反光形成的光晕，从图9可清晰看出束流聚焦成1个亮斑。CCD相机整个视窗与靶头尺寸均为50 mm，根据像素点推得的束斑直径约为3 mm，与利用关联α探测器测得的束斑尺寸接近，证明了n-α符合测量方法的准确性。

利用该方法对中子发生器调束过程中的n-α符合后的关联α粒子图像进行测量，调束过程关联α粒子图像变化如图10a、b、c、d所示，可见关联α粒子图像可直观反映出调束过程中束斑形状的变化，所以利用该方法可为D-T中子源的调束进行辅助监测。

4 结论

本文基于D-T聚变反应中n和α粒子时间空间关联的特性，研究了新型的束斑测量技术，得到了动力学修正后的束斑尺寸计算公式。利用中子探测器和关联α探测器阵列，建立了束斑尺寸测量系统，对新研制的D-T标记中子发生器的束斑大小进行了间接测量，获得的n-α符合的关联α粒子图像尺寸为(3.34±0.90) mm，由此推得的束斑尺寸为(2.8±0.9) mm，与利用CCD相机对束斑尺寸进行直接测量得到的3 mm结果一致，证明了该测量方法的可行性和准确性，为该中子发生器用于核材料的断层扫描成像提供了技术支持。束斑尺寸测量的不确定性主要由伴随α探测器阵列的位置分辨不足引入，若将伴随α探测器阵列的位置分辨能力提高，束斑尺寸测量误差可进一步减小。该方法可为D-T中子发生器调束进行辅助测量，也可在后期成像实验过程中对中子发生器的束斑进行过程监测，以保证多轮断层扫描成像实验条件的一致性。