中國(guó)散裂中子源反角白光中子束斑測(cè)量

韓長(zhǎng)材，歐陽(yáng)曉平，張顯鵬，宋朝暉，鮑 杰，嚴(yán)維鵬

(1.西北核技術(shù)研究院，陜西 西安 710024；2.中國(guó)原子能科學(xué)研究院，北京 102413)

2018年8月23日，中國(guó)散裂中子源(CSNS)正式通過(guò)了國(guó)家驗(yàn)收。與此同時(shí)，中國(guó)科學(xué)院高能物理研究所、中國(guó)原子能科學(xué)研究院、中國(guó)工程物理研究院、西北核技術(shù)研究院以及中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)等5家單位合作，在質(zhì)子束反角方向上建立的一條核數(shù)據(jù)測(cè)量專(zhuān)用中子束管道(反角白光中子源，Back-n源)也正式對(duì)用戶(hù)開(kāi)放。反角白光中子源有兩個(gè)實(shí)驗(yàn)終端，分別位于約55 m和75 m處(ES1和ES2)，可開(kāi)展核數(shù)據(jù)測(cè)量等工作。反角白光中子源的建設(shè)不僅填補(bǔ)了我國(guó)核數(shù)據(jù)測(cè)量用白光中子源的空白，也為提高我國(guó)核數(shù)據(jù)測(cè)量水平、開(kāi)展先進(jìn)核裝置設(shè)計(jì)和中子物理診斷研究提供了重要支撐[1-3]。用于核數(shù)據(jù)測(cè)量的白光中子源，除需要有較高的中子強(qiáng)度和較小的實(shí)驗(yàn)本底外，還要有較好的束流品質(zhì)。一般情況下，測(cè)量核反應(yīng)截面所用的樣品量較少，樣品面積較小。為準(zhǔn)確獲得樣品處的中子注量率，要求中子束有較好的束斑形狀：束斑內(nèi)有較好的均勻性，束斑邊緣較陡峭等。為此，本文對(duì)中子束斑特性參數(shù)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)測(cè)量和定量分析。

1 CSNS反角白光中子源

中國(guó)散裂中子源由質(zhì)子加速器驅(qū)動(dòng)，加速器主體包括1臺(tái)80 MeV的負(fù)氫直線(xiàn)加速器、1臺(tái)1.6 GeV的快循環(huán)質(zhì)子同步加速器、2條質(zhì)子束流輸運(yùn)線(xiàn)等。中國(guó)散裂中子源第1期的設(shè)計(jì)束流功率為100 kW，脈沖重復(fù)頻率25 Hz，質(zhì)子流強(qiáng)62.5 μA，質(zhì)子束轟擊鎢靶，發(fā)生散裂反應(yīng)而放出中子，總的中子注量率高達(dá)2.0×1016cm-2·s-1。CSNS的質(zhì)子脈沖共3種運(yùn)行模式：普通模式、窄束團(tuán)模式和單束團(tuán)模式[1-2]。普通模式為雙束團(tuán)模式，由2個(gè)相隔約410 ns且半高寬約50 ns的單束團(tuán)組成。CSNS反角白光中子束線(xiàn)上有3個(gè)中子準(zhǔn)直裝置，分別是中子開(kāi)關(guān)、準(zhǔn)直器1和準(zhǔn)直器2，分別位于反角中子通道前端、ES1前墻外和ES2前墻外，如圖1所示。通過(guò)中子開(kāi)關(guān)和準(zhǔn)直器的配合，可在實(shí)驗(yàn)終端ES2處獲得3種不同幾何形狀的中子束斑，分別是直徑30 mm和60 mm的圓形束斑以及邊長(zhǎng)90 mm的正方形束斑[2-3]。ES1與ES2的束斑形狀相同，只是幾何尺寸略小。表1列出了準(zhǔn)直系統(tǒng)的孔徑和實(shí)驗(yàn)終端的束斑尺寸。從質(zhì)子束流的反角方向出射的大部分中子未經(jīng)過(guò)慢化體和反射層，具有很寬的能譜和較高的注量率。CSNS反角出射中子的能量在熱中子到幾百M(fèi)eV之間，峰值在1 MeV附近，如圖2所示。

圖1 CSNS反角白光中子源布局圖Fig.1 Layout of CSNS Back-n source

ES1束斑尺寸/mmES2束斑尺寸/mm中子開(kāi)關(guān)尺寸/mm準(zhǔn)直器1尺寸/mm準(zhǔn)直器2尺寸/mmES1中子注量率/(cm-2·s-1)ES2中子注量率/(cm-2·s-1)直徑20直徑30直徑12直徑15直徑402.20×1067.81×105直徑50直徑60直徑50直徑50直徑584.33×1071.36×107邊長(zhǎng)75×50邊長(zhǎng)90×90邊長(zhǎng)78×62邊長(zhǎng)76×76邊長(zhǎng)90×905.98×1072.18×107

圖2 CSNS反角白光中子能譜Fig.2 Spectrum of CSNS Back-n

2 中子束斑測(cè)量

CSNS反角白光中子束斑特性參數(shù)可為開(kāi)展核數(shù)據(jù)測(cè)量等物理實(shí)驗(yàn)調(diào)試提供數(shù)據(jù)參考，因此需在開(kāi)展正式實(shí)驗(yàn)前對(duì)其進(jìn)行定量測(cè)量[1-3]。目前，基于CSNS Back-n在建的中子束斑測(cè)量系統(tǒng)包括閃爍陣列探測(cè)器+多陽(yáng)極光電倍增管測(cè)量系統(tǒng)(MAPMT, multi-anode photo-amplifier)、MICROMEGAS探測(cè)器[4-6]。目前MAPMT有256個(gè)計(jì)數(shù)單元，組成了16×16的二維陣列，測(cè)量直徑60 mm中子束斑時(shí)，空間分辨約2.8 mm。如果增加更多的計(jì)數(shù)單元，同時(shí)實(shí)現(xiàn)放大通道并行化，MAPMT將能達(dá)到更好的空間分辨。MICROMEGAS探測(cè)器具有較高的空間分辨、良好的時(shí)間分辨和高計(jì)數(shù)率等特點(diǎn)，其空間分辨可達(dá)幾十μm[5]。目前建設(shè)中的MICROMEGAS測(cè)量系統(tǒng)的空間分辨約1 mm。為滿(mǎn)足精度較高的核數(shù)據(jù)測(cè)量等工作，根據(jù)實(shí)驗(yàn)要求，同時(shí)建立了一套空間分辨小于1 mm的基于門(mén)控增強(qiáng)型CMOS中子成像系統(tǒng)，利用像增強(qiáng)器的脈沖選通特性和中子飛行時(shí)間方法測(cè)量得到具有一定時(shí)間分辨能力的中子束斑圖像[4]。

3 成像系統(tǒng)和方法

3.1 實(shí)驗(yàn)裝置

成像系統(tǒng)位于反角白光中子源實(shí)驗(yàn)終端處，由圖像轉(zhuǎn)換屏、反射鏡、主物鏡、門(mén)控增強(qiáng)型CMOS相機(jī)等組成。實(shí)驗(yàn)原理如圖3所示。圖像轉(zhuǎn)換屏采用了兩種類(lèi)型的閃爍屏：直徑150 mm、厚10 mm的EJ-230塑料閃爍體(H∶C=1.104)和直徑150 mm、厚0.32 mm的EJ-426薄片熱中子屏(6LiF/ZnS)。在下文中，除特別指明外，所有實(shí)驗(yàn)和測(cè)量均采用EJ-230塑料閃爍體作為圖像轉(zhuǎn)換屏。主物鏡為Nikon 50 mm F1.8，相機(jī)為安道爾公司的iStar sCMOS，陣列大小2 560×2 160，像素尺寸6.5 μm，全幅幀頻50 Hz，圖像灰度16 bit。

圖3 實(shí)驗(yàn)原理圖Fig.3 Principle of experimental arrangement

3.2 成像系統(tǒng)參數(shù)設(shè)置

1) 觸發(fā)模式及時(shí)序

為獲得具有時(shí)間分辨能力的中子束斑圖像，需要CMOS工作在外觸發(fā)模式。觸發(fā)信號(hào)由放置在圖像轉(zhuǎn)換屏后端約1 m處的中子束流通道中的伽馬探測(cè)器提供，它探測(cè)到雙束團(tuán)的第1個(gè)γ-flash信號(hào)后，再經(jīng)過(guò)恒比定時(shí)器產(chǎn)生脈沖觸發(fā)信號(hào)，利用相機(jī)門(mén)控系統(tǒng)的脈沖選通特性，選擇不同的延遲時(shí)間和曝光時(shí)間，最終測(cè)量得到特定能區(qū)的中子束斑圖像。通過(guò)分析成像系統(tǒng)靈敏度可知，實(shí)驗(yàn)終端處束斑強(qiáng)度無(wú)法滿(mǎn)足1個(gè)脈沖就能獲得高質(zhì)量圖像的要求。因此，相機(jī)采用IOC工作模式，即在1個(gè)曝光周期內(nèi)，像增強(qiáng)器完成多次開(kāi)關(guān)門(mén)(單曝光時(shí)間)，采集多個(gè)脈沖信號(hào)后在CMOS傳感器上疊加(圖4)。除此之外，相機(jī)單個(gè)曝光周期最長(zhǎng)時(shí)間為30 s，累加多個(gè)曝光周期后最終一次讀出信號(hào)。這種方式極大提高了圖像信噪比。圖4中，ΔT1為伽馬飛行時(shí)間和同步觸發(fā)系統(tǒng)的內(nèi)部延遲，約176 ns；ΔT2為雙束團(tuán)間隔時(shí)間，約410 ns。

2) 曝光時(shí)間

圖像數(shù)據(jù)由中子信號(hào)和本底噪聲組成。中子信號(hào)服從泊松分布，其均值和方差相等，與曝光時(shí)間呈正比。本底噪聲均值與曝光時(shí)間呈正比，方差與曝光時(shí)間近似為二次函數(shù)關(guān)系[7]。分別采集曝光時(shí)間為600、900、1 800、3 600、7 200 s的本底圖像，計(jì)算得到其方差，通過(guò)二次多項(xiàng)式擬合，得到以曝光時(shí)間t為自變量，本底方差為因變量的二次函數(shù)關(guān)系式，擬合結(jié)果如圖5a所示。由圖2知，CSNS反角白光中子能譜峰值在1 MeV附近，選擇1～2 MeV能量區(qū)間進(jìn)行中子束斑圖像數(shù)據(jù)采集，當(dāng)曝光時(shí)間為900 s時(shí)，信號(hào)強(qiáng)度均值約200ADU。通過(guò)進(jìn)一步分析可得到圖像信噪比(SNR)與曝光時(shí)間的關(guān)系曲線(xiàn)，如圖5b所示。從圖5b可看出，SNR極限值為19.5，曝光時(shí)間大于3 600 s后圖像SNR增加的幅度不大。因此，本實(shí)驗(yàn)中成像系統(tǒng)曝光時(shí)間設(shè)置為3 600 s。

3.3 數(shù)據(jù)處理方法

CMOS相機(jī)用于長(zhǎng)時(shí)間曝光時(shí)必須考慮暗電流噪聲、暗白點(diǎn)噪聲等對(duì)圖像數(shù)據(jù)的影響，因?yàn)榧词乖跊](méi)有入射光情況下，這類(lèi)本底噪聲的強(qiáng)度也與曝光時(shí)間呈正比。圖6a、b示出了曝光時(shí)間3 600 s情況下的本底圖像和在束測(cè)量圖像的直方圖?？煽闯觯狈綀D均呈現(xiàn)出長(zhǎng)拖尾現(xiàn)象。Konnik等[7]總結(jié)給出，CMOS圖像傳感器工作在短時(shí)間曝光下(<1 s)，直方圖分布可用高斯分布或?qū)?shù)正態(tài)分布表征；隨曝光時(shí)間的增加，其表征為單一伽馬分布或伽馬分布、高斯分布和均勻分布等3種分布的疊加結(jié)果，伽馬分布為長(zhǎng)拖尾分布。除此之外，在束斑測(cè)量過(guò)程中，CMOS受到散射射線(xiàn)的電離輻照效應(yīng)會(huì)產(chǎn)生非可見(jiàn)光引起的電荷輸出，在輸出圖像上會(huì)產(chǎn)生隨機(jī)脈沖噪聲。這種隨機(jī)脈沖噪聲在空間位置分布上是隨機(jī)的，在直方圖上區(qū)別于高斯噪聲分布，也會(huì)呈現(xiàn)出長(zhǎng)拖尾特征[8-9]。綜上所述，本底噪聲和散射射線(xiàn)噪聲的直方圖表征基本相同，它們的存在會(huì)對(duì)測(cè)量數(shù)據(jù)的定量分析帶來(lái)一定影響，可通過(guò)中值濾波、菱形濾波、非本地均值方法、自適應(yīng)方法和消波裁剪濾波等方法加以去除[8-12]。本文采用消波裁剪濾波方法，考慮到該方法對(duì)較大斑點(diǎn)無(wú)法處理的局限性，結(jié)合多次迭代、分塊本地自適應(yīng)計(jì)算統(tǒng)計(jì)的方法來(lái)實(shí)現(xiàn)噪聲識(shí)別和去除[10-11]。圖6a、b分別給出了應(yīng)用改進(jìn)消波裁剪濾波算法后的本底和圖像數(shù)據(jù)直方圖，長(zhǎng)拖尾已基本去除。圖6c、d分別示出了典型的去除噪聲前、后的束斑圖像。利用Buades等[12]提出的方法噪聲(method noise)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)一步分析表明，去噪前、后圖像的差值結(jié)果并未發(fā)現(xiàn)明顯的圖像信息損傷。

圖4 普通模式下相機(jī)同步觸發(fā)時(shí)序Fig.4 Synchronous trigger timing at normal mode

圖5 本底方差(a)和圖像信噪比(b)隨曝光時(shí)間的變化關(guān)系Fig.5 Variation of background (a) and SNR (b) of experiment vs exposure time

3.4 成像系統(tǒng)性能標(biāo)定

1) 中子能量響應(yīng)

反角白光中子能譜分布寬，一般利用飛行時(shí)間法測(cè)量中子能量響應(yīng)，測(cè)點(diǎn)位置中子能量及能量分辨率結(jié)合延遲時(shí)間和曝光時(shí)間換算獲得。束斑測(cè)量過(guò)程中，CSNS工作在普通模式下，測(cè)點(diǎn)處中子注量是前、后兩個(gè)束團(tuán)的疊加?？紤]到前、后兩個(gè)束團(tuán)的時(shí)間間隔約410 ns，成像系統(tǒng)開(kāi)關(guān)門(mén)時(shí)刻選擇對(duì)應(yīng)前一束團(tuán)，后一束團(tuán)貢獻(xiàn)的份額必須進(jìn)行時(shí)間校正。由于不同能量中子的熒光效率不同，采用NRESP7程序計(jì)算不同能量中子作用于EJ-230時(shí)的相對(duì)光輸出[13]，并與對(duì)應(yīng)能譜強(qiáng)度一一相乘，可計(jì)算得到前、后兩個(gè)束團(tuán)的熒光產(chǎn)額(表2)。表2中同時(shí)列出了束斑中心區(qū)域半徑5 mm內(nèi)的灰度統(tǒng)計(jì)均值。為更好地進(jìn)行理論值與實(shí)驗(yàn)值的對(duì)比，全部結(jié)果歸一到1～2 MeV能區(qū)。計(jì)算過(guò)程中，后一束團(tuán)貢獻(xiàn)份額需先與前一束團(tuán)貢獻(xiàn)份額進(jìn)行疊加求和后再進(jìn)行歸一化處理。表2中列出了6個(gè)能區(qū)的對(duì)比結(jié)果，實(shí)驗(yàn)值和理論值吻合較好。該實(shí)驗(yàn)方法為今后成像系統(tǒng)靈敏度標(biāo)定或相關(guān)的實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)提供了方法借鑒和數(shù)據(jù)參考。

2) 調(diào)制傳遞函數(shù)

首先采用鎢分辨卡測(cè)量得到退化臺(tái)階像獲取邊緣擴(kuò)展函數(shù)ESF，然后微分得到線(xiàn)擴(kuò)展函數(shù)LSF，再經(jīng)過(guò)一維傅里葉變換得到系統(tǒng)的調(diào)制傳遞函數(shù)MTF，如圖7所示。鎢分辨卡貼近圖像轉(zhuǎn)換屏放置，中子束可近似為平行入射。鎢分辨卡上均勻地排列著5組寬度相等、厚度為10 mm的鎢質(zhì)材料做成的柵條，柵條的間距等于柵條的寬度。1條柵條和與它相鄰的1個(gè)間距構(gòu)成1個(gè)線(xiàn)對(duì)(line pair，LP)。線(xiàn)對(duì)的空間分辨率從上到下依次為0.25、0.50、1.0、1.5、2.0 LP/mm。以MTF為0.2對(duì)應(yīng)的空間頻率來(lái)確定系統(tǒng)的空間分辨，計(jì)算得到圖像轉(zhuǎn)換屏分別為EJ-230、EJ-426時(shí)對(duì)應(yīng)系統(tǒng)的空間分辨率為0.5、1.1 LP/mm。

4 測(cè)量結(jié)果及數(shù)據(jù)分析

定量分析束斑輪廓、尺寸、非均勻性和對(duì)稱(chēng)性等特性參數(shù)。實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理流程主要包括本底扣除、噪聲去除、利用基于Hough變換的圓檢測(cè)算法計(jì)算給出束斑的圓心位置及半徑等過(guò)程。

4.1 中子能量對(duì)束斑輪廓的影響

研究中子能量對(duì)束斑輪廓的影響時(shí)，采用二維圖像進(jìn)行一維投影的方法，分析束斑形狀是否發(fā)生明顯變化。圖8示出了束斑圖像沿垂直方向和水平方向上的一維投影?？煽闯觯煌軈^(qū)的束斑對(duì)應(yīng)的一維投影雖略有不同，但差異不大，因此可認(rèn)為束斑輪廓與中子能量無(wú)關(guān)。

圖8 束剖面的水平(a)、垂直(b)方向一維投影Fig.8 1D horizontal (a) and vertical (b) projections of beam profile

4.2 束斑輪廓判定及尺寸測(cè)量

由4.1節(jié)知，束斑輪廓與中子能量無(wú)關(guān)。圖9示出了在中子開(kāi)關(guān)為50 mm、準(zhǔn)直器1為50 mm、準(zhǔn)直器2為58 mm的實(shí)驗(yàn)條件下某能區(qū)的束斑圖像、垂直剖面線(xiàn)和水平剖面線(xiàn)。圖9a為ES1處測(cè)量結(jié)果，中間虛線(xiàn)為圓心位置，兩側(cè)虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)半徑為27.5 mm的FWHM圓，兩側(cè)點(diǎn)劃線(xiàn)對(duì)應(yīng)半徑為25 mm的圓，點(diǎn)劃線(xiàn)位置約對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度的75%。圖9b為ES2處測(cè)量結(jié)果，中間虛線(xiàn)為圓心位置，兩側(cè)虛線(xiàn)對(duì)應(yīng)半徑為31.5 mm的FWHM圓，兩側(cè)點(diǎn)劃線(xiàn)對(duì)應(yīng)半徑為30 mm的圓，點(diǎn)劃線(xiàn)位置約對(duì)應(yīng)峰值強(qiáng)度的75%。表3對(duì)測(cè)量結(jié)果和理論值進(jìn)行了對(duì)比。從圖9還可看出，束斑邊緣較陡峭，呈臺(tái)階狀，與理論計(jì)算的束斑形狀基本一致[2-3,14]。

圖9 ES1(a)和ES2(b)束斑圖像和剖面線(xiàn)Fig.9 Distribution and profile of beam profiles at ES1 (a) and ES2 (b)

表3 束斑尺寸測(cè)量結(jié)果與理論值對(duì)比Table 3 Measurement result vs theoretical value for beam profile size

4.3 束斑非均勻性分析

通過(guò)霍夫變換算法給出束斑圓心位置，然后計(jì)算計(jì)數(shù)圈半徑分別為5.0、10、15、20、25 mm時(shí)束斑的非均勻性。非均勻性計(jì)算公式為：

非均勻性=Std/Mean

式中：Std為計(jì)數(shù)圈內(nèi)的灰度值統(tǒng)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；Mean為相應(yīng)計(jì)數(shù)圈內(nèi)的灰度值統(tǒng)計(jì)均值。

表4列出了束斑非均勻性統(tǒng)計(jì)結(jié)果?？煽闯觯叻蔷鶆蛐噪S計(jì)數(shù)圈半徑增大而逐漸加大；計(jì)數(shù)圈半徑小于20 mm時(shí)，即束斑中心80%的區(qū)域，束斑非均勻性小于10%，且與中子能量無(wú)關(guān)。

表4 束斑非均勻性Table 4 Non-uniformity of beam profile

4.4 束斑圓心與“重心”偏差分析

理想情況下，束斑圓心位置應(yīng)與其“重心”位置一致。實(shí)際上，由于束流通道上準(zhǔn)直器的安裝或復(fù)位精度、質(zhì)子束特性、場(chǎng)磁鐵設(shè)計(jì)等相互間的復(fù)雜作用，均會(huì)使二者產(chǎn)生偏離[1-3,14-17]。以束斑圓心為參考點(diǎn)，分別對(duì)比了不同計(jì)數(shù)圈內(nèi)左右部分、上下部分的相對(duì)計(jì)數(shù)差。表5列出了圖9a的統(tǒng)計(jì)結(jié)果，表中總強(qiáng)度即為灰度?？煽闯?，束斑圓心與“重心”相對(duì)偏差不大，左右相對(duì)偏差或上下相對(duì)偏差皆小于2.2%。

表5 束斑圓心與“重心”偏差分析Table 5 Difference of center of beam profile and “center of gravity”

5 總結(jié)

采用飛行時(shí)間法原理，建立具有時(shí)間分辨能力的成像測(cè)量系統(tǒng)，得到了較高空間分辨率的CSNS Back-n束斑圖像，并對(duì)束斑輪廓、尺寸、非均勻性等特性參數(shù)進(jìn)行定量分析，滿(mǎn)足了CSNS反角白光中子源實(shí)驗(yàn)終端的需求。此外，束斑圖像反映了中子強(qiáng)度的二維空間分布情況，能為成像系統(tǒng)靈敏度評(píng)價(jià)、實(shí)驗(yàn)調(diào)試和較高精度的核數(shù)據(jù)測(cè)量提供參考依據(jù)。下一步需進(jìn)一步開(kāi)展單束團(tuán)實(shí)驗(yàn)，為相關(guān)部門(mén)提供更準(zhǔn)確的參考信息。