CSNS白光中子束线的物理设计与模拟研究

摘要

核数据是不可缺少的重要科学数据，它在基础科研、国防建设、国民经济的很多方面都发挥着重要作用，而性能优秀的中子源是开展核数据测量工作的基础。国际上早期建造的白光中子源主要是利用强流和中能的电子直线加速器来开展的，但利用高功率脉冲质子加速器作为驱动器具有明显的优势，它可以提供平均通量更高的高能量（高达几百MeV）白光中子，而且脉冲质子束的时间结构更有利于开展基于飞行时间方法的测量。从20世纪80年代后期开始，白光中子源便朝着基于高能质子直线加速器的方向发展，例如美国的LANSCE/WNR、欧洲的CERN/n-TOF以及日本的J-PARC/ANNRI。我国的核数据测量工作基于小型加速器提供的几keV～40MeV能量范围内的单能或准单能中子源，得到了大量的实验数据，目前我们拥有自己的核数据评价系统和数据库CENDL，为我国的国防建设和核科学发展做出了重要贡献。但与国际先进水平相比还存在较大的差距，其根本原因是我们缺少性能强大的白光中子源和相应的探测器系统。随着中国散裂中子源(CSNS)的建设，我国出现了建设高性能白光中子源和相应测量系统的绝佳机会。利用CSNS散裂靶产生的反冲中子，从入射质子通道引出了一条名为Back-n的白光中子束线，目前Back-n及相应地探测器系统正在建设中，完成之后，它将成为世界上很有竞争力的白光中子源之一，在短期内中国唯一的高性能白光中子源，极大提升我国核数据测量的条件，且为ADS等新型核设施的设计建造提供能量连续的核数据测量服务，使我国有望在核数据测量方面填补空白和实现大幅度跳跃式的发展。
　　本论文的主要工作内容是关于CSNS反角白光中子束线(Back-n)的物理设计和模拟研究，在项目组大量前期工作的基础上对该中子束线进行了系统性地模拟研究和优化设计，是Back-n物理设计的一部分，设计结果已作为技术设计和工程设计的基础，并研制成功。首先，利用蒙卡软件FLUKA模拟CSNS质子束与厚钨靶发生散裂反应的过程，得到从散裂靶产生的反冲中子的能谱、注量率以及不同加速器运行模式下的时间分辨率。为适应不同类型的核数据测量需要，设计了复杂的多级准直器，给不同实验提供不同束斑尺寸的选择;同时用多粒子模拟方法，通过优化设计中子开关、中子准直器的孔径对束流进行调控，以满足不同实验对中子束几何尺寸、束流强度、束斑均匀性及束斑内外效应/本底比的要求。研究了如何降低两个实验厅内的中子和γ本底，以满足高精度实验的极低本底要求;通过分析实验厅本底的主要来源，采用基于FLUKA和MCNP进行大量的蒙特卡罗模拟研究，确定本底是否达到实验要求以采取相应的局部屏蔽和准直加强措施。文中较为详细地阐述了Back-n飞行通道内各个关键设备的物理设计参数、基本构造及用途。
　　另外，作为CSNS白光中子源未来的进一步发展，CSNS预留了第二靶站，我们预想在那里建设性能更为优异的白光中子束线系统。本论文中设计了一种可以供白光中子源和中子散射共同使用的混合靶，在不同靶面的位置引出具有不同特征（高分辨率、高通量、高能量和高综合性能）的白光中子束线。用蒙卡软件FLUKA对这几种白光中子束线的性能参数做了初步的模拟研究，希望可以给未来CSNS第二靶站的建设和其他白光中子源提供一些指导和参考。

目录

声明

摘要

第1章 绪论

1．1 核数据需求及发展现状

1．2 基于核数据测量的白光中子源概况

1．2．1 基于电子加速器的白光中子源

1．2．2 基于散裂中子源的白光中子源

1．3 课题的研究意义

1．4 论文的主要内容及创新点

1．4．1 论文的章节安排

1．4．2 论文的创新点

第2章 基于高功率质子加速器的白光中子源理论基础与蒙特卡洛方法介绍

2．1 高能质子打靶的散裂反应介绍

2．2 粒子与物质的作用原理

2．2．1 带电粒子与物质的相互作用

2．2．2 光子与物质的相互作用

2．2．3 中子与物质的相互作用

2．3 中子的慢化

2．3．1 中子在弹性散射过程中能量的变化

2．3．2 平均对数能降与慢化能力

2．4 蒙特卡洛方法在粒子输运上的应用

2．4．1 蒙特卡洛方法介绍

2．4．2 蒙卡程序FLUKA简介

第3章 CSNS反角白光中子束线的物理设计研究

3．1 反角白光中子的中子学特性

3．1．1 中子能谱

3．1．2 中子束脉冲的时间结构及分辨率

3．1．3 Back-n束流特征小结

3．2 白光中子束的光学几何和束斑分布控制

3．2．1 中子光学几何

3．2．2 束斑分布控制

3．3 实验厅本底控制

3．3．1 质子束流损失引起的本底

3．3．2 管道散射及准直系统泄露引起的本底

3．3．3 中子捕集器引起的本底

3．3．4 本节小结

3．4 辐射剂量估算

3．5 中子束线上的关键设备

3．5．1 中子束窗

3．5．2 中子开关

3．5．3 准直器

3．5．4 中子捕集器

第4章 CSNS第二靶站白光中子源初步物理设计

4．1．2 TS2白光中子源的设计布局

4．2 TS2白光中子束线的初步模拟结果

4．2．1 高分辨束线

4．2．2 高通量束线

4．2．3 高能中子束线

4．2．4 高综合性能束线

4．3 本章小结

第5章 总结与展望

5．1 总结

5．2 展望

参考文献

附录

致谢

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