中国散裂中子源反角白光中子束斑测量

韩长材，欧阳晓平，张显鹏，宋朝晖，鲍 杰，严维鹏

(1.西北核技术研究院，陕西 西安 710024；2.中国原子能科学研究院，北京 102413)

2018年8月23日，中国散裂中子源(CSNS)正式通过了国家验收。与此同时，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、西北核技术研究院以及中国科学技术大学等5家单位合作，在质子束反角方向上建立的一条核数据测量专用中子束管道(反角白光中子源，Back-n源)也正式对用户开放。反角白光中子源有两个实验终端，分别位于约55 m和75 m处(ES1和ES2)，可开展核数据测量等工作。反角白光中子源的建设不仅填补了我国核数据测量用白光中子源的空白，也为提高我国核数据测量水平、开展先进核装置设计和中子物理诊断研究提供了重要支撑[1-3]。用于核数据测量的白光中子源，除需要有较高的中子强度和较小的实验本底外，还要有较好的束流品质。一般情况下，测量核反应截面所用的样品量较少，样品面积较小。为准确获得样品处的中子注量率，要求中子束有较好的束斑形状：束斑内有较好的均匀性，束斑边缘较陡峭等。为此，本文对中子束斑特性参数进行实验测量和定量分析。

1 CSNS反角白光中子源

中国散裂中子源由质子加速器驱动，加速器主体包括1台80 MeV的负氢直线加速器、1台1.6 GeV的快循环质子同步加速器、2条质子束流输运线等。中国散裂中子源第1期的设计束流功率为100 kW，脉冲重复频率25 Hz，质子流强62.5 μA，质子束轰击钨靶，发生散裂反应而放出中子，总的中子注量率高达2.0×1016cm-2·s-1。CSNS的质子脉冲共3种运行模式：普通模式、窄束团模式和单束团模式[1-2]。普通模式为双束团模式，由2个相隔约410 ns且半高宽约50 ns的单束团组成。CSNS反角白光中子束线上有3个中子准直装置，分别是中子开关、准直器1和准直器2，分别位于反角中子通道前端、ES1前墙外和ES2前墙外，如图1所示。通过中子开关和准直器的配合，可在实验终端ES2处获得3种不同几何形状的中子束斑，分别是直径30 mm和60 mm的圆形束斑以及边长90 mm的正方形束斑[2-3]。ES1与ES2的束斑形状相同，只是几何尺寸略小。表1列出了准直系统的孔径和实验终端的束斑尺寸。从质子束流的反角方向出射的大部分中子未经过慢化体和反射层，具有很宽的能谱和较高的注量率。CSNS反角出射中子的能量在热中子到几百MeV之间，峰值在1 MeV附近，如图2所示。

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

ES1束斑尺寸/mmES2束斑尺寸/mm中子开关尺寸/mm准直器1尺寸/mm准直器2尺寸/mmES1中子注量率/(cm-2·s-1)ES2中子注量率/(cm-2·s-1)直径20直径30直径12直径15直径402.20×1067.81×105直径50直径60直径50直径50直径584.33×1071.36×107边长75×50边长90×90边长78×62边长76×76边长90×905.98×1072.18×107

图2 CSNS反角白光中子能谱Fig.2 Spectrum of CSNS Back-n

2 中子束斑测量

CSNS反角白光中子束斑特性参数可为开展核数据测量等物理实验调试提供数据参考，因此需在开展正式实验前对其进行定量测量[1-3]。目前，基于CSNS Back-n在建的中子束斑测量系统包括闪烁阵列探测器+多阳极光电倍增管测量系统(MAPMT, multi-anode photo-amplifier)、MICROMEGAS探测器[4-6]。目前MAPMT有256个计数单元，组成了16×16的二维阵列，测量直径60 mm中子束斑时，空间分辨约2.8 mm。如果增加更多的计数单元，同时实现放大通道并行化，MAPMT将能达到更好的空间分辨。MICROMEGAS探测器具有较高的空间分辨、良好的时间分辨和高计数率等特点，其空间分辨可达几十μm[5]。目前建设中的MICROMEGAS测量系统的空间分辨约1 mm。为满足精度较高的核数据测量等工作，根据实验要求，同时建立了一套空间分辨小于1 mm的基于门控增强型CMOS中子成像系统，利用像增强器的脉冲选通特性和中子飞行时间方法测量得到具有一定时间分辨能力的中子束斑图像[4]。

3 成像系统和方法

3.1 实验装置

成像系统位于反角白光中子源实验终端处，由图像转换屏、反射镜、主物镜、门控增强型CMOS相机等组成。实验原理如图3所示。图像转换屏采用了两种类型的闪烁屏：直径150 mm、厚10 mm的EJ-230塑料闪烁体(H∶C=1.104)和直径150 mm、厚0.32 mm的EJ-426薄片热中子屏(6LiF/ZnS)。在下文中，除特别指明外，所有实验和测量均采用EJ-230塑料闪烁体作为图像转换屏。主物镜为Nikon 50 mm F1.8，相机为安道尔公司的iStar sCMOS，阵列大小2 560×2 160，像素尺寸6.5 μm，全幅帧频50 Hz，图像灰度16 bit。

图3 实验原理图Fig.3 Principle of experimental arrangement

3.2 成像系统参数设置

1) 触发模式及时序

为获得具有时间分辨能力的中子束斑图像，需要CMOS工作在外触发模式。触发信号由放置在图像转换屏后端约1 m处的中子束流通道中的伽马探测器提供，它探测到双束团的第1个γ-flash信号后，再经过恒比定时器产生脉冲触发信号，利用相机门控系统的脉冲选通特性，选择不同的延迟时间和曝光时间，最终测量得到特定能区的中子束斑图像。通过分析成像系统灵敏度可知，实验终端处束斑强度无法满足1个脉冲就能获得高质量图像的要求。因此，相机采用IOC工作模式，即在1个曝光周期内，像增强器完成多次开关门(单曝光时间)，采集多个脉冲信号后在CMOS传感器上叠加(图4)。除此之外，相机单个曝光周期最长时间为30 s，累加多个曝光周期后最终一次读出信号。这种方式极大提高了图像信噪比。图4中，ΔT1为伽马飞行时间和同步触发系统的内部延迟，约176 ns；ΔT2为双束团间隔时间，约410 ns。

2) 曝光时间

图像数据由中子信号和本底噪声组成。中子信号服从泊松分布，其均值和方差相等，与曝光时间呈正比。本底噪声均值与曝光时间呈正比，方差与曝光时间近似为二次函数关系[7]。分别采集曝光时间为600、900、1 800、3 600、7 200 s的本底图像，计算得到其方差，通过二次多项式拟合，得到以曝光时间t为自变量，本底方差为因变量的二次函数关系式，拟合结果如图5a所示。由图2知，CSNS反角白光中子能谱峰值在1 MeV附近，选择1～2 MeV能量区间进行中子束斑图像数据采集，当曝光时间为900 s时，信号强度均值约200ADU。通过进一步分析可得到图像信噪比(SNR)与曝光时间的关系曲线，如图5b所示。从图5b可看出，SNR极限值为19.5，曝光时间大于3 600 s后图像SNR增加的幅度不大。因此，本实验中成像系统曝光时间设置为3 600 s。

3.3 数据处理方法

CMOS相机用于长时间曝光时必须考虑暗电流噪声、暗白点噪声等对图像数据的影响，因为即使在没有入射光情况下，这类本底噪声的强度也与曝光时间呈正比。图6a、b示出了曝光时间3 600 s情况下的本底图像和在束测量图像的直方图。可看出，直方图均呈现出长拖尾现象。Konnik等[7]总结给出，CMOS图像传感器工作在短时间曝光下(<1 s)，直方图分布可用高斯分布或对数正态分布表征；随曝光时间的增加，其表征为单一伽马分布或伽马分布、高斯分布和均匀分布等3种分布的叠加结果，伽马分布为长拖尾分布。除此之外，在束斑测量过程中，CMOS受到散射射线的电离辐照效应会产生非可见光引起的电荷输出，在输出图像上会产生随机脉冲噪声。这种随机脉冲噪声在空间位置分布上是随机的，在直方图上区别于高斯噪声分布，也会呈现出长拖尾特征[8-9]。综上所述，本底噪声和散射射线噪声的直方图表征基本相同，它们的存在会对测量数据的定量分析带来一定影响，可通过中值滤波、菱形滤波、非本地均值方法、自适应方法和消波裁剪滤波等方法加以去除[8-12]。本文采用消波裁剪滤波方法，考虑到该方法对较大斑点无法处理的局限性，结合多次迭代、分块本地自适应计算统计的方法来实现噪声识别和去除[10-11]。图6a、b分别给出了应用改进消波裁剪滤波算法后的本底和图像数据直方图，长拖尾已基本去除。图6c、d分别示出了典型的去除噪声前、后的束斑图像。利用Buades等[12]提出的方法噪声(method noise)标准进一步分析表明，去噪前、后图像的差值结果并未发现明显的图像信息损伤。

图4 普通模式下相机同步触发时序Fig.4 Synchronous trigger timing at normal mode

图5 本底方差(a)和图像信噪比(b)随曝光时间的变化关系Fig.5 Variation of background (a) and SNR (b) of experiment vs exposure time

3.4 成像系统性能标定

1) 中子能量响应

反角白光中子能谱分布宽，一般利用飞行时间法测量中子能量响应，测点位置中子能量及能量分辨率结合延迟时间和曝光时间换算获得。束斑测量过程中，CSNS工作在普通模式下，测点处中子注量是前、后两个束团的叠加。考虑到前、后两个束团的时间间隔约410 ns，成像系统开关门时刻选择对应前一束团，后一束团贡献的份额必须进行时间校正。由于不同能量中子的荧光效率不同，采用NRESP7程序计算不同能量中子作用于EJ-230时的相对光输出[13]，并与对应能谱强度一一相乘，可计算得到前、后两个束团的荧光产额(表2)。表2中同时列出了束斑中心区域半径5 mm内的灰度统计均值。为更好地进行理论值与实验值的对比，全部结果归一到1～2 MeV能区。计算过程中，后一束团贡献份额需先与前一束团贡献份额进行叠加求和后再进行归一化处理。表2中列出了6个能区的对比结果，实验值和理论值吻合较好。该实验方法为今后成像系统灵敏度标定或相关的实验设计提供了方法借鉴和数据参考。

2) 调制传递函数

首先采用钨分辨卡测量得到退化台阶像获取边缘扩展函数ESF，然后微分得到线扩展函数LSF，再经过一维傅里叶变换得到系统的调制传递函数MTF，如图7所示。钨分辨卡贴近图像转换屏放置，中子束可近似为平行入射。钨分辨卡上均匀地排列着5组宽度相等、厚度为10 mm的钨质材料做成的栅条，栅条的间距等于栅条的宽度。1条栅条和与它相邻的1个间距构成1个线对(line pair，LP)。线对的空间分辨率从上到下依次为0.25、0.50、1.0、1.5、2.0 LP/mm。以MTF为0.2对应的空间频率来确定系统的空间分辨，计算得到图像转换屏分别为EJ-230、EJ-426时对应系统的空间分辨率为0.5、1.1 LP/mm。

4 测量结果及数据分析

定量分析束斑轮廓、尺寸、非均匀性和对称性等特性参数。实验数据处理流程主要包括本底扣除、噪声去除、利用基于Hough变换的圆检测算法计算给出束斑的圆心位置及半径等过程。

4.1 中子能量对束斑轮廓的影响

研究中子能量对束斑轮廓的影响时，采用二维图像进行一维投影的方法，分析束斑形状是否发生明显变化。图8示出了束斑图像沿垂直方向和水平方向上的一维投影。可看出，不同能区的束斑对应的一维投影虽略有不同，但差异不大，因此可认为束斑轮廓与中子能量无关。

图8 束剖面的水平(a)、垂直(b)方向一维投影Fig.8 1D horizontal (a) and vertical (b) projections of beam profile

4.2 束斑轮廓判定及尺寸测量

由4.1节知，束斑轮廓与中子能量无关。图9示出了在中子开关为50 mm、准直器1为50 mm、准直器2为58 mm的实验条件下某能区的束斑图像、垂直剖面线和水平剖面线。图9a为ES1处测量结果，中间虚线为圆心位置，两侧虚线对应半径为27.5 mm的FWHM圆，两侧点划线对应半径为25 mm的圆，点划线位置约对应峰值强度的75%。图9b为ES2处测量结果，中间虚线为圆心位置，两侧虚线对应半径为31.5 mm的FWHM圆，两侧点划线对应半径为30 mm的圆，点划线位置约对应峰值强度的75%。表3对测量结果和理论值进行了对比。从图9还可看出，束斑边缘较陡峭，呈台阶状，与理论计算的束斑形状基本一致[2-3,14]。

图9 ES1(a)和ES2(b)束斑图像和剖面线Fig.9 Distribution and profile of beam profiles at ES1 (a) and ES2 (b)

表3 束斑尺寸测量结果与理论值对比Table 3 Measurement result vs theoretical value for beam profile size

4.3 束斑非均匀性分析

通过霍夫变换算法给出束斑圆心位置，然后计算计数圈半径分别为5.0、10、15、20、25 mm时束斑的非均匀性。非均匀性计算公式为：

非均匀性=Std/Mean

式中：Std为计数圈内的灰度值统计标准偏差；Mean为相应计数圈内的灰度值统计均值。

表4列出了束斑非均匀性统计结果。可看出，束斑非均匀性随计数圈半径增大而逐渐加大；计数圈半径小于20 mm时，即束斑中心80%的区域，束斑非均匀性小于10%，且与中子能量无关。

表4 束斑非均匀性Table 4 Non-uniformity of beam profile

4.4 束斑圆心与“重心”偏差分析

理想情况下，束斑圆心位置应与其“重心”位置一致。实际上，由于束流通道上准直器的安装或复位精度、质子束特性、场磁铁设计等相互间的复杂作用，均会使二者产生偏离[1-3,14-17]。以束斑圆心为参考点，分别对比了不同计数圈内左右部分、上下部分的相对计数差。表5列出了图9a的统计结果，表中总强度即为灰度。可看出，束斑圆心与“重心”相对偏差不大，左右相对偏差或上下相对偏差皆小于2.2%。

表5 束斑圆心与“重心”偏差分析Table 5 Difference of center of beam profile and “center of gravity”

5 总结

采用飞行时间法原理，建立具有时间分辨能力的成像测量系统，得到了较高空间分辨率的CSNS Back-n束斑图像，并对束斑轮廓、尺寸、非均匀性等特性参数进行定量分析，满足了CSNS反角白光中子源实验终端的需求。此外，束斑图像反映了中子强度的二维空间分布情况，能为成像系统灵敏度评价、实验调试和较高精度的核数据测量提供参考依据。下一步需进一步开展单束团实验，为相关部门提供更准确的参考信息。