CSNS带宽限制中子斩波器系统性能研究

王闪闪 蔡伟亮 王 平 张 鸿 左太森 王松林

1（深圳大学 物理与光电工程学院深圳518060）

2（中国科学院高能物理研究所北京100049）

3（散裂中子源科学中心东莞523803）

中国散裂中子源（China Spallation Neutron Source，CSNS）是世界上第一个由发展中国家研制的散裂中子源，也是我国“十二五”期间重点建设的大科学装置。CSNS一期工程规划建设20台中子散射谱仪，其中通用粉末衍射仪（General Purpose Powder Diffractometer，GPPD）、多 功 能 反 射 仪（Multifunctional Reflectometer，MR）和小角散射仪（Small Angle Scatterometer，SANS）已完成国家验收并投入使用［1-2］，且质子束功率也于2020年2月份成功达到100 kW[3]。带宽限制中子斩波器（简称带宽斩波器）则是中子散射谱仪上必不可少的中子光学器件。一台谱仪上可安装多台带宽斩波器，组成带宽斩波器系统，这三台谱仪上则分别安装了三、三和两台带宽斩波器。通过对带宽斩波器系统进行合理的设计与参数配置即可满足谱仪实验需求［4］。

带宽斩波器主要用来选择谱仪需求的中子波长范围和滤除长波重叠背底。每台带宽斩波器都包括底座、主轴、转盘、伺服电机、密封壳等部件，其核心部件是转盘。转盘上有扇形开口，靠近转盘边缘略大于束流截面的圆环上涂有中子吸收材料，通过转盘对中子束流的机械式阻挡可实现带宽斩波器的主要性能［5］。本文则以中国散裂中子源通用粉末衍射仪中的带宽斩波器系统为研究对象，采用理论计算、中子束流实验和蒙特卡罗模拟的方法对带宽斩波器截取中子波长范围的准确性及长波背底的滤除能力两个问题进行了具体分析。

1 GPPD上的中子斩波器系统

GPPD位于CSNS靶站大厅退耦合窄化氢慢化器（Decoupled Hydrogen Moderator，DPHM）提供的第18号中子束线。图1给出了GPPD的示意图（更详细的图可参考文献［6-7］），显示了主要器件慢化器、中子导管、中子斩波器系统及监测器相对于慢化器表面的位置分布情况。图下方的数值表示关键器件距离慢化器DPHM表面的距离。其中，中子斩波器系统包含一台T0斩波器，用来阻挡脉冲0时刻发出的绝大部分高能中子与γ射线，降低噪声，提高中子束流品质。三台带宽斩波器分别为T1、T2单转盘带宽斩波器和T3（T3D1和T3D2）双转盘带宽斩波器。T1与T2带宽斩波器负责阻止重叠波长，T3带宽斩波器用于选择出样品需求的中子波长范围（如：0.1～0.58 nm）。表1对应的是各中子斩波器的物理参数，其中束流高度与束流宽度代表的是入射到该斩波器前的中子束流截面，转盘转动中心距离束流中心300 mm，各带宽斩波器运转频率与源频率相同为25 Hz。

图1 GPPD示意图（侧视）Fig.1 Schematic layout of GPPD(side view)

表1 中子斩波器物理参数Table 1 Physical parameters of neutron choppers

以带宽斩波器T1为例，图2给出了它的核心部件——转盘的示意图，图中参数与表1保持一致，角频率ω=2πf，R为转盘转动中心至中子束流截面中心的距离，灰色部分代表中子吸收涂层。带宽斩波器主要利用飞行时间技术原理和对转盘精密的相位控制，使得需求波段的中子飞行至带宽斩波器时，带宽斩波器的开口角恰好转动至能够放开该部分中子的位置，最终需求中子波段顺利通过而不需要的中子被转盘上的中子吸收材料阻挡吸收，从而实现其功能。

图2 带宽斩波器T1转盘Fig.2 The rotary disk of the bandwidth chopper T1

2 实验与模拟条件

2.1 实验条件

中子束流实验在通用粉末衍射仪上开展。英国AST公司生产的直径50 mm、厚度6 mm的GS20锂玻璃探测器安装在距离慢化器表面30 m处，并与德国ISEG公司的SHQ高压电源（加载电压-1 000V）连接。利用美国NI公司的NI-PXIe-5122数据采集卡收集实验数据并将其传输到计算机上。实验开始前对CTOF数据获取界面做以下参数设置：测试时间10 s，测试脉冲周期100 ms，采样率106次（每1μs进行一次采样）。值得指出的是本文所有问题的分析使用的数据均进行扣除了本底处理，最终得到的是中子波长-中子数/脉冲的关系图。

2.2 模拟模型

利用国际通用的中子散射器件模拟软件包McStas2.4开展带宽斩波器性能的模拟验证。该软件具有强大的射线追踪功能［8-9］，含有多种中子组件，如：源、导管、斩波器、狭缝和监测器等，可以建立图1所示的GPPD模型来模拟中子的传输过程。模型采用组件SNS_source作为中子发生器，同时调用CSNS中子物理组提供的退耦合窄化氢慢化器数据文件，慢化器可视面大小为100 mm×100 mm。中子导管采用组件Guide，超镜因子m=3，导管系统由5部分组成，记为G1、G2、G3、G41、G42、G43和G5，其入、出口截面分别为60 mm×90 mm和20 mm×40 mm（宽×高），分别距离慢化器表面2.25 m与28 m，2.25 m处的入射中子波长谱如图3（小图为短波部分的局部放大）所示。各带宽斩波器均采用组件Disk_chopper，输入参数与表1保持一致。在距离慢化器表面30 m的位置插入波长敏感监测器L_monitor，用来获得样品处的中子波长谱。为了增强模拟结果的可靠性，减少统计不确定性，采用109个粒子数。

图3 距离慢化器表面2.25 m处的DPHM波长谱Fig.3 Wavelength spectrum of DPHM at 2.25 m away from the surface of moderator

3 结果与讨论

3.1 波段选择

从宽脉冲中子束流中选择出某一波长范围的需求中子是带宽斩波器的重要性能之一。GPPD上中子的最远飞行距离为32.3 m，单个脉冲周期T（40 ms）下最大可用中子波长带宽Δλ由Δλ=c1Δt/L求得0.489 9 nm，其中c1=mn/h=0.395 62 nm·ms-1，mn为中子质量；h为普朗克常量；Δt为中子飞行时间，此处即为40 ms；L为中子飞行距离。谱仪样品实验使用的带宽Δλ0=0.48 nm，即带宽斩波器系统最终截取到的波长宽度应为0.48 nm，以波长范围0.1～0.58 nm为例。T1、T2、T3D1和T3D2所能截取的波长带宽均可由式（1）求出：

表2 各转盘理论上选择出的中子波长Table 2 The theoretically selected neutron wavelength of each rotary disk

实验中则是在中子斩波器的用户界面上将所有斩波器运行频率设置为25 Hz，并输入截取0.1～0.58 nm时各带宽斩波器对应的相位（中点波长的中子飞行至该带宽斩波器所用的飞行时间），测得30 m处的中子波长谱。为了便于获得带宽斩波器对0.1～0.58 nm左右边界的截取情况，对纵坐标进行了对数处理，曲线端点斜率为1时对应的波长即为该斩波器截取的边界波长如图3所示。图4显示T3D1与T3D2转盘实际截取的左右边界波长分别为0.099 nm和0.577 nm，对应着0.478 nm的波长带宽，与目标带宽的相对误差约为0.42%。

图4 实验选择波长谱Fig.4 The wavelength spectrum selected by the experiment

模拟中带宽斩波器系统参数设置与束流实验唯一不同的地方在于相位，此时需要利用θ1=ωt将中点波长中子的飞行时间转化为转盘转动的相位角。对30 m处L_monitor测得的波长谱的纵坐标进行相同的处理后得结果如图5所示，显示出T3D1与T3D2转盘截取的边界波长分别为0.099 nm和0.578 nm，对应带宽为0.479 nm，与目标带宽的相对误差约为0.21%。

图5 模拟选择波长谱Fig.5 The wavelength spectrum selected by the simulation

由上述结果可知，带宽斩波器系统实际截取波长范围0.1～0.58 nm时的带宽与目标带宽的相对误差在0.5%以内，可以认为带宽斩波器基本上能够准确选择出谱仪需求波段。而实验上截取的波段略低于目标带宽，误差来源主要有：1）各转盘的相位控制精度（转盘转动到规定位置时可能存在的抖动）为±0.22°（25 Hz运 行 时 对 应 着±24μs［5］），则11.555 m与11.645 m的中子飞行距离对应着±0.000 8 nm的波长波动；2）转盘的TDC角度（以安装在斩波器电机轴上的旋转变压器的绝对零点为参考点，用光电传感器测出转盘开口角正上方中心线位置转动至束流截面中心线位置的绝对角度，用于查看相位控制效果）的标定有微妙级的误差；3）中子束流有1°左右的发散度，当斩波器开口角扫过导管截面时，在斩波器刚打开放出中子和即将关闭阻挡中子通过时，入射中子的通过率较低易损失，使得实际截取的带宽变窄；4）读取左右边界值时的人为误差。模拟环境较为理想，结果也优于实际情况，但同样存在与实验上相同的第三种误差成因。

3.2 周期重叠背底滤除

CSNS的脉冲周期为40 ms，根据飞行时间测量技术要求可知，中子的飞行时间展宽不能大于脉冲周期，如果没有斩波器，各个脉冲周期内中子将会有飞行时间重叠，即上一个脉冲周期的长波中子可能会被探测器记录为这个脉冲周期所需的较短波段中子，成为长波背低。如图3所示，中子通量随波长增加急剧降低，长波中子虽然通量极低，但由于与样品散射后的散射强度与中子波长的4次方成正比［10-12］，仍然需要将长波中子背底抑制在较低水平。考虑到中子衍射谱仪通常的分辨率在0.1%左右，根据中子波长-通量谱和散射强度公式，从信噪比角度要求能通过斩波器系统的最小截止长波波长一般要大于4 nm（不同谱仪对长波背底的抑制和最小截止长波波长的要求不同）。带宽斩波器系统设计以此为依据，采用合理的斩波器数量、开口角、转速、安装位置等参数配置，通过飞行时间来挡住不需要的长波中子背底，提高信噪比。

对单个带宽斩波器来说，飞行时间为斩波器开口时间窗加上整数倍测量周期的慢中子也能通过斩波器，形成长波背底，即均可通过该斩波器，其中0，1，2，3，…，分别对应需求波长、一阶背底、二阶背底、三阶背底、……。由此可计算出T1带宽斩波器泄漏的背底波长范围，以目标波长范围0.1～0.58 nm为例，计算结果见表3。若去背底带宽斩波器T1与T2不工作，那么到达探测器波段除了目标波段外还有表中加粗的背底部分1.470～1.939 nm、2.839～3.298 nm和4.209～4.657 nm。当带宽斩波器T1与T2正常运行时，带宽斩波器T2可以完全阻挡带宽斩波器T1的一阶泄漏背底；部分阻挡二阶泄漏背底，泄漏的二阶背底部分最终由带宽斩波器T3阻挡；各个带宽斩波器的相互配合最终使泄漏的背底波长达到6.961 nm，满足GPPD背底波长大于6.0 nm的要求。对比带宽斩波器T1和T2运行和不运行两种工作状态对样品处泄漏中子的影响可知，它们正常运行时的滤除背底波长能力显著，是整个带宽斩波器系统不可缺少的重要部分。

表3 各转盘理论上选择出的中子波长Table 3 The theoretically selected neutron wavelength of each disk

实验中则是开展：1）关闭带宽斩波器T1与T2，使其静止在束流放开位置，其余斩波器正常运行截取0.1～0.58 nm，测得结果记为R1；2）所有斩波器正常运行截取0.1～0.58 nm，测得结果记为R2。利用R1和R2计算出带宽斩波器T1和T2运行时长波背底降低的百分比，结果如图6所示。可以明显看出，带宽斩波器T1与T2正常运行时对长波背底的滤除功能，最大可使背底降低约10%。图中存在明显的波动主要是因为实验探测时间短，累积到的长波中子计数不足。

模拟中同样测得带宽斩波器T1和T2停止和运行两种状态下的波长谱，结果如图7所示。

图6 背底降低百分比波长谱Fig.6 Background reduction percentage wavelength spectrum

图7 泄露中子的阻挡Fig.7 Blocking of the leakage neutrons

因为模拟中的中子入射波长谱如图3所示，它不是脉冲型的，而是各种波长的中子不停地发射，这样得到的结果可与计算结果比较。显然，带宽斩波器T1与T2停止时，同样到达监测器的除了目标波段还有三部分泄漏中子，这与表3中字体加粗部分计算出的泄漏中子范围一致；而带宽斩波器T1与T2运行时则很好地阻挡了泄漏中子，起到了降低背底、提高信噪比的重要作用。

4 结语

本文以中国散裂中子源通用粉末衍射仪上安装的带宽斩波器系统为研究对象，借助理论计算、McStas软件模拟与中子束流实验方法，对带宽斩波器选择实验需求波长范围和滤除脉冲周期重叠长波背底两个性能展开了研究，总结如下：

1）带宽斩波器系统选择中子波长范围的交集即为谱仪最终需求的波长带宽，也即带宽斩波器T3能够选择出的波长范围。对于目标波长范围0.1～0.58 nm，带宽斩波器T3实际选择出的带宽与目标带宽的相对误差在0.5%以内，基本上认为带宽斩波器T3可以准确选择出需求波长。

2）三种研究方法下所得结果均表明，带宽斩波器T1与T2正常运行时很好地阻挡了泄漏中子，展现了显著的去除背底功能，发挥了降低背底、提高信噪比的重要作用；同时也说明去背底带宽斩波器的不可或缺性。对于这项功能的验证，之后也可以增加样品实验，通过对比带宽斩波器T1和T2两种工作状态对样品散射谱图的影响来直接判定。本研究也将为CSNS陆续建设的中子散射谱仪上带宽斩波器的设计与制造提供一定的实验依据。

致谢感谢CSNS通用粉末衍射仪提供的实验平台、实验机时以及探测器设备安装的帮助；感谢中子物理组王松林老师提供的探测器设备。