用于单粒子效应辐照实验的CYCIAE-100白光中子源研究

陈启明,鲍 杰,马 旭,郭 刚,赵树勇,张 峥,韩金华,张付强,李汪田

(中国原子能科学研究院,国家原子能机构抗辐照应用技术创新中心,北京 102413)

中子与电子器件相互作用会导致器件参数退化、性能下降甚至功能失效,这种现象称为中子辐射效应,主要包括中子单粒子效应(NSEE)和中子位移损伤效应(NDD)。自由中子不稳定,半衰期略小于15 min,无法长期单独存在,因此诱发器件辐射效应的中子来自于核反应产生的次级粒子。银河宇宙射线和太阳宇宙射线与地球大气中的氮氧相互作用会产生大量次级粒子,由于地磁场和太阳磁场的屏蔽效应,带电粒子会在较短距离内停止运动,而中子不带电,会继续与大气发生级联散裂反应(空气簇射),形成大气中子。大气中子能量可高达1011eV,在海平面中子注量率约为20 cm-2·h-1(E>1 MeV),在典型航空飞行器巡航高度中子注量率约为9 200 cm-2·h-1(E>1 MeV)[1]。大气中子入射航空电子系统会诱发电子器件发生单粒子效应,威胁航空电子系统的运行可靠性[2]。地面核电站、乏燃料后处理厂等核工业场景中也存在中子辐射环境,中子主要来自核燃料U裂变产生的瞬发中子和裂变碎片中不稳定核衰变产生的缓发中子,能量主要在10 MeV以下,注量率则可高达1010cm-2·h-1,这些中子诱发的单粒子效应和位移损伤效应会对视频监测系统、电子控制系统、作业机器人等的运行可靠性造成影响[3]。同时,随着半导体技术的进步,器件特征尺寸越来越小,临界电荷逐渐降低,辐射敏感性逐渐增强[4-6],航空与核工业领域中子单粒子效应风险日益突出,越来越受到国内外广泛的关注和重视。

为评估电子器件抗中子单粒子效应能力,开展中子辐照实验是国内外最常用的手段[7-8]。基于反应堆的中子源主要用于模拟中子位移损伤效应,而基于加速器的中子源主要用于模拟中子单粒子效应[9-11]。通过加速器高能质子轰击重金属靶发生散裂反应产生白光中子,可以模拟大气中子,如中国散裂中子源41°束线模拟大气中子[12],可用于航电系统抗中子单粒子效应能力的宏观整体评价。中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器(CYCIAE-100)通过质子束轰击重金属靶可以产生白光中子。本文通过理论模拟和实验测量获得白光中子的能谱、注量率等数据,为中子辐射效应实验研究提供白光中子束流参数。

1 白光中子源模拟

中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器,通过质子轰击重金属靶产生白光中子,并在相对质子束方向的0°和15°方向设置了两条白光中子束线。白光中子靶设计为钨铜合金(WCu7,简称W靶),其中93%为钨。利用SRIM程序计算得100 MeV质子在靶中的射程为8.7 mm,设计采用12 mm的靶厚,足以将能量为100 MeV及以下的质子全部阻止。同时采用水冷对靶进行降温,因此质子轰击靶之前需要先穿过2 mm的铜和5 mm的水,然后轰击靶产生白光中子。

基于白光中子靶的几何结构,采用蒙特卡罗程序MCNP6模拟质子入射后白光中子的产额、角分布和能谱。模拟结果显示,平均1个100 MeV质子可以产生0.33个中子;微分能谱如图1所示,中子能量范围为0～100 MeV,且随着能量的增加中子注量先增加后减小,峰值出现在1 MeV附近。在0°和15°出射方向中子能谱差别很小,各能段(0～1 MeV、1～10 MeV和>10 MeV)中子占比分别为44.4%、46.3%和9.2%;随着实验位置与靶之间距离的增加,辐照中子注量率不断降低,具有严格的平方反比关系。

图1 100 MeV质子轰击W靶产生的白光中子能谱Fig.1 White neutron energy spectrum produced by bombarding W target with 100 MeV protons

中子角分布如图2所示,沿质子束方向,中子注量具有轴对称性,且中子出射角在90°方向时,中子注量最小,出射角往0°或180°变化时中子注量逐渐增大。由于180°方向是质子束流来源方向,因此选择0°出射方向的中子束来开展单粒子效应实验研究。

图2 100 MeV质子轰击W靶产生的白光中子角分布Fig.2 White neutron angular distribution produced by bombarding W target with 100 MeV protons

2 白光中子源测量

由于加速器质子为连续束,因此打靶产生的中子也是连续的,采用双液闪中子飞行时间法进行中子能谱测量。测量方法如图3所示,在中子靶后方0°出射方向的中子束流线上放置液闪探测器1作为飞行时间的起始信号探测器,在质子束流45°方向一定距离(L=3 m)放置液闪探测器2作为中子飞行时间的终止信号探测器。对中子束流进行了准直和屏蔽,液闪探测器2也进行了全面屏蔽,中子和伽马只能从探测器前方进入。在已知两个探测器之间距离的情况下,通过精确测量中子在这两个探测器之间飞行的时间,即可得到中子的飞行速度,也就得到了中子能量,如式(1)所示。

(1)

图3 白光中子能谱测量系统布局Fig.3 Layout of measurement system for white neutron energy spectrum

式中:E为飞行中子的能量;m0为中子的质量;L为两个探测器之间的距离;t为中子的飞行时间;c为光速。

两个液闪探测器的型号均为EJ301,为方便描述将它们分别命名为液闪1和液闪2。液闪1的闪烁体尺寸为φ5.08 cm×5.08 cm(闪烁体为圆柱形,直径5.08 cm,厚度5.08 cm),液闪2的闪烁体尺寸为φ12.7 cm×12.7 cm。当一束中子入射到液闪1时,与其闪烁体内的核发生相互作用,中子被散射飞出闪烁体,反冲核信号则由液闪1记录下来,记录的反冲核和飞出的散射中子之间存在对应时间关联,利用这样的时间关联,以液闪1的反冲核信号作为散射中子飞行时间的起始信号,液闪2探测到的中子信号作为散射中子终止信号,从而获得中子飞行时间。因此,液闪1也称为散射探测器,液闪2也称为主探测器。数据获取采用CAEN公司的DT5730数字波形采样器。

液闪具有非常好的n/γ甄别能力,通过脉冲形状甄别(PSD)去除γ信号后,再通过信号符合方式即可给出中子时间谱。液闪中组成有机闪烁体的元素主要为碳和氢,原子量低,发生光电效应的概率很低,γ射线进入闪烁体中主要发生康普顿散射和电子对效应,因此闪烁体的光输出信号快;而中子进入闪烁体中,主要通过和氢原子、碳原子的多次弹性碰撞损失能量,因此闪烁体的光输出信号慢,于是基于不同的脉冲形状能够实现n/γ甄别。

通常采用PSD值来衡量n/γ甄别效果,PSD定义为:

(2)

式中,Qlong和Qshort分别为长门和短门时间内的脉冲波形积分值。一般选取完整脉冲信号的长度为长门的积分时间,选取信号波形的前沿为短门的信号积分时间。

图4为n/γ甄别过程中液闪的PSD二维谱及投影谱,通过PSD值,可以很清晰地对中子和伽马进行区分。本实验获得中子符合计数为6.1×105。

图4 液闪的PSD二维谱及投影谱Fig.4 PSD 2D spectrum and projection spectrum of liquid scintilators

数据处理过程中将液闪2的信号(T2)作为起始信号,液闪1的信号(T1)作为终止信号,采用基于液闪1获取的中子信号再到散射探测器中提取符合信号,获得不同时间间隔的中子事件数。由于整个探测系统中子飞行时间存在零点偏差,利用伴随伽马对中子飞行时间谱的零点偏差进行修正[13]。得到的中子飞行时间谱中有效信号位于x轴的负半轴,x轴正半轴的信号可作为偶然符合的噪声信号,通过将x轴的负半轴信号对称反演到x轴正半轴并减去x轴正半轴的噪声信号,从而实现噪声本底信号的扣除,得到的中子飞行时间谱如图5所示,有效中子符合计数为1.5×105。

图5 实验测量得到的中子飞行时间谱Fig.5 Neutron time-of-flight spectrum from experimental measurements

将中子飞行时间谱转换成中子能谱还需考虑液闪探测效率。液闪1的探测效率采用MCNP6程序模拟,液闪2则采用NEFF50程序模拟,两者结果如图6所示。NEFF50程序是德国PTB实验室专门用于计算液闪探测器探测效率的程序,可以计算0.05～50 MeV中子能量区间的探测效率。由于液闪在几MeV能量及以下时n/γ甄别能力较差,即对中子有一定的能量探测下限[14],因此本实验测量得到的散射后的中子能谱区间为1.5～50 MeV。

图6 液闪探测器探测效率模拟值Fig.6 Simulated values of detection efficiency for scintilators

中子经过散射探测器散射后能量会发生变化,由散射后的中子能量(En)可以计算散射前的中子能量(En0),即:

En=En0cos2θL

(3)

式中,θL为中子散射的出射角。

本实验液闪2的轴线方向(即液闪1指向液闪2的方向)相对于质子束方向的夹角为45°,即θL=45°,此时有En=En0/2,即中子散射后的能量降为散射前的1/2。图7为计算得到的散射前的中子能谱,已将中子能谱归一到1 μA质子束入射靶情况。在0°出射方向,15 m位置处中子注量率测量值为3.3×104cm-2·s-1,如表1所列。CYCIAE-100最大流强可达200 μA,因此最大中子注量率可达6.6×106cm-2·s-1,满足中子单粒子效应实验对中子注量率的要求[8],如将样品辐照位置移动至距离靶更近的位置还可以进一步提高中子注量率。

表1 白光中子谱实验值与理论值对比Table 1 Comparison of experimental and theoretical values for white neutron spectrum

图7 散射前的中子能谱Fig.7 Neutron spectrum before scattering

值得注意的是,CYCIAE-100白光中子源产生的中子能量最高只有100 MeV,无法直接模拟大气中子能谱(可高达GeV以上),需要通过效应模拟替代中子辐射场模拟;同时,由于CYCIAE-100白光中子能谱在10 MeV以下中子约占90%,与核工业辐射环境中子能量主要在10 MeV以下,能区重合度高,也能适应核工业辐射环境中子单粒子效应的模拟。于是,当实验室白光中子能谱与器件应用环境中子能谱差异较大时,仍基于白光中子源开展电子器件单粒子效应研究,则需考虑不同能量中子辐照下器件单粒子效应的影响,以探索建立准确的中子单粒子效应实验评估方法。

3 结论

加速器白光中子源是研究电子器件中子单粒子效应的重要中子源。基于中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器的白光中子靶和束线,采用核反应理论和蒙特卡罗方法研究了100 MeV质子与W靶相互作用的散裂反应产生的具有连续能量的白光中子源。模拟结果表明,中子能量范围为0～100 MeV,其中0°出射方向的能谱,10 MeV以上中子占比为9.2%;中子角分布具有轴对称性,在90°方向中子产额最小,0°和180°出射方向中子产额逐渐增大。选取0°出射方向,采用双液闪中子飞行时间法测量白光中子能谱,获得能量范围为3～100 MeV的中子能谱,且当质子束为100 MeV/1 μA时,距靶15 m处中子注量率为3.3×104cm-2·s-1。CYCIAE-100最大质子流强为200 μA,因此最大中子注量率可达6.6×106cm-2·s-1,满足中子单粒子效应实验对中子注量率的要求。

此外,由于CYCIAE-100白光中子源的中子能量最高为100 MeV,无法直接模拟大气中子能谱,且与核工业辐射环境中子能谱也存在一定差异,需进一步考虑不同能量中子辐照下器件单粒子效应响应,以探索建立准确的中子单粒子效应实验评估方法。