中子束

中子束是描述中子通量的物理量。

中子束品質的好壞可用下面幾個指標衡量 : 1. 準直器出口處的中子注量率； 2.中子束的張角；3. 中子束中的雜質 , 包括具有不希望能量的中子及y射線；4. 本底, 根據本底來源可分為中子束相關及不相關兩種, 束相關本底來源於 束中子在樣品、 空氣及周 圍物質上產生的散射中子及 下射線, 本底要儘可能低。

基本介紹

• 中文名：中子束
• 外文名：neutron beam
• 拼音： zhōng zǐshù
• 所屬類別：物理學
• 描述對象：中子
• 定義：種子的通量

中子束線監測器

概述

隨著國際、國內散裂中子源的發展，中子通量越來越高，對束流監測器的要求也隨之提高，除了需要實時監測中子束的強度外，還要具有良好的二維位置分辨使之能實時地監測中子束斑的形狀，同時提供好的時間分辨用於測量中子波長。目前，基於塗硼GEM 的中子探測技術已成為新型中子探測器研究的熱點，也是新一代中子束流監測器的熱點技術。

受中子產生效率及中子束傳輸效率等因素影響，中子源中子束的入射強度不穩定，會隨時間而改變，導致系統誤差增大，從而影響實驗測量結果。在中子導管出口處放置一個中子束線監測器，這樣就能夠測量入射中子強度隨時間的變化情況，從而有效減小中子束入射強度變化引起的系統誤差。同時，為了減小對入射中子束的干擾，還要求中子束線監測器具有高傳輸因子(大於95% )以及低探測效率(約1% )。電子學系統採用96 路Pad 讀出方案，任務是實現對中子束斑形狀和強度的實時監測，。設計指標為位置分辨約1 cm，單路Pad 能實現10的高計數率。

探測器簡介

GEM 膜是在厚50 μm 的聚醯亞胺(kapton)膜的上、下表面各敷厚5 μm 的銅層，並在其上蝕刻直徑為70 μm，布局呈三角形，各孔中心距為140μm微孔的一種複合膜。微孔內部形狀為雙圓錐形，GEM 膜有效面積為100 mm × 100mm。漂移極採用200 μm 的鋁箔拉伸粘框而成，由中核( 北京) 核儀器廠採用電泳的方法在其下表面塗上一層質量厚度約為1 mg /cm的濃縮硼(硼－10 豐度為92% )，中子轉換效率到達最大值約為5% ，這樣可以獲得較大的計數率，以便使用放射源進行性能測試。信號收集極採用印刷電路板製成的96 路鍍金pad(8 mm × 8 mm)多路獨立引出。CEAN SY127 多路高壓電源為兩級GEM 膜以及漂移電極提供5路負高壓。工作氣體為Ar /CO₂(70 /30)，採用一個大氣壓流氣式供氣。子計數情況，並最終通過中子飛行時間法來測量中子波長;PAS 用於記錄某一時間間隔內每路Pad 上的中子計數情況，通過二維位置測量得到中子束斑的形狀。

電子學系統設計

工作原理

基於塗硼的GEM 探測器探測到中子後，輸出攜帶中子各種物理信息的電信號。電子學系統對此信號進行初步放大後，送入甄別器甄別產生數位訊號，再送FPGA 進行數據處理，最後將TAS 和PAS 兩個譜圖數據包送至PC 機上進行成像顯示。以質子打靶周期信號T₀(25 Hz)為參考時刻，TAS 以2 μs 為步長，用於記錄某一時間間隔內所有Pad上的中AD8099 及AD8137 進 行 初 步 放 大 後，送AD8564 進行甄別，並將甄別後的96 路TTL 數位訊號送FPGA 進行後續處理，最終經USB 接口送計算機。子板接收母板為其提供的工作電壓、工作模式控制電平信號、門控自檢脈衝和程控甄別閾。整個系統有兩種工作模式，線上取數模式下處理探測器輸出信號; 刻度校準模式下，模擬探測器輸出信號，產生一個與門控脈衝同頻率的、幅值可控的指數波信號送甄別器甄別。

Monitor 母板

Monitor 母板主要工作是接收子板送來的96 路數位訊號 對其進行FPGA 數據處理，並將處理好的數據通過USB 接口送至PC 機。另外，它還為整個電子學系統提供工作所需電源及為子板提供校準模式下所需的各種信號 。FPGA 數據處理主要包括TAS、PAS、數據包裝及USB 接口邏輯幾部分。

“桌球操作”簡介

“桌球操作”是一個常常套用於數據流控制的處理技巧。其簡單處理流程為:在第一個緩衝周期，將數據快取至“數據緩衝模組1”;在第二個緩衝周期，將數據流快取至“數據緩衝模組2 ”，同時將“數據緩衝模組1”中的數據送至“數據流運算處理模組”進行運算處理; 在第三個緩衝周期，再次將數據快取到“數據緩衝模組1 ”，同時將“數據緩衝模組2”的數據送到“數據流運算處理模組”進行運算處理。如此循環。桌球操作的最大特點是可以通過邏輯控制將經過緩衝的數據沒有停頓地送到“數據流運算處理模組”進行運算與處理。因此，桌球操作非常適合對數據流進行流水線式處理，完成數據的無縫緩衝與處理。

TAS 算法

在FPGA 中為每路Pad 開闢一個獨立的計數器和暫存器，用於計數和存儲每路Pad 2 μs 時間內的計數值。2 μs 時鐘信號上升沿到來時將計數值存入各自暫存器中，經過7 級加法器後得到2 μs時間內所有96 路Pad 上的中子計數總和，再將其累加進BRam對應的地址空間。開闢的兩個單連線埠BRam 用於數據緩衝，其工作方式按上述的“桌球操作”方式運行。每個BRam 的寬度設為32 bit，按單路Pad 最高10計數率計算，能記錄60 多分鐘的計數值;深度設為20000，地址在2 μs 時鐘信號上升沿自加1，正好能記錄質子打耙周期(40 ms)內的中子計數情況。質子打靶周期信號T₀到來時，地址復位到0。

PAS 算法

PAS 用於記錄指定時間間隔內每路Pad 上的計數情況。同樣地，為每路Pad 開闢一個32 bit 的計數器和一個32 bit 的暫存器，後端DAQ 每發出一條讀PAS 指令，便將當前計數器的值寫入暫存器當中，隨後立即對計數器清零，重新開始中子計數。暫存器中的計數值經數據打包及數據位寬轉換後經USB 口送至PC 機上做成像顯示。

數據包裝及USB 接口邏輯

後端DAQ 每發出一條讀數指令，FPGA 內部便開始對相應數據進行數據打包處理。一個完整的數據包包括包頭、真實數據及包尾。真實數據包括連線埠號、Pad 序號/ 時間步長序號及相應的計數值，大小為64 bits。根據需要，可在包頭或包尾攜帶上狀態及出錯等信息，以便於調試時發現錯誤所在。一個完整的TAS 數據包為160 256 Bytes，一個完整的PAS 數據包為1 024 Bytes．USB 接口主要用於向FPGA 發出各種操作指令並將打包好的數據包讀出至PC 機上顯示。

測試結果

為了檢驗電子學系統本身的性能指標，在與探測器聯調前，我們需要對GEM Monitor 子母板進行功能的檢查與性能的測試。

1.各通道一致性測試

在校準模式下，我們對12 塊子板一一做了測試，確保所有通道之間保持良好的一致性，且子板輸出信號質量良好，不會對後續數據處理產生誤觸發。實驗通過調整各項電路參數使各通道放大倍數、信號波形等保持了良好的一致性。

2.串擾測試

校準模式下，母板為子板每通道提供頻率 1 MHz，脈寬400 ns 的自檢脈衝，以進行1 MHz 計數率情況下的串擾測試。從子板PCB 布局布線考慮，我們選定了最容易受串擾的一個通道進行串擾測試。焊下該通道上的某個元件，使其接收不到母板送過來的自檢脈衝，子板其餘7 個通道都工作在1 MHz 計數率下。實驗證明，在1 MHz 的計數率下，各通道之間無串擾。

3.噪聲觸發水平測試

線上取數模式下，我們還做了噪聲觸發水平測試。在無輸入的情況下，通過不斷調整觸發閾，觀察在什麼閾值下，噪聲不會再產生誤觸發。測得在實驗室條件下，噪聲觸發閾大概在26mV，等效到輸入端的噪聲為22 μV，足以滿足設計指標。

中子束線開關控制系統

概述

中國散裂中子源(China Spallation Neutron Source, CSNS)是中國“十二五”期間重點建設的大科學裝置之一，是一個國際前沿的高科技多學科套用大型研究平台。多功能反射譜儀是散裂中子源首期建設三台譜儀之一，主要用於研究物質表面和界面結構。該譜儀的中子導管系統中採用了8 m長的多層彎導管，從而設計了兩個中子束線開關，正常工作時，處於靶站內的第一中子束線開關保持常開，通過第二中子束線開關實現中子束流通斷，因此第二中子束線開關是反射譜儀的關鍵設備之一。本文設計即用於實現第二中子束線開關的控制。

第二中子束線開關在機械結構上，通過旋轉禁止塊內的中子導管的方向實現中子束流的切斷/導通，即將導管旋轉至中子束流方向時，束流導通，將導管旋轉至中子束流垂直方向時，束流被禁止塊擋住，束流切斷。

分析該中子束線開關作用和工作位置可知，該開關在束流導通時，要求有高位置精度，以保證中子束流通量，在束流切斷位置時，要求強禁止性，以保證散射室內人員和設備安全。因此，該系統工作在中子輻射環境下，要求大負載下的高精度控制。經模擬分析，該系統負載約為450 kg，運動行程為90° 轉 角 ， 轉 動 重 復 定 位 精 度 要 求 好 於0.011 46°(41″)，可在中子環境下穩定工作。

中子束線開關總體控制結構設計

按照上述需求，該中子束線開關控制系統實現的主要功能是：根據輸入信號控制實現中子束線開關動作，實時顯示開關狀態，同時與反射譜儀上層及其他系統進行信息互動。為保證系統的可靠性和長 時 間 運 行 穩 定 性 ， 我 們 選 擇 了 以PLC(Programmable Logic Controller)控制器為控制核心，以步進電機為驅動部件，以高精度絕對值編碼器為位置反饋部件，形成高精度的閉環控制系統。向中子束線開關運動控制器傳送控制指令，驅動步進電機運動，並實時接收位置編碼器的信息反饋，完成位置閉環控制，從而實現中子束線開關在大負載下的高精度開/關動作，同時通過硬體輸出信號實時顯示系統的運行狀態。PLC 控制器中的系統狀態信息通過中子束線開關控制伺服器實現與其他系統的信息互動。

中子束線開關控制系統硬體設計

根據第二中子束線開關控制系統結構，控制系統硬體主要分為控制用伺服器、PLC 控制器、底層運動控制等三部分。

1.主要設備選型

PLC 控制器是本控制系統的核心，所選PLC 需要質量安全可靠，可長時間穩定運行。經過對比，我們選擇日本橫河公司的F3 型PLC：CPU 模組F3SP76-7N，程式長度260K 階，支持USB、網路等接口；輸入模組F3XD08-6F 光電隔離，支持12–24 V 寬範圍工作電壓，可自由擴展；輸出模組支持繼電器輸出，各點獨立，可自由擴展；乙太網接 口 模 塊F3LE11-0T ， 適 用10BASE-T/100 BASE-TX。在底層運動控制方面，經過對比，我們選擇德國Huber Diffraktionstechnik GmbH & Co.KG 公司的Huber 運動控制器控制電機，可驅動1–16 軸電機，支持串口、網路通訊方式；選擇日本Oriental公司五相步進電機 PK569 驅動束線開關轉台，額定轉矩 1.66 Nm；英國 Renishaw 公司的絕對式環形編碼器RESA30USA417B作為位置信息反饋方式，系統精度±0.68″，從而實現閉環控制。第二中子束線開關控制用伺服器用於接收PLC 傳輸的狀態信息，並與反射譜儀域伺服器進行信息互動。作為上位工控機，要求保證計算機的可靠性和實時性，同時配備雙網口，經過對比，我們選擇台灣研華的工控機作為控制用伺服器。

2.可靠性設計

根據設計要求特別考慮硬體的可靠性和安全性方面設計。針對中子實驗環境，為了減少信號干擾，選用硬體方式傳輸信號。採用手動開關、信號燈等形式接入橫河PLC 控制器的輸入輸出模組，以硬體信號的方式操作控制束線開關和實時顯示開關狀態。同時限位開關與位置開關均選用機械式開關。

為了加強系統的安全可靠，對關鍵部件進行冗餘設計。設計開位和關位限位開關，用於在編碼器失效情況下防止束線開關過位損壞，同時在限位開關後設計機械擋板，進一步保護束線開關。另外，為防止電子部件產生虛假信號，在編碼器反饋位置信息的基礎上，打開和關閉位置均設計有機械位置開關，中子束線開關的打開和關閉狀態需要綜合判斷：開工位要求精度，打開狀態由位置開關和編碼器位置值共同判斷；關工位重視安全，關閉狀態同時觸發位置開關和限位開關，由位置開關、限位開關和編碼器位置值共同判斷。

中子束線開關控制系統軟體設計

1.軟體結構設計

第二中子束線開關控制系統的軟體，主要涉及控制用計算機的客戶端開發，PLC控制器的控制邏輯開發、底層運動控制等。以橫河 PLC 控制器為核心，重點是PLC 控制器的控制邏輯開發，採用服務端/客戶端的通信方式。

服務端與客戶端之間採用Socket TCP/IP 的方式通信，通過橫河PLC 中CPU 模組和乙太網接口模組把PLC 與控制用計算機和SMC9300 運動控制器的通信網段分開，實現兩部分的通信隔離。因為SMC9300 內部自帶Socket Server 通信程式，所以只需要在橫河PLC 控制器中使用梯形圖編寫Socket Client 程式，即可實現PLC 對SMC9300的控制操作。PLC 與上位機的通信功能主要用於傳輸系統狀態信息並存入第二中子束線開關狀態資料庫。選擇橫河PLC 控制器的Higher Level Link Service 功能實現Socket TCP/IP 通信，以橫河PLC控制器為Socket 服務端，只需在上位機編寫Socket 客戶端程式即可訪問PLC 控制器實現讀寫功能。

2.控制邏輯設計

在橫河PLC 控制器中採用模組化方式編程設計系統的邏輯功能，實現系統開機自檢、工作模式切換和開關動作控制等。第二中子束線開關係統控制邏輯設計的關鍵是在實現系統功能的基礎上加強系統安全和錯誤處理等。根據散裂中子源工程總體安全設計要求，第二中子束線開關控制系統通PLC 控制器以硬體信號的方式納入人身安全連鎖保護系統(Physical Protection System, PPS)。

(1)系統開機自檢是保護系統正常工作和防止系統錯誤的重要環節。系統啟動後依次檢查PLC 控制器、SMC9300 運動控制器和編碼器等關鍵設備的狀態。設備工作狀態正常才能進入下一步手動操作，否則輸出錯誤信號，記錄故障信息，系統自動退出。同時在PLC 的運行過程中，每個掃描周期，都會讀取檢查編碼器位置信息。關完全從PPS 中剝離；維修完成後，手動S0 至正常工作模式，並人工通知PPS 第二中子束線開關故障解除，PPS 復位其本地對應故障位。

(2)系統工作模式切換，由手動開關S0 人工控制，設計有正常和維修兩種工作模式(圖6、圖7)。正常工作模式時，第二中子束線開關係統可以正常執行本地/PPS 命令進行第二中子束線開關的開/關。維修工作模式時，PPS 能使其對應本地的故障位，禁止第一中子束線開關打開，並使第二中子束線開

中子束線開關控制系統測試

目前，第二中子束線開關控制系統的軟硬體設計已經完成，並且在實驗室進行了長時間測試。測試時使用實驗室搭建的模擬系統，重點在於驗證系統控制邏輯功能、安全設計及錯誤處理；同時測量模擬系統空載時的轉動精度作為參考，待機械部分加工完成後進一步測量實際系統的轉動精度。

模擬測試系統在光學平台上搭建，如圖8 所示。測試用模擬轉台為MRS103（北光世紀公司）：台面直徑200 mm，減速比180，重複定位精度小於0.003°(10.8″)；MRS103 轉台配備有模擬測試用步進電機PK566 (Oriental)，實際系統中選用的步進電機PK569 (Oriental)具有更大轉矩，保證系統負載時的轉動力矩和轉動精度；位置反饋用絕對式光柵編碼器為RESA30USA 417B (Renishaw)；PPS 等信號採用外置開關模擬，直接接入PLC 輸入模組；PPS 狀態、系統狀態等信號採用計算機實時顯示方式，測試方法為：模擬轉台為空載，運動行程為90°，運動速度為2°·s。通過改變外置控制信號的狀態，測試信號輸出狀態和轉台轉動狀態的變化，進而測試系統的邏輯功能設計和錯誤安全處理等。模擬系統轉動精度測量工具為：ELCOMAT 3000 型雙軸電子自準直儀，最小解析度0.005″；測量方法為：設定逆時針轉動為正向運動，根據第二中子束線開關的轉動行程，在90°範圍內每隔15° 取測量點，在2°·s的轉台速度下，以0°→90°→0° 往返為一次測量過程，如此重複進行10 次測量，記錄每個測量點的位置偏差，根據每個測量點的位置偏差計算平均偏差和標準偏差。

根據測試結果，系統能夠滿足反射譜儀對第二中子束線開關的控制邏輯要求，且長時間運行穩定。通過對編碼器、步進電機等人為錯誤模擬，系統能夠及時停止報警，有效檢測並記錄故障信息。同時模擬系統的轉動精度測量結果如圖10 所示，系統的重複定位精度小於0.004 5°(16.2″)，滿足要求精度。

中子束能譜

概述

醫院中子照射器是我國建造的世界上第1座專門用於硼中子俘獲治療的微型中子源反應堆，它包括堆芯和3條中子束流孔道：熱中子束流孔道、超熱中子束流孔道和實驗中子束流孔道。前兩條束流孔道用於不同病況下硼中子俘獲治療；而實驗中子束流孔道用於血硼濃度的線上測量。在利用束流孔道開展硼中子俘獲療法研究和臨床套用前，需對束流孔道的中子能譜進行計算和實驗測量，為後續細胞實驗、動物實驗，以及臨床研究提供理論和實驗數據。本文將用 MCNP建立醫院中子照射器模型，以得到能譜計算值。

方法

1.MCNP程式模擬醫院中子照射器

以堆芯活性區中心為原點，根據設計圖紙確定各部分尺寸及材料參數，對不規則部分，採用均勻化的方法處理。計算時，中心控制棒位 於 滿 功 率 時 的 臨 界 棒 位，距 原 點 約4．3cm；輔助控制棒提出堆外，堆芯歸一化核功率為30kW。

2.金箔活化法測量

絕對中子通量密度選用 Au箔和 Mn箔各兩片，將其中1片放置在鎘盒內、1片放置在鋁盒內，在束流出口中心處進行輻照，由測得的鎘比和絕對活度可計算絕對通量密度，有：式中：D₀為金探測箔的出堆活度；F_c為鎘上中子在鎘內的衰減因子；R_Au為金探測箔的鎘比；R_Mn為錳探測箔的鎘比；N_m為金探測箔總核子數；為金探測箔的熱區截面偏離1/v的修正g因子；為金與速度為2200m/s的中子的反σ0應截面，取98．8×10m；G_t為金探測箔本身的自屏因子。

3.中子能譜測量

用 MCNP計算了出口處37群、172群和642群的中子能譜，最終選取642群的中子能譜作為輸入譜。在中心位置處不同通量條件下輻照各金屬活化箔，並用高純鍺探頭測量各箔以In為例，測量活度為4．1×10B_q，由冷卻時間和照射時間得到出堆飽和活度為6．78×10B_q，再由質量計算得到核子數為3．63×10，則單核飽和活度為1．87×10B_q，換算到滿功率時的單核飽和活度為3．73×10B_q。將 MCNP計算譜作為SAND－方法的輸入譜進行解譜。利用 MCNP計算結果作為初始譜，經過SAND－程式疊代3次。

討論

1）滿功率運行時，熱中子孔道出口處中心位置熱中子通量密度為_{2．038×10cm}·_s，該值滿足_>1．0×10cm·_s的設計要求，可作為BNCT技術的中子源。

2）從水平方向和豎直方向的中子通量密度結果看出，r<3cm，熱中子通量密度為（1．99±0．15）×10cm·s，變化較小；3cm_≤r_≤6cm，熱 中 子 通 量 密 度 為（1．58±0．74）×_10cm·_s，變化較大。所以，在治療時應選用中心r<3cm的中子r>6cm處中子通量密度迅速下降，減少了不必要的劑量。

3）由能譜結果可看出：經石墨慢化層後，中子束流得到了充分慢化，熱中子占總中子95%以上，快中子約占1%，可作為BNCT的中子源。能譜計算值在較高能量段誤差較大，是由於快中子通量密度較小引起的，可選用更多種類的探測片來減小SAND－解譜時的誤差。