慢化器可视面位置灵敏的eV能区中子脉冲形状测量方法研究

The Time of Flight technique will be widely used in Neutron Scattering Spectrometers at China Spallation Neutron Source. The neutron pulse shapes at different position of the viewed surface of the neutron moderator are not only a significant factor for neutron performance, but also important to understand the time resolution of the spectrometer for researchers who perform experiment with neutrons in eV energy region. This work plan to pick out the quasi-mono-energy neutrons in eV energy region with neutron resonance absorption materials, analyzing neutron pulse shapes via measuring the time information of the prompt gamma-ray released from neutron absorption materials. It will perform neutron pulse shapes measurement at specific locations of the moderator viewed surface with neutron collimator technology, pioneering in the domestic. According to the measuring method, matching gamma ray detectors and time analyzer need to be manufactured, a data processing method will be researched as well. The related verification tests of the measuring method will be carried out at pulsed neutron sources, a conclusion will be reached to scale the superiority of the measuring method. The applicant will develop neutron pulse shapes measuring method in the domestic, and explore neutron collimator technology to obtain neutron pulse shapes at different locations of the moderator viewed surface. Based on the neutron pulse shapes demands of the spallation neutron source, related measuring technology will be developed, and this is the scientific significance and innovation of this project.

散裂中子源的中子散射谱仪一般采用飞行时间技术。对于使用eV能区超热中子的谱仪用户，慢化器可视面位置灵敏的中子脉冲形状是决定谱仪分辨率的重要因素，同时也是重要的中子学性能参数。本项目拟使用中子共振吸收材料选择出准单能的eV能区中子，并通过测量共振吸收反应所释放的瞬发伽马射线的时间信息获得eV能区中子的脉冲形状；同时将首次开发出采用中子准直器技术测量慢化器可视面特定位置的中子脉冲形状；根据中子脉冲形状的测量方案，研制伽马射线探测器和时间分析器电子学设备；最后研究实验数据的处理方法。本项目拟在脉冲中子源上进行实验验证，并根据实验结果来检验该测量方法的优越性。申请人在国内发展eV能区中子脉冲形状测量方法，并开发了利用中子准直器技术得到慢化器可视面位置灵敏的中子脉冲形状。立足于散裂中子源的中子脉冲形状测量需求，开发相关的测量技术，这是本项目提出的科学意义和创新之处。

中国散裂中子源采用三种类型慢化器，分别是耦合液氢慢化器、退耦合窄化液氢慢化器以及退耦合水慢化器，为中子散射谱仪提供不同时间脉冲形状和中子波长范围的中子束流。每个慢化器有两个可视面，CHM每个可视面对应4条中子束线，DPHM以及DWM每个可视面对应3条中子束线，一共20条中子束线。CSNS的质子束流重复频率为25Hz，脉冲宽度小于400纳秒，质子脉冲打靶后产生的中子在靶-慢化器-反射体中输运，通过碰撞被慢化和热化，导致相同能量的中子从慢化器可视面溢出的时刻不同，具有一定的时间脉冲形状。对于快中子，其脉冲形状主要由质子束流时间结构决定；对于中子散射实验中使用的热中子和冷中子，某一能量中子的脉冲形状主要由TMR的参数决定。本项目使用中子共振吸收材料钽片选择出准单能的eV能区中子，并通过测量瞬发伽马射线的时间信息获得eV能区中子的脉冲形状；开发出采用中子准直技术测量慢化器可视面特定区域的中子脉冲形状；根据中子脉冲形状的测量方案，研制了伽马射线探测器；最后开发出此种测量手段的数据处理方法。本项目在中子散裂中子源靶站BL06、BL09和BL20号束线中子性能测量室进行了实验验证。利用钽片实验测量得到了4.27eV、10.35eV、24.09eV、39.52eV和64.01eV的中子脉冲形状。对于BL09号束线，所测量的慢化器可视面大小为8cm×8cm，慢化器可视面的总体尺寸为10cm×10cm；BL06号束线和BL20号束线，所测量的慢化器可视面大小为10cm×10cm。中国散裂中子源的中子散射谱仪一般采用飞行时间技术。对于使用eV能区超热中子的谱仪用户，慢化器可视面不同位置处的中子脉冲形状是决定谱仪分辨率的重要因素，同时也是重要的中子学性能参数。实验测量此能区中子的脉冲形状可以为中子散射谱仪的设计和实验数据处理提供设计源项和依据；同时中子脉冲形状的测量，也是靶站中子学性能实验研究的一种重要测量手段，测量获得的中子脉冲形状实验数据，将为检验和优化中子学设计提供实验依据。