CSNS中子斩波器研制和应用*

王 平 蔡伟亮 张 清 耿艳胜 张文翔王芳卫 郭 娟 王闪闪 张 鸿 杨 博 周 良 蔡泽迎

（1.中国科学院高能物理研究所，北京 100049；2.散裂中子源科学中心，东莞 523803；3.中国科学院物理研究所，北京 100190；4.深圳大学物理与光电工程学院，深圳 518060）

20世纪40年代，中子散射技术开始应用于固体物理研究。由于其具有时空尺度宽、穿透性强、核素和磁性灵敏、易实现动力学测量、无损测量等特点，已被广泛应用于凝聚态物质研究等众多学科领域，成为研究物质微观结构和动力学性质的重要工具之一［1］。

高通量的中子源包括反应堆和散裂中子源［2］。对于中子散射来说，散裂中子源的脉冲特性使人们可方便地通过飞行时间技术去利用某一波段范围内的全部中子，而不像反应堆通常只选取某一特定波长的中子，因此其中子的使用效率提高了1～3个量级。2018年建成并投入运行的中国散裂中子源是我国“十二五”期间重点建设的国家大科学装置，其基本原理是通过大型加速器驱动的高能质子脉冲束流轰击重金属钨靶，发生散裂反应产生脉冲中子束流，再经由慢化器慢化提供中子散射研究所需的热中子和冷中子。CSNS的成功建设为国内外科学家提供了一个基础科学研究和新材料研发的大型研究平台［3-5］。

CSNS规划建设二十台各具特色的中子散射谱仪［6-8］，目前已有四台中子散射谱仪建成并投入使用。这些谱仪均采用飞行时间方法进行测量，即中子在长距离飞行过程中在时间上会展宽，从而可以区分和测量到达探测器上的中子能量。中子斩波器是从时间尺度上对束流进行调控的中子光学器件，属于中子散射谱仪不可缺少的关键设备。质子打靶瞬间会产生大量的高能中子和伽马射线，入射到样品上将形成大量的背底。飞行时间测量技术要求每个测量周期内测量到的不同能量中子的飞行时间展宽必须小于或等于测量周期，否则会产生波长叠加，即上一个周期的慢中子可能会被探测器认为是这个周期的快中子，造成测量误差，不利于样品实验数据分析；直接几何非弹性散射实验要求入射束流为已知单一能量。这些都需要在中子谱仪束线上安装中子斩波器对束流做调控才能实现。本文介绍了中子斩波器的工作原理、作用、自主研制必要性，阐述了中国散裂中子源中子斩波器的研制历程和应用情况，同时对发展前景进行了展望，为我国大科学工程建设中关键设备自主研制提供参考。

1 概述

1.1 分类

中子斩波器是一种机械式斩波器，属于旋转机械类设备，又称中子能量选择器，出现于二十世纪三四十年代，最早用于中子诱发放射性同位素的研究。随着中子散射技术的发展，被广泛应用于各类大型中子源设施。在飞行时间型中子散射谱仪中，斩波器可以从时间上裁剪束流，起到去除快中子和高能伽马射线背底、选择中子波长范围和单色化中子的作用（图1）。根据中子斩波器的应用特点，可将其分为带宽限制斩波器、T0斩波器、脉冲斩波器、费米斩波器等类型。

图1 中子谱仪上的斩波器Fig.1 Choppers on a Neutron Spectrometer

T0斩波器的主要作用是阻挡质子打靶瞬间产生的大量高能中子和伽马射线，避免其入射到样品上形成背底，实现对噪声背底的清洁［12］。由于伽马射线和快中子的高能量特性（keV到GeV量级）和瞬发特性（μs量级），T0斩波器需要很厚的中子阻挡材料（如沿束流方向300 mm的厚度）和极窄的阻挡时间窗。快中子在每个束流脉冲周期的零时刻发出，故T0斩波器需要在定速转动（转动频率一般等于脉冲源频率）的基础上，进行同步相位控制，以保证快中子到达T0斩波器时，阻挡块刚好转到挡住快中子的位置。

脉冲斩波器和费米斩波器均属于高速斩波器，均能起到单色化中子的作用，是非弹性散射谱仪不可缺少的关键器件，直接影响谱仪性能，这是由于非弹性中子散射前后中子能量有变化，因此必须要求入射到样品的中子束流为单一已知能量，这样才能计算出在样品上发生非弹性散射中子的飞行时间。脉冲斩波器与带宽斩波器结构类似，均为水平轴盘式斩波器，其转盘开口宽度很窄，具有很高的转动频率（最高300 Hz），以实现快速切束，从而可以截取极窄时间窗的束流脉冲，通常用于中低能的非弹性散射谱仪［13-15］。费米斩波器转速极高（可达600 Hz），常用于高能非弹性散射谱仪，起到单色化束流的作用。其核心部件是中子吸收包。中子吸收包的转动轴线垂直于束流方向，由数十片中子吸收片层叠而成，每两层吸收片之间形成一个飞行狭缝，需要截取的单一波长中子在狭缝中的飞行时间约等于狭缝扫过的时间。通过相位同步控制技术，使得所需单一波长中子从慢化器飞行到达费米斩波器时，中子吸收包刚好转到狭缝正对着束流的位置，只有此波长的中子才能够通过狭缝，其他中子则被中子吸收包吸收，从而选择出需要的单色中子［16-18］。

1.2 特点

这些中子斩波器虽然各不相同，但本质上均是对束流进行调制，以满足中子谱仪不同的实验要求。总的来说，中子斩波器具有以下几个特点：

1）时间尺度上的束流调控。无论哪种中子斩波器，都是利用束流时间展宽的特性，基于时间对束流进行裁剪，以达到筛选指定中子波长/能量的目的。

2）高精度的同步相位控制。中子斩波器需要稳定并精确地跟随定时信号，在每个脉冲周期均截取同一能量范围的中子。

3）一定的中子抑制能力。对目标波长范围外的中子尽可能进行抑制，以实现良好的信噪比。

2 研制历程

中国散裂中子源规划建设的20台中子散射谱仪约需要73台中子斩波器，需求数量大且有定期运行维护的需要，仅有国外少数公司或研究所能够提供斩波器，不仅价格昂贵，也不便于运行维护，容易受到国际贸易环境禁运影响。为突破关键设备依赖进口卡脖子受制于人的局面，确保大科学工程建设成功，中子斩波器研制团队于2007年开始组建，目标是从研制样机着手，最终实现自主批量制造，既能降低设备工程造价，又能做到自主可控，便于自行运行维护，提高运行效率。

2.1 带宽限制斩波器

CSNS工程立项前期首先开展了带宽限制斩波器的国产化研制。2007年，为解决斩波器相位控制这一关键技术问题，研制了一套斩波器模型机及控制系统，采用交流伺服电机及驱动器，通过运动控制卡编程方式，初步实现了外部T0信号和指定转动位置信号之间的同步，相位控制精度 ±0.22°（约为 ±25μs＠25 Hz），实现了斩波器相位控制的技术目标，该技术可推广应用到所有类型的中子斩波器。2008年1月，中国散裂中子源二期预研项目“带宽选择转子及控制系统”立项，历时三年的预制研究攻克了包括高转速工况下中子吸收涂层结合强度的可靠性、真空条件下的电机驱动等多项关键技术难题，研制出了一台中子带宽限制斩波器样机。2010年底召开该样机的鉴定会，各项技术均达到了设计要求，斩波器相位控制精度达到了国际水平（±0.081°，±9 μs＠25 Hz），预制研究取得成功［19，20］。CSNS一期工程三台中子散射谱仪共需要7台中子带宽限制斩波器，批量制造工作从2013年开始，在第一代样机已经解决关键技术的基础上，第二代带宽斩波器又进行了大量优化改进设计。该批带宽斩波器采用了直驱式的轴系结构设计，采用无框电机驱动，最大限度地提高了斩波器的动态特性。对于中子斩波器控制系统，在前期单台斩波器控制系统的基础上，创造性地提出了单台谱仪多个斩波器集中控制方案，即采用一个多轴运动控制器就可以控制多台中子斩波器。2017年8月，中国散裂中子源一期中子斩波器系统安装调试完成，各项技术指标合格，并于2017年底开始投入运行，在各个中子谱仪上有效截取实验所需波段范围的中子，并将长波中子背底降低到了极低水平（10-6量级），为谱仪获得较高分辨率的样品实验数据提供了有利条件，多年来运行稳定。2019年，随着新一批中子散射谱仪的建设，第三代中子带宽限制斩波器开始进行研制，采用直驱轴系的结构，不同的是使用了双端轴承支承，以增加系统稳定性，降低振动（从1 mm/s＠25 Hz下降到0.1 mm/s＠25 Hz）；同时也采用了两组背靠背结构的高精度陶瓷球角接触轴承，使得整个系统的回转精度大大提高。第三代中子带宽斩波器共有19台，目前已安装到CSNS中子谱仪上，陆续投入使用。

信息系统开发常用的平台包含java、net和php等语言，在搭建时可根据现有技术框架选择对应的语言平台。在该项目中,以.NET为开发平台，以ASP.NET MVC5为开发框架。页面开发结合HTML5,以达到页面多移动端自适应的效果，可在不同终端使用。

2.2 T0斩波器

T0斩波器的研制工作始于2011年，第一台T0斩波器为CSNS小角散射谱仪研制。这是国内首台T0斩波器，在借鉴国外T0斩波器的基础上，采用调心球轴承和深沟球的组合设计，转动体（即T0阻挡块）采用分体设计方案，即采用超硬铝合金作为转动体骨架，边缘嵌套因康镍合金作为中子吸收材料。由于该斩波器设计运行氛围为氦气环境，选用了30 kW的西门子大功率电机驱动，实现了高精度的相位控制（±0.036°，±4 μs＠25 Hz）。该斩波器于2014年完成研制，2015年5月召开了鉴定会，技术指标满足CSNS谱仪使用要求，2017年底正式投入运行。与中子带宽斩波器一样，2019年后随着新谱仪的建设，CSNS第二代的T0斩波器也开始进行研制。最新的T0斩波器将采用两组背靠背的高精度陶瓷球角接触轴承设计，根据运行经验着重优化了轴承冷却设计，并将转动体结构改为一体件设计，以适应越来越高的转速需求；同时，腔体氛围由氦气改为真空，减小气体阻力，电机额定功率下降4kW。目前，第二代的T0斩波器已陆续安装到谱仪束线上，准备投入使用。

2.3 脉冲斩波器和费米斩波器

高速斩波器的研制工作从2018年开始。对脉冲斩波器，其工作转速是普通低速中子斩波器25 Hz转速的12倍，要求转盘具有极高的切束线速度（660m/s，接近两倍音速），目前制备的碳纤维转盘测试转速已达到225 Hz，下一步将继续优化设计，有望在2023年底研制成功。对费米斩波器，其主要技术难点在于中子吸收包的制备和超高转速的控制。目前基于机械轴承的费米斩波器样机已研制成功，攻克了包括10B-Al和Gd2O3-Al在内的多种中子吸收包制备、精密轴系动平衡等关键难题，最高测试转速达到600 Hz，并实现高精度的相位控制（±0.15°，±0.7μs＠600 Hz）。2021年11月，该费米斩波器样机在CSNS测试束线上进行束流测试，成功选出多支单能中子束，测试结果符合预期。

2.4 关键技术

中子斩波器的关键技术主要包括斩波技术方法学、精密轴系和机械振动、高精度同步运动控制三个方面。CSNS已研制成功的各类斩波器主要技术参数见表1。

表1 CSNS中子斩波器主要技术参数Tab.1 Main Technical Parameters of the Neutron Choppers at CSNS

在方法学方面，建立了基于飞行时间技术的斩波器技术方法学，发展了时间和空间两个维度的斩波器系统物理计算方法，为中子谱仪物理设计提供了专业技术支持，提高了谱仪波段调控和信噪比性能。通过多物理谱仪斩波器系统时间-空间维度斩波过程（图2），可以得到通过斩波器系统的中子束流在时间（波长）和空间位置的分布情况。

图2 多物理谱仪斩波器系统时间-空间维度斩波过程Fig.2 Time-Space Dimension Chopping Process Diagram of the Chopper System on Multipurpose Physics Neutron Diffractometer

在机械方面，中子斩波器采用了直驱型轴系设计（图3），无联轴器、皮带、齿等传动环节，最大限度地提升系统传动刚性，可靠性高；采用P4级混合陶瓷自密封精密角接触轴承，发热小、耐磨、寿命长；通过精密动平衡、精密对中、精密控制转动轴系游隙，可降低机械振动并延长寿命。

图3 直驱型斩波器轴系设计图Fig.3 Design Drawing of the Shafting of Direct Drive Chopper

在同步控制方面，中子斩波器的指定机械转动位置需要与从慢化器引出的脉冲中子束同步，实现微秒级别的相位控制精度，才能保证每个脉冲周期内中子束流截取的统计一致性。由于负载/电机惯量比极大、动态特性差，要求机械位置/速度跟上加速器定时触发T0信号的上升沿/电气频率。具体技术方案为利用运动控制系统中的测量输入功能，以小于1微秒的响应时间精确记录T0信号到来时电机的当前位置；在匀速运动基础上叠加运动，对斩波器运动轴进行调速，补偿与目标位置偏差；每个T0信号周期都进行检测和距离补偿，从而形成闭环控制，实现长期稳定的高精度同步运动控制（图4）。

图4 斩波器相位控制原理Fig.4 The Phase Control Schematic of Chopper

3 应用

3.1 运行情况

CSNS已建成了小角散射谱仪、多功能反射谱仪、多物理谱仪、粉末衍射谱仪，共有4台T0斩波器、10台带宽限制斩波器投入运行。

在CSNS中子斩波器投入运行的同时，建立斩波器机器数据系统，监控记录所有斩波器的运行数据并进行数据分析处理。机器数据系统是斩波器运维档案库，建立了贯穿每台斩波器全生命周期的健康档案，把所有与设备状态相关的数据统一到平台上进行信息化管理。这有利于提高设备稳定性和管理效率，降低在线故障率，并方便用户灵活进行数据处理，降低运维人力支出，实现智能化无人化设备管理。

截至2022年2月，CSNS中子斩波器已累计运行超23万小时，其中单台斩波器运行机时最小值为6228小时，最大值为22480小时，故障机时率小于0.1%。总体上看，CSNS中子斩波器运行稳定、故障率低，国产设备质量得到验证。

3.2 束流测试

CSNS各台中子斩波器在投入运行后，都会进行束流斩波测试，以验证设计。图5为T0斩波器和带宽斩波器的斩波效果图。从束流测试结果看，T0斩波器在打靶零时刻阻挡高能中子和伽马射线使其降低了2～3个数量级，有效降低了实验本底；带宽斩波器实际截取波长带宽与目标带宽的相对误差在0.5%以内，表明带宽斩波器能够准确选择出谱仪需求波段［21］。

图5 CSNS中子斩波器斩波性能Fig.5 The Performance of the Neutron Choppers at CSNS

中子斩波器处于谱仪光路上，采用机械式斩波的方法，在调制束流的同时也受到中子辐射，尤其是T0斩波器，大量高能中子被T0斩波器阻挡块所吸收或打散，会在T0斩波器处产生辐射剂量的累积，这就要求中子斩波器需要在辐射环境下稳定运行。T0斩波器在累积接收1000兆瓦时质子功率时间后，测得的T0斩波器阻挡块表面最大剂量为375μSv/h。未来随着设备运行时间的增加和CSNS质子打靶功率的提升，T0斩波器的剂量水平会达到mSv/h水平。

3.3 CSNS斩波器数量规模

如图6所示，CSNS规划建设的20台中子散射谱仪，平均每台谱仪需要2～7台中子斩波器，总计约73台，已大批量应用于散裂中子源一期工程（9台），散裂中子源合作谱仪项目（27台），即将应用于散裂中子源二期工程（约37台）。如图7所示，截至2021年底，共有14台中子斩波器投入运行，未来2～3年内，投入运行的中子斩波器数量将逐年递增，预计到2027年，CSNS中子斩波器将达到最大运行数量，并进入到全面运行阶段。

图6 CSNS各谱仪斩波器数量分布Fig.6 Quantity Distribution of Chopper in Each Spectrometer at CSNS

图7 CSNS中子斩波器运行数量Fig.7 The Operating Quantity of the Neutron Choppers at CSNS

4 总结与展望

为突破关键设备依赖进口卡脖子受制于人的局面，确保大科学工程建设成功，CSNS中子斩波器研制团队攻克了中子斩波器各项关键技术，成功研制了带宽限制斩波器、T0斩波器和费米斩波器，实现了国产化，拥有了自主知识产权，脉冲斩波器有望在2023年底研制成功。国产中子斩波器投入运行后，工作稳定可靠、故障率低、自主运行维护效率高，为中子谱仪获得高信噪比的数据发挥了重要作用。以中子斩波器为代表的大量工程设备长期稳定运行有力保障了大科学装置的机时利用效率，从而有利于更多基于大科学装置的科学成果产出。

CSNS中子斩波器的自主成功研制充分证明了大科学工程建设中关键设备自主研制战略决策的正确性，为CSNS的顺利建成提供了重要保障。在CSNS中子斩波器研制过程中成长了一支物理、机械、控制多学科专业研发团队，掌握了大量关键技术，不仅在中国散裂中子源工程中得到了广泛的应用，还可以拓展推广应用到同步辐射光源（X射线斩波器）工程、高速旋转机械设备等领域，开创了我国斩波器技术领域的新格局。