[發(fā)明專利]一種利用單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測(cè)量裝置及測(cè)量方法

在審

• 申請(qǐng)?zhí)枺?/td>: 201710007693.0
• 申請(qǐng)日: 2017-01-05
• 公開（公告）號(hào): CN106707328A
• 公開（公告）日: 2017-05-24
• 發(fā)明（設(shè)計(jì)）人: 胡靜;歐陽(yáng)曉平;劉金良;張忠兵;阮金陸;何世熠
• 申請(qǐng)（專利權(quán)）人: 清華大學(xué);西北核技術(shù)研究所
• 主分類號(hào): G01T5/02
• 分類號(hào): G01T5/02;G01T5/00
• 代理公司: 西安智邦專利商標(biāo)代理有限公司61211
• 代理人: 倪金榮

技術(shù)領(lǐng)域

本發(fā)明涉及輻射探測(cè)中的中子能譜探測(cè)方法和技術(shù)，具體涉及一種基于單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測(cè)量裝置及方法。

背景技術(shù)

中子能譜的測(cè)量在聚變等離子體診斷中占有極其重要的地位。中子作為核聚變反應(yīng)最直接的產(chǎn)物，攜帶了豐富的等離子體聚變過程和離子狀態(tài)的信息，從中子能譜能夠獲得聚變等離子溫度、體密度以及聚變功率等關(guān)鍵參數(shù)，是檢驗(yàn)核聚變裝置是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求最直接和最有效的方法，同時(shí)聚變等離子體診斷對(duì)中子能譜測(cè)量精度有很高的要求。目前，在聚變裝置上最常用的中子能譜測(cè)量方法是中子飛行時(shí)間法和反沖質(zhì)子磁分析法，但要求中子的產(chǎn)額在10¹¹-10¹⁹才能工作。其他方法也要求中子產(chǎn)額至少10¹⁰。但在聚變點(diǎn)火試驗(yàn)失敗等情況下，聚變產(chǎn)生的中子產(chǎn)額較低，為了精確診斷這些情況下的聚變等離子溫度等參數(shù)，用以評(píng)估聚變質(zhì)量，亟待發(fā)展高靈敏高分辨率的中子能譜測(cè)量方法。

文獻(xiàn)“用于脈沖中子能譜測(cè)量的質(zhì)子束光學(xué)成像方法研究[D].北京:清華大學(xué)工程物理系,2013”公開了一種用于脈沖中子能譜測(cè)量的質(zhì)子束光學(xué)成像方法。利用質(zhì)子束在氣體閃爍體中徑跡圖像反演出質(zhì)子能譜分布，然后根據(jù)反沖質(zhì)子法獲取中子能譜，但由質(zhì)子束徑跡圖像反演其能譜是個(gè)很困難的反問題，目前只是理論上行得通，而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中還沒得到有效解決。

發(fā)明內(nèi)容

本發(fā)明所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于單質(zhì)子徑跡成像的高靈敏高分辨率中子能譜測(cè)量裝置及方法，用以解決現(xiàn)有聚變中子能譜測(cè)量方法靈敏度低以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不能由質(zhì)子束徑跡反演中子能譜的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本發(fā)明所采用的技術(shù)方案是：

一種利用單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測(cè)量裝置，其特殊之處在于：包括中子轉(zhuǎn)換體、質(zhì)子徑跡發(fā)光室、成像系統(tǒng)和電源；

所述中子轉(zhuǎn)換體包括中子源、中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶和光闌；

所述質(zhì)子徑跡發(fā)光室包括腔室，設(shè)置在腔室外一端的質(zhì)子入射密封窗口、設(shè)置在腔室內(nèi)的圓筒形多絲結(jié)構(gòu)、與腔室內(nèi)部連通的充氣系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)、設(shè)置在腔室外側(cè)的光學(xué)窗口、以及與所述圓筒形多絲結(jié)構(gòu)連接的電壓源；所述圓筒形多絲結(jié)構(gòu)由位于圓柱軸心的一根陽(yáng)極絲和分布在陽(yáng)極絲圓周的多根陰極絲組成；

所述中子源出射中子束經(jīng)過中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶的轉(zhuǎn)換變向后，穿過光闌和質(zhì)子入射密封窗口進(jìn)入腔室，所述成像系統(tǒng)由陽(yáng)極絲所收集的電荷信號(hào)控制成像，電源與圓筒形多絲結(jié)構(gòu)連接。

進(jìn)一步的，所述成像系統(tǒng)包括相機(jī)、相機(jī)控制系統(tǒng)、光學(xué)中繼系統(tǒng)及在線分析系統(tǒng)；

所述光學(xué)中繼系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)腔室外側(cè)的光學(xué)窗口，在線分析系統(tǒng)與相機(jī)連接，相機(jī)控制系統(tǒng)一端與相機(jī)連接，另一端與圓筒形多絲結(jié)構(gòu)的陽(yáng)極絲連接。

進(jìn)一步的，所述相機(jī)控制系統(tǒng)與圓筒形多絲結(jié)構(gòu)之間連接有線性放大器。

進(jìn)一步的，所述中子源與中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶之間設(shè)置有中子準(zhǔn)直器，所述中子準(zhǔn)直器為帶準(zhǔn)直孔的鐵塊或鉛塊。

進(jìn)一步的，所述中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶為聚乙烯薄膜。

進(jìn)一步的，所述質(zhì)子入射密封窗口是由厚度為5-10μm的鈦、金或鉬金屬膜組成；所述圓筒形多絲結(jié)構(gòu)由中間一根陽(yáng)極絲和周圍10-20根均勻分布的陰極絲組成，陽(yáng)極絲直徑15-25μm，陽(yáng)極絲和陰極絲距離10-30mm。

進(jìn)一步的，所述充氣系統(tǒng)所充工作氣體為四氟化碳?xì)怏w或四氟化碳?xì)怏w與稀有氣體的混合氣體。

本發(fā)明還提供一種利用單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測(cè)量方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)獲取單個(gè)質(zhì)子的徑跡圖像：

1.1)中子束經(jīng)限束和準(zhǔn)直后，與中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶作用產(chǎn)生反沖質(zhì)子；

1.2)與中子束呈反沖角θ的反沖質(zhì)子平行于陽(yáng)極絲進(jìn)入充滿工作氣體的腔室；

1.3)給陽(yáng)極絲提供高壓，直至陽(yáng)極絲附近產(chǎn)生光子和電子；

1.4)腔室內(nèi)的陽(yáng)極絲收集所產(chǎn)生電荷信號(hào)，經(jīng)放大后觸發(fā)相機(jī)自動(dòng)拍照，獲得單個(gè)質(zhì)子的徑跡熒光圖像；

2)重復(fù)步驟1)獲取多個(gè)單質(zhì)子徑跡圖像；

3)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理和分析：

讀取每幅圖像中質(zhì)子徑跡末端位置的像素值，根據(jù)像素值與實(shí)際位置的線性關(guān)系，得到質(zhì)子射程；根據(jù)步驟2)中獲取的多個(gè)單質(zhì)子徑跡圖像，統(tǒng)計(jì)出質(zhì)子射程R的分布；

4)獲得質(zhì)子能譜分布：

通過SRIM軟件計(jì)算質(zhì)子在工作氣體中的射程R與初始能量E_p的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并由所述步驟3)獲得的質(zhì)子射程分布反推質(zhì)子能譜分布；