一種利用單質子徑跡成像的中子能譜測量裝置及測量方法與流程

2023-05-14 14:13:31

本發明涉及輻射探測中的中子能譜探測方法和技術，具體涉及一種基於單質子徑跡成像的中子能譜測量裝置及方法。

背景技術：

中子能譜的測量在聚變等離子體診斷中佔有極其重要的地位。中子作為核聚變反應最直接的產物，攜帶了豐富的等離子體聚變過程和離子狀態的信息，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鍵參數，是檢驗核聚變裝置是否達到設計要求最直接和最有效的方法，同時聚變等離子體診斷對中子能譜測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量方法是中子飛行時間法和反衝質子磁分析法，但要求中子的產額在1011-1019才能工作。其他方法也要求中子產額至少1010。但在聚變點火試驗失敗等情況下，聚變產生的中子產額較低，為了精確診斷這些情況下的聚變等離子溫度等參數，用以評估聚變質量，亟待發展高靈敏高解析度的中子能譜測量方法。

文獻「用於脈衝中子能譜測量的質子束光學成像方法研究[D].北京:清華大學工程物理系,2013」公開了一種用於脈衝中子能譜測量的質子束光學成像方法。利用質子束在氣體閃爍體中徑跡圖像反演出質子能譜分布，然後根據反衝質子法獲取中子能譜，但由質子束徑跡圖像反演其能譜是個很困難的反問題，目前只是理論上行得通，而在實際實驗中還沒得到有效解決。

技術實現要素：

本發明所要解決的技術問題是：提供一種基於單質子徑跡成像的高靈敏高解析度中子能譜測量裝置及方法，用以解決現有聚變中子能譜測量方法靈敏度低以及實際實驗中不能由質子束徑跡反演中子能譜的問題。

為解決上述技術問題，本發明所採用的技術方案是：

一種利用單質子徑跡成像的中子能譜測量裝置，其特殊之處在於：包括中子轉換體、質子徑跡發光室、成像系統和電源；

所述中子轉換體包括中子源、中子-質子轉換靶和光闌；

所述質子徑跡發光室包括腔室，設置在腔室外一端的質子入射密封窗口、設置在腔室內的圓筒形多絲結構、與腔室內部連通的充氣系統和抽真空系統、設置在腔室外側的光學窗口、以及與所述圓筒形多絲結構連接的電壓源；所述圓筒形多絲結構由位於圓柱軸心的一根陽極絲和分布在陽極絲圓周的多根陰極絲組成；

所述中子源出射中子束經過中子-質子轉換靶的轉換變向後，穿過光闌和質子入射密封窗口進入腔室，所述成像系統由陽極絲所收集的電荷信號控制成像，電源與圓筒形多絲結構連接。

進一步的，所述成像系統包括相機、相機控制系統、光學中繼系統及在線分析系統；

所述光學中繼系統對準腔室外側的光學窗口，在線分析系統與相機連接，相機控制系統一端與相機連接，另一端與圓筒形多絲結構的陽極絲連接。

進一步的，所述相機控制系統與圓筒形多絲結構之間連接有線性放大器。

進一步的，所述中子源與中子-質子轉換靶之間設置有中子準直器，所述中子準直器為帶準直孔的鐵塊或鉛塊。

進一步的，所述中子-質子轉換靶為聚乙烯薄膜。

進一步的，所述質子入射密封窗口是由厚度為5-10μm的鈦、金或鉬金屬膜組成；所述圓筒形多絲結構由中間一根陽極絲和周圍10-20根均勻分布的陰極絲組成，陽極絲直徑15-25μm，陽極絲和陰極絲距離10-30mm。

進一步的，所述充氣系統所充工作氣體為四氟化碳氣體或四氟化碳氣體與稀有氣體的混合氣體。

本發明還提供一種利用單質子徑跡成像的中子能譜測量方法，其特殊之處在於：包括以下步驟：

1)獲取單個質子的徑跡圖像：

1.1)中子束經限束和準直後，與中子-質子轉換靶作用產生反衝質子；

1.2)與中子束呈反衝角θ的反衝質子平行於陽極絲進入充滿工作氣體的腔室；

1.3)給陽極絲提供高壓，直至陽極絲附近產生光子和電子；

1.4)腔室內的陽極絲收集所產生電荷信號，經放大後觸發相機自動拍照，獲得單個質子的徑跡螢光圖像；

2)重複步驟1)獲取多個單質子徑跡圖像；

3)對獲取的圖像進行處理和分析：

讀取每幅圖像中質子徑跡末端位置的像素值，根據像素值與實際位置的線性關係，得到質子射程；根據步驟2)中獲取的多個單質子徑跡圖像，統計出質子射程R的分布；

4)獲得質子能譜分布：

通過SRIM軟體計算質子在工作氣體中的射程R與初始能量Ep的對應關係，並由所述步驟3)獲得的質子射程分布反推質子能譜分布；

5)計算中子能譜：

根據反衝質子與中子能量之間的關係式：En＝Ep/cos2θ，獲得中子能譜；

其中：

En為中子能量，

Ep為步驟4)質子能譜中的質子能量，

θ為反衝角，反衝角為所述步驟1)中中子準直器2和光闌5之間的角度。

進一步的，所述反衝角θ為60°。

本發明的有益效果是：

1、本發明利用圓筒形多絲結構提供的電場提高了系統的靈敏度，能夠獲得單個質子的徑跡圖像，從而能夠根據反衝質子法診斷中子產額較低的聚變過程。

2、本發明裝置和方法很直觀且能夠實時給出測量中子的能譜。通過質子徑跡圖像很直觀地將結果表現出來，在線分析系統中預先編寫好的軟體可以將獲取得到的質子圖像進行在線處理，並通過簡單的質子射程-質子能量對應關係和反衝質子能量-中子能量對應關係實時解出中子能譜。

3、本發明裝置和方法能夠獲得高解析度的中子能譜。中子的能譜解析度取決於質子射程的分布，關鍵在於徑跡末端位置的空間解析度和質子本身的射程歧離。由於質子在常見閃爍性氣體中射程一般在幾十釐米量級，成像到相機上的像有幾釐米，而相機每個像素大小在微米量級，相對來說位置解析度高達千分之幾；另外氣體的阻止本領很小，所以質子在氣體中的射程歧離較小，而且與測量系統無關。因此該發明得到的中子能譜解析度高。

4、該發明裝置和方法獲取的中子能譜範圍寬，適合幾MeV到幾十MeV的中子。中子能譜是通過獲取反衝質子的射程來測量，而質子射程可通過改變氣體種類和壓強來靈活變動，若反衝質子能量大，可增大氣壓或換高密度的氣體來減小射程，反之若質子能量小，可減小氣壓或換低密度的氣體來加長射程。這樣將射程調整到合適長度就能測量不同能量的中子。

5、本發明基於單質子徑跡成像的方式只決定於探測介質和粒子本身，而與輻射場的脈衝狀態無關，因此既可以用於脈衝中子能譜測量，又適用於穩態中子能譜測量。

附圖說明

圖1是實施例所提供的一種基於單質子徑跡成像的高靈敏高解析度中子能譜測量裝置和方法示意圖。

圖2是基於實施例獲取到的單質子在1atm CF4氣體中的徑跡圖像。

圖3是基於實施例獲取到的單質子在1atm CF4氣體中的射程分布。

圖4是質子在1atm CF4氣體中的射程-能量關係曲線。

圖5是由質子在氣體中的射程分布得到的質子在氣體中的初始能量的分布。

圖中，1-中子源，2-中子準直器，3-中子-質子轉換靶，4-反衝質子，5-光闌，6-質子入射密封窗口，7-不鏽鋼腔室，8-圓筒形多絲結構，9-工作氣體，10-充氣系統，11-抽真空系統，12-光學窗口，13-電壓源，14-光學中繼系統，15-IICCD相機，16-線性放大器，17-相機外部觸發，18-相機控制軟體，19-在線分析系統。

具體實施方式

下面結合附圖和具體實施方式對本發明作詳細說明。

1.基於單質子徑跡成像的中子能譜測量裝置和方法的原理是反衝質子法、單質子徑跡發光法和射程-能量法的結合。

反衝質子法

反衝質子與中子能量之間有關係：

En＝Ep/cos2θ. (1)

其中En為中子能量，Ep為質子能量，θ為反衝角。只要測量出反衝角，並獲得反衝質子的能譜，中子的能譜就能解出。且由公式(1)可得ΔEn/En＝ΔEp/Ep,即中子的能量解析度與反衝質子的能量解析度相等。

2)單質子徑跡發光法

具有一定能量的質子進入不鏽鋼腔室後使徑跡位置的氣體分子電離產生初始電子，圓筒形多絲結構加合適電壓時，產生的電場指向中心的陽極絲，並在陽極絲附近迅速增強，達到氣體雪崩的閾值(106V/m)。徑跡位置產生的電子在電場作用下平行地漂移到強電場區，激發閃爍性氣體發生雪崩發光，產生的螢光數目足夠多，可以被成像系統捕獲形成較清晰的圖像，由於這些螢光能夠指示質子的徑跡，成像系統捕獲到的圖像就是單質子的徑跡圖像。

3)射程-能量法

對於給定的氣體，入射質子的能量與質子在該氣體中的射程呈一一對應關係，且該對應關係可以通過計算或模擬得到，因此如果獲得質子射程，就能根據對應關係反推出能量。

2.一種基於單質子徑跡成像的高靈敏高解析度中子能譜測量裝置的具體結構和製作

參照圖1，包括中子轉換體、質子徑跡發光室及成像系統三部分。其中中子轉換體包括中子源1、中子準直器2、中子-質子轉換靶3、反衝質子4、及光闌5；質子徑跡發光室包括質子入射密封窗口6、不鏽鋼腔室7、圓筒形多絲結構8、工作氣體9、充氣系統10、抽真空系統11、光學窗口12、以及電壓源13；成像系統包括光學中繼系統14、IICCD相機15、相機外部觸發17、相機控制軟體18及在線分析系統19。

中子準直器2用於限束和屏蔽，置於中子源附近(參照圖1)，由帶準直孔的鐵塊或鉛塊製成；準直孔的大小根據探測效率和能量分辨要求來定，準直孔越大，探測效率越高，但能量解析度可能變小；準直器整體大小和形狀比較靈活，可以根據屏蔽效果和實際空間來製作。中子-質子轉換靶3用於將中子轉換成反衝質子，可以採用含氫量較高的聚乙烯薄膜材料，置於中子準直器2的準直孔出口(參照圖1)，聚乙烯膜越厚，中子探測效率越高，但能量展寬越大，所以具體厚度根據實際要求來折中選擇。光闌5用於對反衝質子4限束，其軸線與中子準直器2的準直孔軸線呈一定角度(參照圖1)，比如60°，避免中子直射。

質子入射密封窗口6可由厚度為5-10μm的鈦、金或鉬金屬薄膜通過法蘭固定在不鏽鋼腔室7側面而製成，直徑5-10mm，在滿足對不鏽鋼腔室7密封要求的前提下，材料要儘量薄，以減小質子在材料中的能量損失和展寬，具體實施選用了厚度5μm、直徑5mm的鈦窗；測量時，質子入射密封窗口6的軸線與光闌5的軸線與重合(參照圖1)。光學窗口12選用透光率為95％左右的石英玻璃通過法蘭固定在不鏽鋼腔室7正前面而製成，厚度1cm，直徑可根據實際情況來定，製作為20cm左右。

圓筒形多絲結構8由中間一根陽極絲和周圍10-20根均勻分布的陰極絲組成，長度根據具體情況來定，如果質子射程較長可以製作地較長，具體實施中陽極絲直徑選20μm的鍍金鎢絲,陰極絲選直徑為100μm的銅絲或鋁絲,陽極絲和陰極絲距離15mm，長度35cm；兩端由耐高壓且放氣少的固體材料固定，具體選用高壓F4B。電壓源13選用能提供5000V的直流高壓電源PS350，給圓筒形多絲結構8供電壓，陽極絲接高壓，陰極絲接地。

工作氣體9選用螢光產額較高、光譜範圍寬的四氟化碳氣體，且對質子的阻止本領較大，10MeV質子的射程在幾十釐米量級，如果需要將射程調節到更長，可混合一定比例的稀有氣體；充氣系統10包括裝有工作氣體的氣瓶及其配套的減壓閥門、連接氣管、氣體比例調節器、以及在不鏽鋼腔室7上裝的充氣閥門等；抽真空系統11包括真空泵(機械泵和分子泵的組合)及其配套閥門、連接氣管、以及在不鏽鋼腔室7上裝的真空閥門等。

光學中繼系統14選用了小焦距、大景深的Canon光學中繼系統，焦距為50mm，孔徑比為1.2，位於光學窗口的正前方；IICCD相機15為帶有相增強器(image-intensified)的高增益高靈敏高量子效率的CCD相機，具體選用了Andor-iStar-734，1024×1024個像素，每個像素有效面積為13μm，使用時IICCD相機15與光學中繼系統耦合14。

相機控制系統包括線性放大器、外部觸發及相機控制軟體，線性放大器用於放大脈衝電荷信號，進一步對相機進行外部觸發，相機控制軟體在預先設置好拍照模式、增益、曝光時間及溫度後，一旦受到外部觸發會自動拍照；在線分析系統為預先編寫好的數據獲取、數據處理並能夠根據徑跡圖像自動解出入射能譜的程序，相機每次拍照後形成的單質子徑跡圖像被程序讀取並統計處射程分布，再由射程-能量關係直接解出能譜後輸出結果。

3.基於2所述裝置的中子能譜測量方法的具體步驟

1)基於2所述裝置獲取單質子徑跡圖像

參照圖1，將圓筒形多絲結構8緊貼光學窗口12放置，且陽極絲平行於石英玻璃平面；給相機系統對焦，使焦平面位於陽極絲附近，對焦後，固定成像系統，用鋼尺測量得到物平面76×76mm，相機視場最左邊與質子入射密封窗口6的距離130mm，這樣，若單質子徑跡末端位置所在像素N，則質子射程

R＝130(mm)+N×76(mm)/1024. (2)

通過抽真空系統11對不鏽鋼腔室7抽真空，直至氣壓在0.01pa左右，然後通過充氣系統10給不鏽鋼腔室7充入一定氣壓的工作氣體9，比如1atm CF4，密封不鏽鋼腔室7；電壓源13給圓筒形多絲結構8的陽極絲提供高壓2000V左右，在陽極絲和陰極絲之間的區域產生電場，陽極絲附近的電場最大(22×106V/m)；中子源1通過中子準直器2限束和準直後與中子-質子轉換靶3作用產生反衝質子4，反衝質子4又通過光闌5限束和準直，與中子呈60°且平行於陽極絲進入密封的不鏽鋼腔室7，質子在徑跡位置使氣體電離產生初始電子，電子在電場作用下激發氣體分子雪崩發光，在陽極絲附近產生大量的光子和電子；電子被陽極絲收集產生電荷信號，通過線性放大器16放大，然後通過外部觸發17觸發相機控制軟體18；相機受觸發後自動拍照，獲得單個質子的徑跡螢光圖像。參照圖2，基於該具體實施方式獲得的典型的單質子經過5μm厚的鈦窗後在1atm CF4中形成的徑跡圖像，可以看到該發明得到的單質子徑跡圖像很清晰，特別是徑跡末端位置N很容易辨別和讀取。

2)對所述步驟1)獲得的單質子徑跡圖像進行處理和分析，讀取得到圖像中質子徑跡末端位置的像素值為N＝305，則根據公式(2)可得到質子射程R＝152.6mm。

3)按步驟1)獲取500個左右相同條件的單質子徑跡圖像，並根據步驟2)統計出質子射程R的分布，參照圖3。

4)獲取反衝質子的能量分布

通過SRIM軟體計算出質子在1atm CF4中的射程R與能量Ep的對應關係(參照圖4)，並結合步驟3)獲得的質子射程R分布(參照圖3)反推出質子在氣體中的初始能量(經過鈦窗後)的分布，參照圖5，符合單高斯分布，且中心能量為5.499MeV，半高寬為137KeV。

最後再通過SRIM軟體反推質子在穿鈦窗前的能量，即反衝質子的中心能量，得出結果為5.604MeV；由於質子在進入氣體前的初始能量已經在鈦窗等前端的介質中發生展寬，所以由質子在氣體中的射程分布得到的能量分布半高寬就是整個測量系統的質子能量分布半高寬，即得到的反衝質子的能量分布半高寬也為137KeV。

這樣，由該發明測得反衝質子的中心能量為Ep＝5.604MeV,能量分布半高寬FWHM(Ep)＝137KeV,則對反衝質子的能量解析度

n1＝FWHM/Ep＝2.4％

5)由反衝質子法計算中子能譜。

反衝質子與中子能量之間有關係(1)En＝Ep/cos2θ，其中已經由步驟4)獲得質子能量Ep＝5.604MeV，且由步驟1)獲得反衝角θ＝60°，則獲得中子能量

En＝Ep/cos2θ＝22.416MeV。

中子能譜半高寬FWHM(En)＝FWHM(Ep)/cos2θ＝548KeV，得出中子能量分辨

n2＝En/FWHM(En)

即基於2所述高靈敏測量裝置，可以由上述5個具體測量方法步驟得到高解析度的中子能譜。