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大阵列nToF谱仪中时间测量和控制系统原型的研制

张岳华  
【摘要】: 以强激光为驱动器的惯性约束核聚变(ICF)研究在八十年代末就已作为我国高技术研究发展计划的一个主题项目,旨在跟踪研究先进的强激光战略防御技术和利用强激光技术发展起来的惯性约束聚变研究技术,是极为复杂的多学科跨世纪的系统研究工程。因此ICF领域研究工作的开展无论对国民经济、军事应用,还是基础学科探索都有着重要而特殊的意义。 来自ICF核聚变的核反应产物可以用来研究等离子体特性。因为核反应产物仅仅在燃烧时刻产生,而且仅产生于燃烧的燃料区,研究核反应产物可以得到很多关于靶丸内爆中心的信息,并且与其他测量技术相比受到多因素的干扰较少。 惯性约束核聚变的最终目标是实现可控热核聚变,其标志之一是产生核聚变产物—中子。实验时,反应物(燃料)离子温度T_i和平均密度半径积ρR是两个重要参量,可以用来诊断靶丸内部是否发生核聚变反应。实验聚变产生的初级中子是单能的(DD反应产生的中子能量为2.45 MeV;DT反应产生的中子能量为14.1MeV),但是因为燃料离子热运动,会造成单能初级中子的能量离散。测量初级中子能谱的离散大小就可以得到离子温度;而通过测量次级中子能谱,可以给出高密度压缩状态下的ρR。 直接获取中子能谱是一件比较困难的事情,国际流行的方法是通过中子飞行时间谱来得到中子能谱。因为ICF靶核在空间上可以近似看成点源,在时间上可以看作同时产生,中子飞越到探测器过程中基本上不发生碰撞,这样可以用飞行时间技术来测量中子能谱。中子到达探测器的时间与中子的能量相对应,根据中子飞行时间谱的时间离散Δt与就可以计算出燃料离子温度。这种中子飞行时间测量法(nTOF)在国际上已经成为获取中子能谱的唯一办法。 基于电流模式的nTOF探测器系统由快塑料闪烁体、快光电倍加管和高带宽瞬态数字化仪(或高带宽示波器)等组成。它在高中子产额时可以获得很好的中子能谱;但是在低中子产额条件下,传统的电流模式nToF探测器系统由于受到探测器中子接收面积的限制,很难测量得到精确的飞行时间谱,因而给离子温度诊断带来很大误差。 用大面积中子探测器阵列测量飞行时间谱,可以在低产额情况下保持好的时间分辨又具有高的灵敏度。其实质是采用很多个探测器通道,每个通道接收0—1个中子,然后根据所有通道得到的中子飞行时间来组成一个完整的中子飞行时间谱,进而获得中子能谱。这种方法相比较于“电流型”测量方法中只用一个通道来接收中子,其中子的有效面积大大增加,从而提高了中子能谱的分辨率。这些优点使得大面子中子探测器阵列系统已成为ICF诊断的标准技术。 为“神光3”原型设计的大面积中子探测器阵列,总体的时间分辨设计指标为1ns。它的电子学系统原型采用的是前沿定时甄别加直接时间—数字转换,辅以幅度修正的方法。整个电子学原型系统由放大定时甄别模块、时间测量模块、幅度测量模块、控制模块、扇出模块等等组成。 为了给探测器和光电倍增管系统留下的足够的设计余地,电子学系统的时间分辨需要达到100ps,而时间测量模块的时间分辨为60ps。 在经过一系列的电子学测试,时间测量模块以及整个电子学系统都达到了设计指标,控制模块工作正常。之后和探测器系统进行了连接,利用宇宙线进行了电子学系统的“时间—幅度”修正能力的测试,证明了其最终的时间分辨满足了大面积中子探测器阵列的需求。 本文的创新点在于: 1)为国内的ICF实验装置首台大面积中子探测器阵列的建立,研制了电子学系统原型中时间测量模块和控制模块。 2)首次在ICF实验的多通道的时间测量中采用了新型的“时间—数字转换”芯片,它采取的精细时间内插技术和“校正”功能,保证了时间测量模块较好的时间分辨,长达1000ns的测量动态范围,和良好的通道一致性。


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