[发明专利]一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置及测量方法

权利要求书

1.一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：包括中子转换体、质子径迹发光室、成像系统和电源；

所述中子转换体包括中子源、中子-质子转换靶和光阑；

所述质子径迹发光室包括腔室，设置在腔室外一端的质子入射密封窗口、设置在腔室内的圆筒形多丝结构、与腔室内部连通的充气系统和抽真空系统、设置在腔室外侧的光学窗口、以及与所述圆筒形多丝结构连接的电压源；所述圆筒形多丝结构由位于圆柱轴心的一根阳极丝和分布在阳极丝圆周的多根阴极丝组成；

所述中子源出射中子束经过中子-质子转换靶的转换变向后，穿过光阑和质子入射密封窗口进入腔室，所述成像系统由阳极丝所收集的电荷信号控制成像，电源与圆筒形多丝结构连接。

2.根据权利要求1所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述成像系统包括相机、相机控制系统、光学中继系统及在线分析系统；

所述光学中继系统对准腔室外侧的光学窗口，在线分析系统与相机连接，相机控制系统一端与相机连接，另一端与圆筒形多丝结构的阳极丝连接。

3.根据权利要求2所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述相机控制系统与圆筒形多丝结构之间连接有线性放大器。

4.根据权利要求1所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子源与中子-质子转换靶之间设置有中子准直器，所述中子准直器为带准直孔的铁块或铅块。

5.根据权利要求4所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述中子-质子转换靶为聚乙烯薄膜。

6.根据权利要求1所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述质子入射密封窗口是由厚度为5-10μm的钛、金或钼金属膜组成；所述圆筒形多丝结构由中间一根阳极丝和周围10-20根均匀分布的阴极丝组成，阳极丝直径15-25μm，阳极丝和阴极丝距离10-30mm。

7.根据权利要求6所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特征在于：所述充气系统所充工作气体为四氟化碳气体或四氟化碳气体与稀有气体的混合气体。

8.一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

1)获取单个质子的径迹图像：

1.1)中子束经限束和准直后，与中子-质子转换靶作用产生反冲质子；

1.2)与中子束呈反冲角θ的反冲质子平行于阳极丝进入充满工作气体的腔室；

1.3)给阳极丝提供高压，直至阳极丝附近产生光子和电子；

1.4)腔室内的阳极丝收集所产生电荷信号，经放大后触发相机自动拍照，获得单个质子的径迹荧光图像；

2)重复步骤1)获取多个单质子径迹图像；

3)对获取的图像进行处理和分析：

读取每幅图像中质子径迹末端位置的像素值，根据像素值与实际位置的线性关系，得到质子射程；根据步骤2)中获取的多个单质子径迹图像，统计出质子射程R的分布；

4)获得质子能谱分布：

通过SRIM软件计算质子在工作气体中的射程R与初始能量E_p的对应关系，并由所述步骤3)获得的质子射程分布反推质子能谱分布；

5)计算中子能谱：

根据反冲质子与中子能量之间的关系式：E_n＝E_p/cos²θ，获得中子能谱；

其中：

E_n为中子能量，

E_p为步骤4)质子能谱中的质子能量，

θ为反冲角，反冲角为所述步骤1)中中子准直器2和光阑5之间的角度。

9.根据权利要求8所述的一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量方法，其特征在于：所述反冲角θ为60°。