[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

说明书

技术领域

本发明涉及辐射探测中的中子能谱探测方法和技术，具体涉及一种基于单质子径迹成像的中子能谱测量装置及方法。

背景技术

中子能谱的测量在聚变等离子体诊断中占有极其重要的地位。中子作为核聚变反应最直接的产物，携带了丰富的等离子体聚变过程和离子状态的信息，从中子能谱能够获得聚变等离子温度、体密度以及聚变功率等关键参数，是检验核聚变装置是否达到设计要求最直接和最有效的方法，同时聚变等离子体诊断对中子能谱测量精度有很高的要求。目前，在聚变装置上最常用的中子能谱测量方法是中子飞行时间法和反冲质子磁分析法，但要求中子的产额在10¹¹-10¹⁹才能工作。其他方法也要求中子产额至少10¹⁰。但在聚变点火试验失败等情况下，聚变产生的中子产额较低，为了精确诊断这些情况下的聚变等离子温度等参数，用以评估聚变质量，亟待发展高灵敏高分辨率的中子能谱测量方法。

文献“用于脉冲中子能谱测量的质子束光学成像方法研究[D].北京:清华大学工程物理系,2013”公开了一种用于脉冲中子能谱测量的质子束光学成像方法。利用质子束在气体闪烁体中径迹图像反演出质子能谱分布，然后根据反冲质子法获取中子能谱，但由质子束径迹图像反演其能谱是个很困难的反问题，目前只是理论上行得通，而在实际实验中还没得到有效解决。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是：提供一种基于单质子径迹成像的高灵敏高分辨率中子能谱测量装置及方法，用以解决现有聚变中子能谱测量方法灵敏度低以及实际实验中不能由质子束径迹反演中子能谱的问题。

为解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是：

一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置，其特殊之处在于：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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，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。

进一步的，所述中子-质子转换靶为聚乙烯薄膜。

进一步的，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。

进一步的，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。

本发明还提供一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量方法，其特殊之处在于：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；