ICF實驗中子探測器研究.pdf

1、高溫高密度熱核點火是ICF研究的核心問題。根據(jù)勞森判據(jù)，激光聚變過程中，燃料面密度<ρR>≥0．4g/cm<'2>時才有可能實現(xiàn)熱核點火。因此，隨著ICF研究的日益深入，<ρR>的診斷變得越來越重要。神光-Ⅲ原型將主要進(jìn)行二維效應(yīng)非對稱內(nèi)爆，這種條件下的中子產(chǎn)額是很低的?？紤]到制備氚靶昂貴的價格和安全性，無論是國際上進(jìn)行的內(nèi)爆實驗還是將來在神光-Ⅲ原型上進(jìn)行的內(nèi)爆實驗，都是以充純氘燃料為主，這種條件下的中子產(chǎn)額更低，神光-Ⅲ原型上進(jìn)行的

2、內(nèi)爆實驗，估計次級中子產(chǎn)額只有10<'5>-10<'6>通過測量充純氘燃料靶丸的次級中子能譜，可以給出高壓縮狀態(tài)下的<ρR>。同時，通過次級中子能譜，還能分析影響ICF內(nèi)爆的各種物理過程，達(dá)到了解各種內(nèi)爆中靶丸的壓縮程度、燃料的燃燒情況和優(yōu)化各種靶及黑腔的設(shè)計的目的。為了在這樣低的中子產(chǎn)額條件下獲得離子溫度T<,i>和(ρR)，需要建立一套大面積中子探測器陣列測量中子的飛行時間譜。大面積中子探測器陣列系統(tǒng)目前幾乎是國際上使用的唯一探測手

3、段，已成為診斷T<,i>和<ρR>的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。美國、日本和英國都在進(jìn)行這種技術(shù)的研究，并建造了幾套探測器陣列系統(tǒng)。 在神光-Ⅲ原型上進(jìn)行的。ICF實驗對大面積中子探測器陣列的探測指標(biāo)要求為：其次級DT中子探測水平達(dá)到4×10<'5>，中子飛行時間譜時間分辨對應(yīng)的中子能量分辨(FWHM)達(dá)到90keV。根據(jù)這些要求，結(jié)合神光-Ⅲ原型裝置實驗現(xiàn)場的條件，并參考國外ICF實驗裝置中大面積中子探測器陣列的設(shè)計和達(dá)到的性能指標(biāo)，可以計算出

4、神光-Ⅲ原型的火面積中子探測器陣列的規(guī)模為：960個通道、飛行距離16．67米、DT中子探測效率約為20％；同時要求大面積中子探測器陣列測得的中子飛行時間譜總的時間分辨要求達(dá)到1．0ns，其中，對電子學(xué)系統(tǒng)總體時間分辨更是要求達(dá)到100ps。 由于神光-Ⅲ原型的控制、測量及數(shù)據(jù)采集設(shè)備大多是基于標(biāo)準(zhǔn)VME機(jī)箱而設(shè)計，為了能實現(xiàn)中子探測器陣列與ICF實驗數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的無縫對接，同時保證系統(tǒng)有較高的可靠性、較強(qiáng)的互換性和可維護(hù)

5、性，其電子學(xué)系統(tǒng)將基于VME 6U標(biāo)準(zhǔn)機(jī)箱來設(shè)計。中子探測器陣列的復(fù)雜的電子學(xué)系統(tǒng)被劃分為幾個測量模塊，每個模塊都只需要實現(xiàn)某一個或幾個功能，幾個模塊連接起來，就能組成一套完整的測量系統(tǒng)。 對大面積中子探測器陣列技術(shù)的研究，首先是通過建立一套多通道中子探測器陣列的原型來完成的。為了進(jìn)行<ρR>診斷技術(shù)的原理性探索，本論文設(shè)計了一個16通道的探測器和電子學(xué)系統(tǒng)的原型。原型的研制包括探測器的研制、電子學(xué)系統(tǒng)的設(shè)計和探測系統(tǒng)一致性的匹

6、配。如果原型系統(tǒng)設(shè)計成功并經(jīng)測試滿足需求，則整個960通道的中子探測器陣列將會由原型系統(tǒng)經(jīng)過簡單的復(fù)制得到。 針對原型系統(tǒng)的需求，研制和加工了一套16通道的電子學(xué)系統(tǒng)的原型，包括四個主要的測量組件：放大定時甄別器、成形放大器、ADC和TDC，編寫了用于電子學(xué)原型測試、調(diào)試和修正的軟件。各組件調(diào)試成功后，對各電子學(xué)組件性能進(jìn)行了單個測試，并將電子學(xué)系統(tǒng)聯(lián)合起來作了總體時間分辨的測試，測試結(jié)果表明，電子學(xué)系統(tǒng)在量程、一致性、串?dāng)_和穩(wěn)

7、定性等方面都達(dá)到了設(shè)計要求，電子學(xué)時間分辨達(dá)到了100ps，也能滿足使用需求。此外，為了模擬ICF實驗時中子探測器陣列的運行情況，用宇宙線擊中閃爍體并在兩個光電倍增管中產(chǎn)生的信號作為電子學(xué)系統(tǒng)的輸入，對整個探測器和電子學(xué)系統(tǒng)作了整體性能測試，并對采集到的測試數(shù)據(jù)作了幅度游動效應(yīng)的修正。最終結(jié)果表明，中子探測器陣列原型的總體時間分辨約為225ps，滿足實驗的需要。如果考慮實驗裝置的尺寸導(dǎo)致的兩個光電倍增管輸出信號的時間差異對時間分辨的影響

8、，時間分辨還能更好。 本論文的主要創(chuàng)新之處在于： (1)開展了ICF中子能譜測量方法的研究，在國內(nèi)尚屬首次。國內(nèi)此前還沒有ICF實驗在高壓縮密度狀態(tài)下<ρR>診斷的相關(guān)報道。而國際上目前都是采用大陣列中子探測器來測量次級中子能譜，并通過次級中子能譜來診斷<ρR>，這個技術(shù)已成為ICF診斷<ρR>的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 (2)建立了用飛行時間法測量中子能譜的16通道原型系統(tǒng)，著重探討了原型系統(tǒng)中的關(guān)鍵組件——16通道VME放