ICF實(shí)驗(yàn)中子探測器研究.pdf

1、高溫高密度熱核點(diǎn)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(shí)才有可能實(shí)現(xiàn)熱核點(diǎn)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(jià)格和安全性，無論是國際上進(jìn)行的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)還是將來在神光-Ⅲ原型上進(jìn)行的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)，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(shí)驗(yàn)，估計(jì)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(shí)，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(jì)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(shí)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(shí)驗(yàn)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(shí)間譜時(shí)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(shí)驗(yàn)現(xiàn)場的條件，并參考國外ICF實(shí)驗(yàn)裝置中大面積中子探測器陣列的設(shè)計(jì)和達(dá)到的性能指標(biāo)，可以計(jì)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(gè)通道、飛行距離16．67米、DT中子探測效率約為20％；同時(shí)要求大面積中子探測器陣列測得的中子飛行時(shí)間譜總的時(shí)間分辨要求達(dá)到1．0ns，其中，對電子學(xué)系統(tǒng)總體時(shí)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(jì)，為了能實(shí)現(xiàn)中子探測器陣列與ICF實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)的無縫對接，同時(shí)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(jì)。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(gè)測量模塊，每個(gè)模塊都只需要實(shí)現(xiàn)某一個(gè)或幾個(gè)功能，幾個(gè)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(jì)了一個(gè)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(jì)和探測系統(tǒng)一致性的匹

6、配。如果原型系統(tǒng)設(shè)計(jì)成功并經(jīng)測試滿足需求，則整個(gè)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(gè)主要的測量組件：放大定時(shí)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(gè)測試，并將電子學(xué)系統(tǒng)聯(lián)合起來作了總體時(shí)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(jì)要求，電子學(xué)時(shí)間分辨達(dá)到了100ps，也能滿足使用需求。此外，為了模擬ICF實(shí)驗(yàn)時(shí)中子探測器陣列的運(yùn)行情況，用宇宙線擊中閃爍體并在兩個(gè)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(gè)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(shí)間分辨約為225ps，滿足實(shí)驗(yàn)的需要。如果考慮實(shí)驗(yàn)裝置的尺寸導(dǎo)致的兩個(gè)光電倍增管輸出信號的時(shí)間差異對時(shí)間分辨的影響

8、，時(shí)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(shí)驗(yàn)在高壓縮密度狀態(tài)下<ρR>診斷的相關(guān)報(bào)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(gè)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(shí)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