本實(shí)用新型涉及輻射探測中的中子能譜探測方法和技術(shù)，具體涉及一種基于單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測量裝置及方法。

背景技術(shù)：

中子能譜的測量在聚變等離子體診斷中占有極其重要的地位。中子作為核聚變反應(yīng)最直接的產(chǎn)物，攜帶了豐富的等離子體聚變過程和離子狀態(tài)的信息，從中子能譜能夠獲得聚變等離子溫度、體密度以及聚變功率等關(guān)鍵參數(shù)，是檢驗(yàn)核聚變裝置是否達(dá)到設(shè)計(jì)要求最直接和最有效的方法，同時(shí)聚變等離子體診斷對(duì)中子能譜測量精度有很高的要求。目前，在聚變裝置上最常用的中子能譜測量方法是中子飛行時(shí)間法和反沖質(zhì)子磁分析法，但要求中子的產(chǎn)額在10¹¹-10¹⁹才能工作。其他方法也要求中子產(chǎn)額至少10¹⁰。但在聚變點(diǎn)火試驗(yàn)失敗等情況下，聚變產(chǎn)生的中子產(chǎn)額較低，為了精確診斷這些情況下的聚變等離子溫度等參數(shù)，用以評(píng)估聚變質(zhì)量，亟待發(fā)展高靈敏高分辨率的中子能譜測量方法。

文獻(xiàn)“用于脈沖中子能譜測量的質(zhì)子束光學(xué)成像方法研究[D].北京:清華大學(xué)工程物理系,2013”公開了一種用于脈沖中子能譜測量的質(zhì)子束光學(xué)成像方法。利用質(zhì)子束在氣體閃爍體中徑跡圖像反演出質(zhì)子能譜分布，然后根據(jù)反沖質(zhì)子法獲取中子能譜，但由質(zhì)子束徑跡圖像反演其能譜是個(gè)很困難的反問題，目前只是理論上行得通，而在實(shí)際實(shí)驗(yàn)中還沒得到有效解決。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本實(shí)用新型所要解決的技術(shù)問題是：提供一種基于單質(zhì)子徑跡成像的高靈敏高分辨率中子能譜測量裝置及方法，用以解決現(xiàn)有聚變中子能譜測量方法靈敏度低以及實(shí)際實(shí)驗(yàn)中不能由質(zhì)子束徑跡反演中子能譜的問題。

為解決上述技術(shù)問題，本實(shí)用新型所采用的技術(shù)方案是：

一種利用單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測量裝置，其特殊之處在于：包括中子轉(zhuǎn)換體、質(zhì)子徑跡發(fā)光室、成像系統(tǒng)和電源；

所述中子轉(zhuǎn)換體包括中子源、中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶和光闌；

所述質(zhì)子徑跡發(fā)光室包括腔室，設(shè)置在腔室外一端的質(zhì)子入射密封窗口、設(shè)置在腔室內(nèi)的圓筒形多絲結(jié)構(gòu)、與腔室內(nèi)部連通的充氣系統(tǒng)和抽真空系統(tǒng)、設(shè)置在腔室外側(cè)的光學(xué)窗口、以及與所述圓筒形多絲結(jié)構(gòu)連接的電壓源；所述圓筒形多絲結(jié)構(gòu)由位于圓柱軸心的一根陽極絲和分布在陽極絲圓周的多根陰極絲組成；

所述中子源出射中子束經(jīng)過中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶的轉(zhuǎn)換變向后，穿過光闌和質(zhì)子入射密封窗口進(jìn)入腔室，所述成像系統(tǒng)由陽極絲所收集的電荷信號(hào)控制成像，電源與圓筒形多絲結(jié)構(gòu)連接。

進(jìn)一步的，所述成像系統(tǒng)包括相機(jī)、相機(jī)控制系統(tǒng)、光學(xué)中繼系統(tǒng)及在線分析系統(tǒng)；

所述光學(xué)中繼系統(tǒng)對(duì)準(zhǔn)腔室外側(cè)的光學(xué)窗口，在線分析系統(tǒng)與相機(jī)連接，相機(jī)控制系統(tǒng)一端與相機(jī)連接，另一端與圓筒形多絲結(jié)構(gòu)的陽極絲連接。

進(jìn)一步的，所述相機(jī)控制系統(tǒng)與圓筒形多絲結(jié)構(gòu)之間連接有線性放大器。

進(jìn)一步的，所述中子源與中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶之間設(shè)置有中子準(zhǔn)直器，所述中子準(zhǔn)直器為帶準(zhǔn)直孔的鐵塊或鉛塊。

進(jìn)一步的，所述中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶為聚乙烯薄膜。

進(jìn)一步的，所述質(zhì)子入射密封窗口是由厚度為5-10μm的鈦、金或鉬金屬膜組成；所述圓筒形多絲結(jié)構(gòu)由中間一根陽極絲和周圍10-20根均勻分布的陰極絲組成，陽極絲直徑15-25μm，陽極絲和陰極絲距離10-30mm。

進(jìn)一步的，所述充氣系統(tǒng)所充工作氣體為四氟化碳?xì)怏w或四氟化碳?xì)怏w與稀有氣體的混合氣體。

本實(shí)用新型還提供一種利用單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測量方法，其特殊之處在于：包括以下步驟：

1)獲取單個(gè)質(zhì)子的徑跡圖像：

1.1)中子束經(jīng)限束和準(zhǔn)直后，與中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶作用產(chǎn)生反沖質(zhì)子；

1.2)與中子束呈反沖角θ的反沖質(zhì)子平行于陽極絲進(jìn)入充滿工作氣體的腔室；

1.3)給陽極絲提供高壓，直至陽極絲附近產(chǎn)生光子和電子；

1.4)腔室內(nèi)的陽極絲收集所產(chǎn)生電荷信號(hào)，經(jīng)放大后觸發(fā)相機(jī)自動(dòng)拍照，獲得單個(gè)質(zhì)子的徑跡熒光圖像；

2)重復(fù)步驟1)獲取多個(gè)單質(zhì)子徑跡圖像；

3)對(duì)獲取的圖像進(jìn)行處理和分析：

讀取每幅圖像中質(zhì)子徑跡末端位置的像素值，根據(jù)像素值與實(shí)際位置的線性關(guān)系，得到質(zhì)子射程；根據(jù)步驟2)中獲取的多個(gè)單質(zhì)子徑跡圖像，統(tǒng)計(jì)出質(zhì)子射程R的分布；

3)獲得質(zhì)子能譜分布：

通過SRIM軟件計(jì)算質(zhì)子在工作氣體中的射程R與初始能量E_p的對(duì)應(yīng)關(guān)系，并由所述步驟3)獲得的質(zhì)子射程分布反推質(zhì)子能譜分布；

4)計(jì)算中子能譜：

根據(jù)反沖質(zhì)子與中子能量之間的關(guān)系式：E_n＝E_p/cos²θ，獲得中子能譜；

其中：

E_n為中子能量，

E_p為步驟3)質(zhì)子能譜中的質(zhì)子能量，

θ為反沖角，反沖角為所述步驟1)中中子準(zhǔn)直器2和光闌5之間的角度。

進(jìn)一步的，所述反沖角θ為60°。

本實(shí)用新型的有益效果是：

1、本實(shí)用新型利用圓筒形多絲結(jié)構(gòu)提供的電場提高了系統(tǒng)的靈敏度，能夠獲得單個(gè)質(zhì)子的徑跡圖像，從而能夠根據(jù)反沖質(zhì)子法診斷中子產(chǎn)額較低的聚變過程。

2、本實(shí)用新型裝置和方法很直觀且能夠?qū)崟r(shí)給出測量中子的能譜。通過質(zhì)子徑跡圖像很直觀地將結(jié)果表現(xiàn)出來，在線分析系統(tǒng)中預(yù)先編寫好的軟件可以將獲取得到的質(zhì)子圖像進(jìn)行在線處理，并通過簡單的質(zhì)子射程-質(zhì)子能量對(duì)應(yīng)關(guān)系和反沖質(zhì)子能量-中子能量對(duì)應(yīng)關(guān)系實(shí)時(shí)解出中子能譜。

3、本實(shí)用新型裝置和方法能夠獲得高分辨率的中子能譜。中子的能譜分辨率取決于質(zhì)子射程的分布，關(guān)鍵在于徑跡末端位置的空間分辨率和質(zhì)子本身的射程歧離。由于質(zhì)子在常見閃爍性氣體中射程一般在幾十厘米量級(jí)，成像到相機(jī)上的像有幾厘米，而相機(jī)每個(gè)像素大小在微米量級(jí)，相對(duì)來說位置分辨率高達(dá)千分之幾；另外氣體的阻止本領(lǐng)很小，所以質(zhì)子在氣體中的射程歧離較小，而且與測量系統(tǒng)無關(guān)。因此該實(shí)用新型得到的中子能譜分辨率高。

4、該實(shí)用新型裝置和方法獲取的中子能譜范圍寬，適合幾MeV到幾十MeV的中子。中子能譜是通過獲取反沖質(zhì)子的射程來測量，而質(zhì)子射程可通過改變氣體種類和壓強(qiáng)來靈活變動(dòng)，若反沖質(zhì)子能量大，可增大氣壓或換高密度的氣體來減小射程，反之若質(zhì)子能量小，可減小氣壓或換低密度的氣體來加長射程。這樣將射程調(diào)整到合適長度就能測量不同能量的中子。

5、本實(shí)用新型基于單質(zhì)子徑跡成像的方式只決定于探測介質(zhì)和粒子本身，而與輻射場的脈沖狀態(tài)無關(guān)，因此既可以用于脈沖中子能譜測量，又適用于穩(wěn)態(tài)中子能譜測量。

附圖說明

圖1是實(shí)施例所提供的一種基于單質(zhì)子徑跡成像的高靈敏高分辨率中子能譜測量裝置和方法示意圖。

圖2是基于實(shí)施例獲取到的單質(zhì)子在1atm CF4氣體中的徑跡圖像。

圖3是基于實(shí)施例獲取到的單質(zhì)子在1atm CF4氣體中的射程分布。

圖4是質(zhì)子在1atm CF4氣體中的射程-能量關(guān)系曲線。

圖5是由質(zhì)子在氣體中的射程分布得到的質(zhì)子在氣體中的初始能量的分布。

圖中，1-中子源，2-中子準(zhǔn)直器，3-中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶，4-反沖質(zhì)子，5-光闌，6-質(zhì)子入射密封窗口，7-不銹鋼腔室，8-圓筒形多絲結(jié)構(gòu)，9-工作氣體，10-充氣系統(tǒng)，11-抽真空系統(tǒng)，12-光學(xué)窗口，13-電壓源，14-光學(xué)中繼系統(tǒng)，15-IICCD相機(jī)，16-線性放大器，17-相機(jī)外部觸發(fā)，18-相機(jī)控制軟件，19-在線分析系統(tǒng)。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和具體實(shí)施方式對(duì)本實(shí)用新型作詳細(xì)說明。

1.基于單質(zhì)子徑跡成像的中子能譜測量裝置和方法的原理是反沖質(zhì)子法、單質(zhì)子徑跡發(fā)光法和射程-能量法的結(jié)合。

反沖質(zhì)子法

反沖質(zhì)子與中子能量之間有關(guān)系：

En＝Ep/cos2θ. (1)

其中En為中子能量，Ep為質(zhì)子能量，θ為反沖角。只要測量出反沖角，并獲得反沖質(zhì)子的能譜，中子的能譜就能解出。且由公式(1)可得ΔEn/En＝ΔEp/Ep,即中子的能量分辨率與反沖質(zhì)子的能量分辨率相等。

2)單質(zhì)子徑跡發(fā)光法

具有一定能量的質(zhì)子進(jìn)入不銹鋼腔室后使徑跡位置的氣體分子電離產(chǎn)生初始電子，圓筒形多絲結(jié)構(gòu)加合適電壓時(shí)，產(chǎn)生的電場指向中心的陽極絲，并在陽極絲附近迅速增強(qiáng)，達(dá)到氣體雪崩的閾值(106V/m)。徑跡位置產(chǎn)生的電子在電場作用下平行地漂移到強(qiáng)電場區(qū)，激發(fā)閃爍性氣體發(fā)生雪崩發(fā)光，產(chǎn)生的熒光數(shù)目足夠多，可以被成像系統(tǒng)捕獲形成較清晰的圖像，由于這些熒光能夠指示質(zhì)子的徑跡，成像系統(tǒng)捕獲到的圖像就是單質(zhì)子的徑跡圖像。

3)射程-能量法

對(duì)于給定的氣體，入射質(zhì)子的能量與質(zhì)子在該氣體中的射程呈一一對(duì)應(yīng)關(guān)系，且該對(duì)應(yīng)關(guān)系可以通過計(jì)算或模擬得到，因此如果獲得質(zhì)子射程，就能根據(jù)對(duì)應(yīng)關(guān)系反推出能量。

2.一種基于單質(zhì)子徑跡成像的高靈敏高分辨率中子能譜測量裝置的具體結(jié)構(gòu)和制作

參照?qǐng)D1，包括中子轉(zhuǎn)換體、質(zhì)子徑跡發(fā)光室及成像系統(tǒng)三部分。其中中子轉(zhuǎn)換體包括中子源1、中子準(zhǔn)直器2、中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶3、反沖質(zhì)子4、及光闌5；質(zhì)子徑跡發(fā)光室包括質(zhì)子入射密封窗口6、不銹鋼腔室7、圓筒形多絲結(jié)構(gòu)8、工作氣體9、充氣系統(tǒng)10、抽真空系統(tǒng)11、光學(xué)窗口12、以及電壓源13；成像系統(tǒng)包括光學(xué)中繼系統(tǒng)14、IICCD相機(jī)15、相機(jī)外部觸發(fā)17、相機(jī)控制軟件18及在線分析系統(tǒng)19。

中子準(zhǔn)直器2用于限束和屏蔽，置于中子源附近(參照?qǐng)D1)，由帶準(zhǔn)直孔的鐵塊或鉛塊制成；準(zhǔn)直孔的大小根據(jù)探測效率和能量分辨要求來定，準(zhǔn)直孔越大，探測效率越高，但能量分辨率可能變??；準(zhǔn)直器整體大小和形狀比較靈活，可以根據(jù)屏蔽效果和實(shí)際空間來制作。中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶3用于將中子轉(zhuǎn)換成反沖質(zhì)子，可以采用含氫量較高的聚乙烯薄膜材料，置于中子準(zhǔn)直器2的準(zhǔn)直孔出口(參照?qǐng)D1)，聚乙烯膜越厚，中子探測效率越高，但能量展寬越大，所以具體厚度根據(jù)實(shí)際要求來折中選擇。光闌5用于對(duì)反沖質(zhì)子4限束，其軸線與中子準(zhǔn)直器2的準(zhǔn)直孔軸線呈一定角度(參照?qǐng)D1)，比如60°，避免中子直射。

質(zhì)子入射密封窗口6可由厚度為5-10μm的鈦、金或鉬金屬薄膜通過法蘭固定在不銹鋼腔室7側(cè)面而制成，直徑5-10mm，在滿足對(duì)不銹鋼腔室7密封要求的前提下，材料要盡量薄，以減小質(zhì)子在材料中的能量損失和展寬，具體實(shí)施選用了厚度5μm、直徑5mm的鈦窗；測量時(shí)，質(zhì)子入射密封窗口6的軸線與光闌5的軸線與重合(參照?qǐng)D1)。光學(xué)窗口12選用透光率為95％左右的石英玻璃通過法蘭固定在不銹鋼腔室7正前面而制成，厚度1cm，直徑可根據(jù)實(shí)際情況來定，制作為20cm左右。

圓筒形多絲結(jié)構(gòu)8由中間一根陽極絲和周圍10-20根均勻分布的陰極絲組成，長度根據(jù)具體情況來定，如果質(zhì)子射程較長可以制作地較長，具體實(shí)施中陽極絲直徑選20μm的鍍金鎢絲,陰極絲選直徑為100μm的銅絲或鋁絲,陽極絲和陰極絲距離15mm，長度35cm；兩端由耐高壓且放氣少的固體材料固定，具體選用高壓F4B。電壓源13選用能提供5000V的直流高壓電源PS350，給圓筒形多絲結(jié)構(gòu)8供電壓，陽極絲接高壓，陰極絲接地。

工作氣體9選用熒光產(chǎn)額較高、光譜范圍寬的四氟化碳?xì)怏w，且對(duì)質(zhì)子的阻止本領(lǐng)較大，10MeV質(zhì)子的射程在幾十厘米量級(jí)，如果需要將射程調(diào)節(jié)到更長，可混合一定比例的稀有氣體；充氣系統(tǒng)10包括裝有工作氣體的氣瓶及其配套的減壓閥門、連接氣管、氣體比例調(diào)節(jié)器、以及在不銹鋼腔室7上裝的充氣閥門等；抽真空系統(tǒng)11包括真空泵(機(jī)械泵和分子泵的組合)及其配套閥門、連接氣管、以及在不銹鋼腔室7上裝的真空閥門等。

光學(xué)中繼系統(tǒng)14選用了小焦距、大景深的Canon光學(xué)中繼系統(tǒng)，焦距為50mm，孔徑比為1.2，位于光學(xué)窗口的正前方；IICCD相機(jī)15為帶有相增強(qiáng)器(image-intensified)的高增益高靈敏高量子效率的CCD相機(jī)，具體選用了Andor-iStar-734，1024×1024個(gè)像素，每個(gè)像素有效面積為13μm，使用時(shí)IICCD相機(jī)15與光學(xué)中繼系統(tǒng)耦合14。

相機(jī)控制系統(tǒng)包括線性放大器、外部觸發(fā)及相機(jī)控制軟件，線性放大器用于放大脈沖電荷信號(hào)，進(jìn)一步對(duì)相機(jī)進(jìn)行外部觸發(fā)，相機(jī)控制軟件在預(yù)先設(shè)置好拍照模式、增益、曝光時(shí)間及溫度后，一旦受到外部觸發(fā)會(huì)自動(dòng)拍照；在線分析系統(tǒng)為預(yù)先編寫好的數(shù)據(jù)獲取、數(shù)據(jù)處理并能夠根據(jù)徑跡圖像自動(dòng)解出入射能譜的程序，相機(jī)每次拍照后形成的單質(zhì)子徑跡圖像被程序讀取并統(tǒng)計(jì)處射程分布，再由射程-能量關(guān)系直接解出能譜后輸出結(jié)果。

3.基于2所述裝置的中子能譜測量方法的具體步驟

1)基于2所述裝置獲取單質(zhì)子徑跡圖像

參照?qǐng)D1，將圓筒形多絲結(jié)構(gòu)8緊貼光學(xué)窗口12放置，且陽極絲平行于石英玻璃平面；給相機(jī)系統(tǒng)對(duì)焦，使焦平面位于陽極絲附近，對(duì)焦后，固定成像系統(tǒng)，用鋼尺測量得到物平面76×76mm，相機(jī)視場最左邊與質(zhì)子入射密封窗口6的距離130mm，這樣，若單質(zhì)子徑跡末端位置所在像素N，則質(zhì)子射程

R＝130(mm)+N×76(mm)/1024. (2)

通過抽真空系統(tǒng)11對(duì)不銹鋼腔室7抽真空，直至氣壓在0.01pa左右，然后通過充氣系統(tǒng)10給不銹鋼腔室7充入一定氣壓的工作氣體9，比如1atm CF4，密封不銹鋼腔室7；電壓源13給圓筒形多絲結(jié)構(gòu)8的陽極絲提供高壓2000V左右，在陽極絲和陰極絲之間的區(qū)域產(chǎn)生電場，陽極絲附近的電場最大(22×106V/m)；中子源1通過中子準(zhǔn)直器2限束和準(zhǔn)直后與中子-質(zhì)子轉(zhuǎn)換靶3作用產(chǎn)生反沖質(zhì)子4，反沖質(zhì)子4又通過光闌5限束和準(zhǔn)直，與中子呈60°且平行于陽極絲進(jìn)入密封的不銹鋼腔室7，質(zhì)子在徑跡位置使氣體電離產(chǎn)生初始電子，電子在電場作用下激發(fā)氣體分子雪崩發(fā)光，在陽極絲附近產(chǎn)生大量的光子和電子；電子被陽極絲收集產(chǎn)生電荷信號(hào)，通過線性放大器16放大，然后通過外部觸發(fā)17觸發(fā)相機(jī)控制軟件18；相機(jī)受觸發(fā)后自動(dòng)拍照，獲得單個(gè)質(zhì)子的徑跡熒光圖像。參照?qǐng)D2，基于該具體實(shí)施方式獲得的典型的單質(zhì)子經(jīng)過5μm厚的鈦窗后在1atm CF4中形成的徑跡圖像，可以看到該實(shí)用新型得到的單質(zhì)子徑跡圖像很清晰，特別是徑跡末端位置N很容易辨別和讀取。

2)對(duì)所述步驟1)獲得的單質(zhì)子徑跡圖像進(jìn)行處理和分析，讀取得到圖像中質(zhì)子徑跡末端位置的像素值為N＝305，則根據(jù)公式(2)可得到質(zhì)子射程R＝152.6mm。

3)按步驟1)獲取500個(gè)左右相同條件的單質(zhì)子徑跡圖像，并根據(jù)步驟2)統(tǒng)計(jì)出質(zhì)子射程R的分布，參照?qǐng)D3。

4)獲取反沖質(zhì)子的能量分布

通過SRIM軟件計(jì)算出質(zhì)子在1atm CF4中的射程R與能量Ep的對(duì)應(yīng)關(guān)系(參照?qǐng)D4)，并結(jié)合步驟3)獲得的質(zhì)子射程R分布(參照?qǐng)D3)反推出質(zhì)子在氣體中的初始能量(經(jīng)過鈦窗后)的分布，參照?qǐng)D5，符合單高斯分布，且中心能量為5.499MeV，半高寬為137KeV。

最后再通過SRIM軟件反推質(zhì)子在穿鈦窗前的能量，即反沖質(zhì)子的中心能量，得出結(jié)果為5.604MeV；由于質(zhì)子在進(jìn)入氣體前的初始能量已經(jīng)在鈦窗等前端的介質(zhì)中發(fā)生展寬，所以由質(zhì)子在氣體中的射程分布得到的能量分布半高寬就是整個(gè)測量系統(tǒng)的質(zhì)子能量分布半高寬，即得到的反沖質(zhì)子的能量分布半高寬也為137KeV。

這樣，由該實(shí)用新型測得反沖質(zhì)子的中心能量為Ep＝5.604MeV,能量分布半高寬FWHM(Ep)＝137KeV,則對(duì)反沖質(zhì)子的能量分辨率

n1＝FWHM/Ep＝2.4％

5)由反沖質(zhì)子法計(jì)算中子能譜。

反沖質(zhì)子與中子能量之間有關(guān)系(1)En＝Ep/cos2θ，其中已經(jīng)由步驟4)獲得質(zhì)子能量Ep＝5.604MeV，且由步驟1)獲得反沖角θ＝60°，則獲得中子能量

En＝Ep/cos2θ＝22.416MeV。

中子能譜半高寬FWHM(En)＝FWHM(Ep)/cos2θ＝548KeV，得出中子能量分辨

n2＝En/FWHM(En)

即基于2所述高靈敏測量裝置，可以由上述5個(gè)具體測量方法步驟得到高分辨率的中子能譜。