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制造方法及图纸

本发明专利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。包括中子转换体、质子径迹发光室、成像系统和电源；中子转换体包括中子源、中子‑质子转换靶和光阑；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、以及与圆筒形多丝结构连接的电压源；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；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，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。

Neutron energy spectrum measuring device and measuring method using elemental track imaging

The invention particularly relates to a neutron energy spectrum measuring device and method based on elemental track imaging. Including the neutron converter, the proton track luminous room, imaging system and power supply; neutron converter including neutron source, neutron proton conversion target and aperture; proton track light emitting chamber comprises a chamber, circular cylinder is arranged in the chamber at one end of the proton incident window, set in the sealing chamber, and the chamber shape multifilament internal connectivity pneumatic system and vacuum system, set in the optical window, and the shape of the voltage source outside the chamber multifilament connected with the cylinder; a cylindrical structure composed of a multi anode wire in cylindrical axis and distributed in a plurality of cathode anode wire circle; neutron source neutron beam emitted after neutron proton conversion target change back through the aperture and the proton sealing window into the chamber, control the charge signal imaging imaging system collected by the anode wire, power supply and cylindrical Multi wire connection structure.

【技术实现步骤摘要】
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
本专利技术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。
技术介绍
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。
技术实现思路
本专利技术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，本专利技术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。本专利技术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Ep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：En＝Ep/cos2θ，获得中子能谱；其中：En为中子能量，Ep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。进一步的，所述反冲角θ为60°。本专利技术的有益效果是：1、本专利技术利用圆筒形多丝结构提供的电场提高了系统的灵敏度，能够获得单个质子的径迹图像，从而能够根据反冲质子法诊断中子产额较低的聚变过程。2、本专利技术装置和方法很直观且能够实时给出测量中子的能谱。通过质子径迹图像很直观地将结果表现出来，在线分析系统中预先编写好的软件可以将获取得到的质子图像进行在线处理，并通过简单的质子射程-质子能量对应关系和反冲质子能量-中子能量对应关系实时解出中子能谱。3、本专利技术装置和方法能够获得高分辨率的中子能谱。中子的能谱分辨率取决于质子射程的分布，关键在于径迹末端位置的空间分辨率和质子本身的射程歧离。由于质子在常见闪烁性气体中射程一般在几十厘米量级，成像到相机上的像有几厘米，而相机每个像素大小在微米量级，相对来说位置分辨率高达千分之几；另外气体的阻止本领很小，所以质子在气体中的射程歧离较小，而且与测量系统无关。因此该专利技术得到的中子能谱分辨率高。4、该专利技术装置和方法获取的中子能谱范围宽，适合几MeV到几十MeV的中子。中子能谱是通过获取反冲质子的射程来测量，而质子射程可通过改变气体种类和压强来灵活变动，若反冲质子能量大，可增大气压或换高密度的气体来减小射程，反之若质子能量小，可减小气压或换低密度的气体来加长射程。这样将射程调整到合适长度就能测量不同能量的中子。5、本专利技术基于单质子径迹成像的方式只决定于探测介质和粒子本身，而与辐射场的脉冲状态无关，因此既可以用于脉冲中子能谱测量，又适用于稳态中子能谱测量。附图说明图1是实施例所提供的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和方法示意图。图2是基于实施例获取到的单质子在1atmCF4气体中的径迹图像。图3是基于实施例获取到的单质子在1atmCF4气体中的射程分布。图4是质子在1atmCF4气体中的射程-能量关系曲线。图5是由质子在气体中的射程分布得到的质子在气体中的初始能量的分布。图中，1-中子源，2-中子准直器，3-中子-质子转换靶，4-反冲质子，5-光阑，6-质子入射密封窗口，7-不锈钢腔室，8-圆筒形多丝结构，9-工作气体，10-充气系统，11-抽真空系统，12-光学窗口，13-电压源，14-光学中继系统，15-IICCD相机，16-线性放大器，17-相机外部触发，18-相机控制软件，19-在线分析系统。具体实施方式下面结合附图和具体实施方式对本专利技术作详细说明。1.基于单质子径迹成像的中子能谱测量装置和方法的原理是反冲质子法、单质子径迹发光法和射程-能量法的结合。反冲质子法反冲质子与中子能量之间有关系：En＝Ep/cos2θ.(1)其中En为中子能量，Ep为质子能量，θ为反冲角。只要测量出反冲角，并获得反冲质子的能谱，中子的能谱就能解出。且由公式(1)可得ΔEn/En＝ΔEp/Ep本文档来自技高网...

【技术保护点】
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。

【技术特征摘要】
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5-1...

【专利技术属性】
技术研发人员：胡静，欧阳晓平，刘金良，张忠兵，阮金陆，何世熠，
申请(专利权)人：清华大学，西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：北京,11