CN111736206B - 一种测量d-t中子源源斑尺寸的装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于中子源测量技术领域，具体涉及一种测量D‑T中子源源斑尺寸的装置及方法，用于对设置在靶头腔室(18)内的氚靶(13)上产生的中子源源斑(12)的尺寸进行测量，该装置包括密封设置在靶头腔室(18)上的关联α探测系统(2)和位于靶头腔室(18)外部、与关联α探测系统(2)相对设置的中子探测装置(1)，还包括对中子探测装置(1)测得的第一模拟信号和关联α探测系统(2)测得的第二模拟信号进行关联时间符合、得到中子源的中子源源斑(12)的尺寸的数据获取分析系统(3)。本发明能够实现α粒子图像(11)的实时成像，并实时反映中子源源斑(12)的尺寸和形状变化以及在空间位置随时间的变化。

Description

一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置及方法

技术领域

本发明属于中子源测量技术领域，具体涉及一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置及方法。

背景技术

D-T中子源通过d(t，n)He聚变反应产生14MeV中子(由D-T中子源引出的束流轰击靶面产生14MeV中子)，广泛应用于核数据测量、快中子照相、爆炸物检测、核劾查等研究领域。在中子源使用过程中，中子源源斑尺寸的大小对实际应用过程中都会产生影响，尤其在快中子照相和核查领域，源斑尺寸的大小直接影响测量精度的大小。能够对中子源使用过程中，对中子源源斑进行实时监测，具有很重要的意义。

目前，对于高压倍加器型D-T中子源源斑测量的途径有两种：一种是实验结束后破坏真空拆下靶，直接用刻度尺测量靶点痕迹尺寸，无法做到实时监测中子源源斑尺寸；另一种是在束流管道内靶附近安装摄像机实时监测，这种方法会造成靶结构复杂，体积变大，不利于实验数据的精确测量，另外，摄像机离靶太近，CCD(电荷耦合器件)容易受到中子轰击，造成损伤，需要经常更换CCD。对于便携式中子源，已有的测量方法是通过伴随α点探测器与中子线阵探测器来进行关联测量，该测量方法只能测量中子源源斑的一维尺寸，也就是线尺寸，不能反映整个中子源源斑的形状，另外这种测量方法也不能反映中子源源斑在靶面的相对位置。

发明内容

为了解决D-T中子源使用过程中无法实施监测中子源源斑尺寸和位置的问题，本发明基于D-T源中子与α粒子的空间和时间的关联关系，利用α阵列探测器对源斑成像的方法来对中子源源斑的二维尺寸和与靶面的相对位置进行实时监测。

为达到以上目的，本发明采用的技术方案是一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置，用于对设置在靶头腔室内的氚靶上产生的中子源源斑的尺寸进行测量，所述靶头腔室内部为真空环境，所述中子源源斑由中子源发射的离子束轰击所述氚靶产生，其中，包括密封设置在所述靶头腔室上的关联α探测系统和位于所述靶头腔室外部、与所述关联α探测系统相对设置的中子探测装置，还包括对所述中子探测装置测得的第一模拟信号和所述关联α探测系统测得的第二模拟信号进行关联时间符合、得到所述中子源的所述中子源源斑的尺寸的数据获取分析系统。

进一步，所述中子探测装置为通过第二电源供电的中子探测器，所述中子探测器至所述氚靶的中心的距离为2.5m；所述中子探测器连接所述数据获取分析系统；所述第一模拟信号由所述中子探测器获得，包括中子模拟信号和γ粒子模拟信号。

进一步，所述中子探测器具有n/γ甄别能力。

进一步，所述中子探测器为塑闪探测器与光电倍增管的组合；所述第二电源用于给所述光电倍增管供电。

进一步，

所述关联α探测系统包括依次串联设置的限束法兰、避光透气海绵、光隔离层、闪烁体、真空隔离层、位置灵敏型光电倍增管阵列、分压电路和第一电源，所述分压电路连接所述数据获取分析系统；所述氚靶与所述闪烁体之间呈45度角；

所述关联α探测系统与所述靶头腔室连通，处于真空中，所述闪烁体能够看到所述氚靶的整个靶面，所述闪烁体的前表面距离所述氚靶的靶面中心5cm。

进一步，

所述限束法兰用于将所述关联α探测系统密封设置在所述靶头腔室上，所述光隔离层通过避光透气海绵被压紧在所述闪烁体表面；所述真空隔离层通过真空隔离层支架连接所述限束法兰；

所述位置灵敏型光电倍增管阵列和所述分压电路设置在屏蔽盒内；所述屏蔽盒的顶端通过螺栓与所述真空隔离层支架连接，实现所述位置灵敏型光电倍增管阵列与所述真空隔离层的连接；所述屏蔽盒的尾端设置数据输出接口和供电输入接口，所述数据输出接口用于所述分压电路与所述数据获取分析系统的连接，所述供电输入接口用于所述分压电路与所述第一电源的连接；

所述真空隔离层的一面与所述位置灵敏型光电倍增管阵列进行光学耦合，另一面与所述闪烁体进行光学耦合；

所述屏蔽盒和所述真空隔离层之间、所述真空隔离层和所述限束法兰之间以及所述限束法兰和所述靶头腔室之间均通过螺栓固定；

所述真空隔离层与所述限束法兰之间通过密封圈实现密封，所述限束法兰与所述靶头腔室之间通过密封圈实现密封。

进一步，

所述真空隔离层为蓝宝石玻璃；

所述光隔离层采用的是Al箔，用于避免所述氚靶散射的氘粒子和所述氚靶的光对所述闪烁体产生干扰信号；所述光隔离层的侧端通过金属弹片与所述限束法兰接地；

所述屏蔽盒为铝质；

所述真空隔离层支架采用钛钢制作；

所述闪烁体通过高粘度光学硅脂与所述真空隔离层耦合；

所述真空隔离层通过高粘度光学硅脂与所述位置灵敏型光电倍增管阵列耦合，所述真空隔离层与所述位置灵敏型光电倍增管阵列耦合的位置周围用黑色胶带密封；

所述位置灵敏型光电倍增管阵列采用Si-PM阵列，所述Si-PM阵列后端接所述分压电路，用于将所述关联α探测系统获取的α粒子的模拟信号幅度分压到A路模拟信号、B路模拟信号、C路模拟信号和D路模拟信号，组成所述第二模拟信号。

进一步，

所述数据获取分析系统包括连接所述中子探测器和所述分压电路的数字化仪，还包括与所述数字化仪相连的电脑；

所述数字化仪为多通道数字化仪，用于将所述中子探测装置测得的所述第一模拟信号和所述关联α探测系统测得的所述第二模拟信号进行采集，并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行A/D转换得到相应的第一数字信号和第二数字信号，将所述第一数字信号和所述第二数字信号输入所述电脑；所述第一数字信号包括中子数字信号和γ粒子数字信号；所述第二数字信号为α粒子数字信号，包括A路数字信号、B路数字信号、C路数字信号和D路数字信号；

所述电脑内的数据处理程序将所述第一数字信号进行n/γ脉冲形状甄别，挑选出所述中子数字信号，再与所述α粒子数字信号进行所述关联时间符合，从而挑选出与所述中子数字信号关联的所述α粒子数字信号，同时进行所述关联α探测系统获取的所述α粒子的位置重建，从而获取与所述中子数字信号关联的所述α粒子的位置信息；获取α粒子图像后，再根据所述中子探测器和所述关联α探测系统之间的位置关系，得到所述中子源源斑的图像。

本发明还提供了用于以上所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置的一种测量D-T中子源源斑尺寸的方法，包括如下步骤：

步骤S1，对所述靶头腔室抽真空，使用所述中子源轰击所述氚靶；

步骤S2，所述中子探测器获取所述第一模拟信号，所述关联α探测系统获取所述第二模拟信号；

步骤S3，所述数字化仪将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行采集，并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行A/D转换得到相应的所述第一数字信号和所述第二数字信号，将所述第一数字信号和所述第二数字信号输入所述电脑；

所述第一模拟信号包括所述中子模拟信号和所述γ粒子模拟信号；

所述第二模拟信号为所述α粒子的模拟信号，包括所述A路模拟信号、所述B路模拟信号、所述C路模拟信号和所述D路模拟信号；

所述第一数字信号包括所述中子数字信号和所述γ粒子数字信号；

所述第二数字信号为所述α粒子数字信号，包括所述A路数字信号、所述B路数字信号、所述C路数字信号和所述D路数字信号；

步骤S4，所述电脑中的所述数据处理程序将所述第一数字信号进行n/γ脉冲形状甄别，挑选出所述中子数字信号，再与所述第二数字信号进行所述关联时间符合，从而挑选出与所述中子数字信号关联的所述第二数字信号中的所述α粒子数字信号，同时进行所述α粒子的位置重建，获取关联的所述α粒子的位置信息；经一段时间积累后获取所述α粒子图像，再根据所述中子探测器和所述关联α探测系统之间的位置关系，得到所述中子源源斑的图像。

进一步，

在所述步骤S4中，所述n/γ脉冲形状甄别后挑选出的所述中子数字信号经过恒比定时产生开门信号；所述第二数字信号经过恒比定时产生关门信号；

所述开门信号和所述关门信号进行飞行时间测量，在飞行时间谱上选取n-α符合时间窗，所述n-α符合时间窗为5ns，从而挑选出与所述中子数字信号关联的所述α粒子数字信号；

而后对挑选出的所述α粒子数字信号的所述A路数字信号、所述B路数字信号、所述C路数字信号和所述D路数字信号根据第二公式和第三公式得到所述α粒子信号的x轴坐标和y轴坐标，从而实现所述α粒子的位置重建，获取所述α粒子图像；

再根据第一公式经过几何关系转换获得实时的所述中子源源斑的图像；

x＝(A-B)/(A+B) 第二公式

y＝(C-D)/(C+D) 第三公式

x表示x轴坐标；

y表示y轴坐标；

A表示所述A路数字信号；

B表示所述B路数字信号；

C表示所述C路数字信号；

D表示所述D路数字信号；

φ_t表示所述中子源源斑的直径；

φ_α表示所述关联α探测系统上测得的所述α粒子图像的尺寸；

φ_n表示所述中子探测器的直径；

L表示所述中子探测器至所述氚靶中心点的距离；

l表示所述关联α探测系统中的所述闪烁体的中心至所述氚靶中心点的距离。

本发明的有益效果在于：

1.本发明采用快时间响应、小尺寸、具有n/γ甄别能力的中子探测器15，快时间响应可以保证挑选α事件的准确性；小尺寸有利于中子源源斑12的尺寸的精确测量；n/γ甄别有利于剔除氚靶13和环境中γ信号的干扰。

2.本发明采用具有快时间响应、高位置分辨能力的关联α探测系统2，快时间响应是为了精确定时，剔除散射中子的干扰；面阵探测器的高分辨有利于保证中子源源斑12成像的准确性。

3.本发明直接用多通道型的数字化仪16进行各通道数据采集，对比传统机箱-电子学插件组合形式更加简单、便携。

4.多通道型的数字化仪16的数据信号直接传入电脑17，通过数据处理程序直接实现第一数字信号和第二数字信号的筛选以及α粒子的位置重建，实现α粒子图像11的实时成像。

5.本发明利用单个中子探测器15探测直穿中子挑选关联α粒子，可以使整个中子源源斑测量装置简化，且可以在不影响物理实验的时候进行。

6.本发明可以获取中子源源斑12的强度分布，真实准确反映出中子源信息。

7.本发明实时测量与直穿中子关联的α粒子的位置，建立与时间的对应关系，从而建立起与中子源源斑12的尺寸、形状的对应关系，可以实时反映出中子源源斑12的尺寸和形状变化。

8.本发明通过实时呈现出α粒子图像11在成像区域的相对位置变化，从而反映出中子源源斑12在空间位置随时间的变化。

9.本发明通过实时对中子源源斑12的形状变化的监测，可以实时反映出加速D+束(由中子源引出的轰击氚靶13的束流)的聚束情况，可以为束流聚束调节做参考。

附图说明

图1是本发明具体实施方式中所述的一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置的示意图；

图2是本发明具体实施方式中所述的一种测量D-T中子源源斑尺寸的方法的流程示意图；

图3是本发明具体实施方式中所述的一种测量D-T中子源源斑尺寸的方法的步骤S4中的数据处理流程的示意图，

在图2、图3中：

n/γ：没有进行n/γ脉冲形状甄别之前的第一数字信号(包含中子数字信号和γ粒子数字信号)，

PSD：n/γ脉冲形状甄别，

n：挑选出的中子数字信号，

α all：第二数字信号(即α粒子数字信号)，

TOF：飞行时间测量，

α sel：挑选出的中子数字信号关联的α粒子数字信号，

α pos：α粒子图像11，

S pos：中子源源斑12的图像；

图4是通过本法发明具体实施方式中所述的一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置及方法得到的聚焦条件下的中子源源斑12的测量结果(图中坐标每格代表0.25mm)；

图5是通过本法发明具体实施方式中所述的一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置及方法得到的散焦条件下的中子源源斑12的测量结果(图中坐标每格代表0.25mm)；

图中：1-中子探测装置，2-关联α探测系统，3-数据获取分析系统，4-限束法兰，5-避光透气海绵，6-闪烁体，7-真空隔离层，8-位置灵敏型光电倍增管阵列，9-分压电路，10-第一电源，11-α粒子图像，12-中子源源斑，13-氚靶，14-第二电源，15-中子探测器(具有n/γ甄别能力)，16-数字化仪，17-电脑，18-靶头腔室，19-飞行时间开关(位于电脑17中)，20-α粒子的位置重建(位于电脑17中)，21-得到中子源源斑12的图像。

具体实施方式

下面结合附图和实施例对本发明作进一步描述。

如图1所示，本发明提供的一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置，用于对设置在靶头腔室18内的氚靶13上产生的中子源源斑12的尺寸进行测量，靶头腔室18内部为真空环境，中子源源斑12由中子源发射的离子束轰击氚靶13产生，该装置包括密封设置在靶头腔室18上的关联α探测系统2和位于靶头腔室18外部、与关联α探测系统2相对设置的中子探测装置1，还包括对中子探测装置1测得的第一模拟信号和关联α探测系统2测得的第二模拟信号进行关联时间符合、得到中子源的中子源源斑12的尺寸的数据获取分析系统3。

中子探测装置1为通过第二电源14(高压电源)供电的中子探测器15，中子探测器15至氚靶13的中心的距离为2.5m(关联范围)；中子探测器15连接数据获取分析系统3；第一模拟信号由中子探测器15获得，包括中子模拟信号和γ粒子模拟信号。

中子探测器15的时间响应<1ns，直径<5cm，具有n/γ甄别能力；第二电源14的供电电压为-1350V，可以得到比较好的n/γ分辨；在中子源强为1×10⁸n/s的强度下，中子探测器15放置在距离氚靶13的中心2.5m的关联范围内，中子探测器15在探测效率为10％的情况下，n-α符合计数率约为125n/s。

中子探测器15为塑闪探测器与光电倍增管的组合，塑闪探测器为圆柱体型，尺寸为φ1英寸×2英寸(型号为EJ299-33-A型)；第二电源14用于给光电倍增管供电。

关联α探测系统2包括依次串联设置的限束法兰4、避光透气海绵5、光隔离层、闪烁体6、真空隔离层7、位置灵敏型光电倍增管阵列8、分压电路9和第一电源10，分压电路9连接数据获取分析系统3；氚靶13与闪烁体6之间呈45度角；

关联α探测系统2与靶头腔室18连通，处于真空中，闪烁体6能够看到氚靶13的整个靶面，闪烁体6的前表面距离氚靶13的靶面中心5cm。

限束法兰4用于通过螺丝固定将关联α探测系统2密封设置在靶头腔室18上，光隔离层通过避光透气海绵5被压紧在闪烁体6表面；真空隔离层7通过真空隔离层支架连接限束法兰4；

位置灵敏型光电倍增管阵列8和分压电路9通过螺栓设置在屏蔽盒内；屏蔽盒的顶端通过螺栓与真空隔离层支架连接，实现位置灵敏型光电倍增管阵列8与真空隔离层7的连接；屏蔽盒的尾端设置数据输出接口和供电输入接口，数据输出接口用于分压电路9与数据获取分析系统3的连接，供电输入接口用于分压电路9与第一电源10的连接；

真空隔离层7的一面与屏蔽盒内的位置灵敏型光电倍增管阵列8进行光学耦合，另一面与闪烁体6进行光学耦合；

屏蔽盒和真空隔离层7之间、真空隔离层7和限束法兰4之间以及限束法兰4和靶头腔室18之间均通过螺栓固定；

真空隔离层7与限束法兰4之间通过密封圈实现密封，限束法兰4与靶头腔室18之间通过密封圈实现密封。

限束法兰4的直径尺寸为90mm，中心孔直径为20mm，材质为钛钢；

真空隔离层7为2.5mm厚的蓝宝石玻璃或石英玻璃，既能保证足够的机械强度隔离真空，又能保证对闪烁体6的光大于95％的穿透率；

光隔离层采用的是两层800nm厚的Al箔，用于避免氚靶13散射的氘粒子和氚靶13的光对闪烁体6产生干扰信号；光隔离层的侧端通过金属弹片与限束法兰4接地，避免电荷积累对中子源源斑12的尺寸的测量造成的影响；光隔离层通过避光透气海绵5固定在闪烁体6表面，在实现避光作用的同时避免由于在靶头腔室18的抽真空过程中造成光隔离层破裂；

屏蔽盒为铝质；

真空隔离层支架采用钛钢制作，以保证有足够的机械强度；

闪烁体6为50μm厚的塑料闪烁体(EJ-228型)，尺寸为50mm×50mm×1mm，通过高粘度光学硅脂(Q2-3067)与真空隔离层7耦合；

真空隔离层7通过高粘度光学硅脂(Q2-3067)与位置灵敏型光电倍增管阵列8耦合，真空隔离层7与位置灵敏型光电倍增管阵列8耦合的位置周围用黑色胶带密封，一方面可以避光，另一方面可以避免空气进入气泡产生，影响光传输；

位置灵敏型光电倍增管阵列8采用的是16×16的Si-PM阵列，Si-PM阵列中的单个Si-PM通道的尺寸为3mm×3mm，每个Si-PM通道由3200个单元组成，每个单元尺寸为60μm×60μm；Si-PM阵列后端接分压电路9(DPC分压电路)，用于将关联α探测系统2获取的α粒子的模拟信号幅度分压到A路模拟信号、B路模拟信号、C路模拟信号和D路模拟信号，组成第二模拟信号(即第二模拟信号包括A路模拟信号、B路模拟信号、C路模拟信号和D路模拟信号)。(关联α探测系统2所采用的α探测系统的类型包括半导体面阵探测器、闪烁体和PMT耦合的面阵探测器、闪烁体和Si-PM耦合的面阵探测器以及SiC面阵探测器，本申请的技术方案中α探测系统是采用“Si-PM耦合的面阵探测器”。)

数据获取分析系统3包括连接中子探测器15和分压电路9的数字化仪16，还包括与数字化仪16相连的电脑17；

数字化仪16为多通道数字化仪(型号为DT5730)，用于将中子探测装置1测得的第一模拟信号和关联α探测系统2测得的第二模拟信号进行采集，并将第一模拟信号和第二模拟信号进行A/D转换得到相应的第一数字信号和第二数字信号，将第一数字信号和第二数字信号输入电脑17；第一数字信号包括中子数字信号和γ粒子数字信号；第二数字信号为α粒子数字信号，包括A路数字信号、B路数字信号、C路数字信号和D路数字信号；

电脑17内的数据处理程序(通过LabWindows编写)将第一数字信号进行n/γ脉冲形状甄别(n表示中子)，挑选出中子数字信号，再与α粒子数字信号进行关联时间符合，从而挑选出与中子数字信号关联的α粒子数字信号，同时进行关联α探测系统2获取的α粒子的位置重建，从而获取与中子数字信号关联的α粒子的位置信息；经一段时间(几分钟)积累后获取α粒子图像11，再根据中子探测器15和关联α探测系统2之间的位置关系，得到中子源源斑12的图像。

本发明还提供了用于以上所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置的一种测量D-T中子源源斑尺寸的方法(流程见图2)，利用d(t,n)He聚变过程中，中子和α粒子同时产生、方向相反的特性，利用具有超快时间分辨的α位置灵敏探测器对聚变过程中的α进行测量，利用在α关联角度内的小尺寸中子探测器的中子信号进行时间符合，可以获得关联α的二维图像，该图像的形状和尺寸与中子源源斑的形状和尺寸具有几何对应关系，从而实现对中子源源斑尺寸的精确监测，该方法包括如下步骤：

步骤S1，对靶头腔室18抽真空(10^-4Pa)，设置中子源的强度为1×10⁸n/s，使用中子源轰击氚靶13，中子探测装置1设置在关联α探测系统2所能探测到的关联范围内，距离可以根据中子探测装置1的中子计数率和所需成像时间进行自由调节；

步骤S2，中子探测器15获取第一模拟信号，关联α探测系统2获取第二模拟信号；

步骤S3，数字化仪16将第一模拟信号和第二模拟信号进行采集，并将第一模拟信号和第二模拟信号进行A/D转换得到相应的第一数字信号和第二数字信号，将第一数字信号和第二数字信号输入电脑17；

第一模拟信号包括中子模拟信号和γ粒子模拟信号；

第二模拟信号为α粒子的模拟信号，包括A路模拟信号、B路模拟信号、C路模拟信号和D路模拟信号；

第一数字信号包括中子数字信号和γ粒子数字信号；

第二数字信号为α粒子数字信号，包括A路数字信号、B路数字信号、C路数字信号和D路数字信号；

步骤S4，电脑17中的数据处理程序将第一数字信号进行n/γ脉冲形状甄别，挑选出中子数字信号，再与第二数字信号进行关联时间符合，从而挑选出与中子数字信号关联的第二数字信号中的α粒子数字信号，同时进行α粒子的位置重建，获取关联的α粒子的位置信息；经一段时间积累后获取α粒子图像11，再根据中子探测器15和关联α探测系统2之间的位置关系，得到中子源源斑12的图像。

在步骤S4中的具体的数据处理流程(见图3所示)，n/γ脉冲形状甄别(PSD)后挑选出的中子数字信号经过恒比定时(CFD)产生开门信号；第二数字信号经过恒比定时(CFD)产生关门信号；(n/γ脉冲形状甄别可以用外置电子学设备进行实现，也可以直接用数字化仪进行采集，在软件端进行PSD、将n信号挑选(n信号为中子数字信号)。以数字化仪DT5730为例，中子探测装置1测得的n/γ信号进入DT5730记录波形信息和时间信息(n/γ信号是指没有进行n/γ脉冲形状甄别之前的第一数字信号，包含n信号和γ信号，γ信号是指γ粒子数字信号)，利用n信号和γ信号慢成分不同的特点，将长窗积分时间设置为200ns，短窗积分时间设置为40ns，可以通过信号(长窗积分-短窗积分)/(长窗积分)值画出PSD图，实验采用的是将比例值>0.15可以挑选出比较干净的中子数字信号。)

开门信号和关门信号(分别进入飞行时间开关19)进行飞行时间测量(TOF)，在飞行时间谱上选取n-α符合时间窗，n-α符合时间窗为5ns，从而挑选出与中子数字信号关联的α粒子数字信号；

而后对挑选出的α粒子数字信号的A路数字信号、B路数字信号、C路数字信号和D路数字信号根据第二公式和第三公式得到α粒子信号的x轴坐标和y轴坐标，从而实现α粒子的位置重建，获取α粒子图像11；

再根据第一公式经过几何关系转换获得实时的中子源源斑12的图像，从而实现对中子源源斑12的实时测量；

x＝A-B/A+B 第二公式

y＝C-D/C+D 第三公式

x表示x轴坐标；

y表示y轴坐标；

A表示A路数字信号；

B表示B路数字信号；

C表示C路数字信号；

D表示D路数字信号；

(A、B、C、D是信号的电荷积分)

φ_t表示中子源源斑12的直径；

φ_α表示关联α探测系统2上测得的α粒子图像11的尺寸；

φ_n表示中子探测器15的直径(即中子探测器15的有效截面尺寸)；

L表示中子探测器15至氚靶13中心点的距离；

l表示关联α探测系统2中的闪烁体6的中心至氚靶13中心点的距离。

本发明所述的装置并不限于具体实施方式中所述的实施例，本领域技术人员根据本发明的技术方案得出其他的实施方式，同样属于本发明的技术创新范围。

Claims (9)

1.一种测量D-T中子源源斑尺寸的装置，用于对设置在靶头腔室(18)内的氚靶(13)上产生的中子源源斑(12)的尺寸进行测量，所述靶头腔室(18)内部为真空环境，所述中子源源斑(12)由中子源发射的离子束轰击所述氚靶(13)产生，其特征是：包括密封设置在所述靶头腔室(18)上的关联α探测系统(2)和位于所述靶头腔室(18)外部、与所述关联α探测系统(2)相对设置的中子探测装置(1)，还包括对所述中子探测装置(1)测得的第一模拟信号和所述关联α探测系统(2)测得的第二模拟信号进行关联时间符合、得到所述中子源的所述中子源源斑(12)的尺寸的数据获取分析系统(3)；

所述数据获取分析系统(3)包括连接中子探测器(15)和分压电路(9)的数字化仪(16)，还包括与所述数字化仪(16)相连的电脑(17)；

所述数字化仪(16)为多通道数字化仪，用于将所述中子探测装置(1)测得的所述第一模拟信号和所述关联α探测系统(2)测得的所述第二模拟信号进行采集，并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行A/D转换得到相应的第一数字信号和第二数字信号，将所述第一数字信号和所述第二数字信号输入所述电脑(17)；所述第一数字信号包括中子数字信号和γ粒子数字信号；所述第二数字信号为α粒子数字信号，包括A路数字信号、B路数字信号、C路数字信号和D路数字信号；

所述电脑(17)内的数据处理程序将所述第一数字信号进行n/γ脉冲形状甄别，挑选出所述中子数字信号，再与所述α粒子数字信号进行所述关联时间符合，从而挑选出与所述中子数字信号关联的所述α粒子数字信号，同时进行所述关联α探测系统(2)获取的所述α粒子的位置重建，从而获取与所述中子数字信号关联的所述α粒子的位置信息；获取α粒子图像(11)后，再根据所述中子探测器(15)和所述关联α探测系统(2)之间的位置关系，得到所述中子源源斑(12)的图像。

2.如权利要求1所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置，其特征是：所述中子探测装置(1)为通过第二电源(14)供电的中子探测器(15)，所述中子探测器(15)至所述氚靶(13)的中心的距离为2.5m，所述中子探测器(15)连接所述数据获取分析系统(3)；所述第一模拟信号由所述中子探测器(15)获得，包括中子模拟信号和γ粒子模拟信号。

3.如权利要求2所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置，其特征是：所述中子探测器(15)具有n/γ甄别能力。

4.如权利要求3所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置，其特征是：所述中子探测器(15)为塑闪探测器与光电倍增管的组合；所述第二电源(14)用于给所述光电倍增管供电。

5.如权利要求4所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置，其特征是：

所述关联α探测系统(2)包括依次串联设置的限束法兰(4)、避光透气海绵(5)、光隔离层、闪烁体(6)、真空隔离层(7)、位置灵敏型光电倍增管阵列(8)、分压电路(9)和第一电源(10)，所述分压电路(9)连接所述数据获取分析系统(3)；所述氚靶(13)与所述闪烁体(6)之间呈45度角；

所述关联α探测系统(2)与所述靶头腔室(18)连通，处于真空中，所述闪烁体(6)能够看到所述氚靶(13)的整个靶面，所述闪烁体(6)的前表面距离所述氚靶(13)的靶面中心5cm。

6.如权利要求5所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置，其特征是：

所述限束法兰(4)用于将所述关联α探测系统(2)密封设置在所述靶头腔室(18)上，所述光隔离层通过避光透气海绵(5)被压紧在所述闪烁体(6)表面；所述真空隔离层(7)通过真空隔离层支架连接所述限束法兰(4)；

所述位置灵敏型光电倍增管阵列(8)和所述分压电路(9)设置在屏蔽盒内；所述屏蔽盒的顶端通过螺栓与所述真空隔离层支架连接，实现所述位置灵敏型光电倍增管阵列(8)与所述真空隔离层(7)的连接；所述屏蔽盒的尾端设置数据输出接口和供电输入接口，所述数据输出接口用于所述分压电路(9)与所述数据获取分析系统(3)的连接，所述供电输入接口用于所述分压电路(9)与所述第一电源(10)的连接；

所述真空隔离层(7)的一面与所述位置灵敏型光电倍增管阵列(8)进行光学耦合，另一面与所述闪烁体(6)进行光学耦合；

所述屏蔽盒和所述真空隔离层(7)之间、所述真空隔离层(7)和所述限束法兰(4)之间以及所述限束法兰(4)和所述靶头腔室(18)之间均通过螺栓固定；

所述真空隔离层(7)与所述限束法兰(4)之间通过密封圈实现密封，所述限束法兰(4)与所述靶头腔室(18)之间通过密封圈实现密封。

7.如权利要求6所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置，其特征是：

所述真空隔离层(7)为蓝宝石玻璃；

所述光隔离层采用的是Al箔，用于避免所述氚靶(13)散射的氘粒子和所述氚靶(13)的光对所述闪烁体(6)产生干扰信号；所述光隔离层的侧端通过金属弹片与所述限束法兰(4)接地；

所述屏蔽盒为铝质；

所述真空隔离层支架采用钛钢制作；

所述闪烁体(6)通过高粘度光学硅脂与所述真空隔离层(7)耦合；

所述真空隔离层(7)通过高粘度光学硅脂与所述位置灵敏型光电倍增管阵列(8)耦合，所述真空隔离层(7)与所述位置灵敏型光电倍增管阵列(8)耦合的位置周围用黑色胶带密封；

所述位置灵敏型光电倍增管阵列(8)采用Si-PM阵列，所述Si-PM阵列后端接所述分压电路(9)，用于将所述关联α探测系统(2)获取的α粒子的模拟信号幅度分压到A路模拟信号、B路模拟信号、C路模拟信号和D路模拟信号，组成所述第二模拟信号。

8.用于如权利要求7所述的测量D-T中子源源斑尺寸的装置的一种测量D-T中子源源斑尺寸的方法，包括如下步骤：

步骤S1，对所述靶头腔室(18)抽真空，使用所述中子源轰击所述氚靶(13)；

步骤S2，所述中子探测器(15)获取所述第一模拟信号，所述关联α探测系统(2)获取所述第二模拟信号；

步骤S3，所述数字化仪(16)将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行采集，并将所述第一模拟信号和所述第二模拟信号进行A/D转换得到相应的所述第一数字信号和所述第二数字信号，将所述第一数字信号和所述第二数字信号输入所述电脑(17)；

所述第一模拟信号包括所述中子模拟信号和所述γ粒子模拟信号；

所述第二模拟信号为所述α粒子的模拟信号，包括所述A路模拟信号、所述B路模拟信号、所述C路模拟信号和所述D路模拟信号；

所述第一数字信号包括所述中子数字信号和所述γ粒子数字信号；

所述第二数字信号为所述α粒子数字信号，包括所述A路数字信号、所述B路数字信号、所述C路数字信号和所述D路数字信号；

步骤S4，所述电脑(17)中的所述数据处理程序将所述第一数字信号进行n/γ脉冲形状甄别，挑选出所述中子数字信号，再与所述第二数字信号进行所述关联时间符合，从而挑选出与所述中子数字信号关联的所述第二数字信号中的所述α粒子数字信号，同时进行所述α粒子的位置重建，获取关联的所述α粒子的位置信息；经一段时间积累后获取所述α粒子图像(11)，再根据所述中子探测器(15)和所述关联α探测系统(2)之间的位置关系，得到所述中子源源斑(12)的图像。

9.如权利要求8所述的测量D-T中子源源斑尺寸的方法，其特征是：

在所述步骤S4中，所述n/γ脉冲形状甄别后挑选出的所述中子数字信号经过恒比定时产生开门信号；所述第二数字信号经过恒比定时产生关门信号；

所述开门信号和所述关门信号进行飞行时间测量，在飞行时间谱上选取n-α符合时间窗，所述n-α符合时间窗为5ns，从而挑选出与所述中子数字信号关联的所述α粒子数字信号；

而后对挑选出的所述α粒子数字信号的所述A路数字信号、所述B路数字信号、所述C路数字信号和所述D路数字信号根据第二公式和第三公式得到所述α粒子信号的x轴坐标和y轴坐标，从而实现所述α粒子的位置重建，获取所述α粒子图像(11)；

再根据第一公式经过几何关系转换获得实时的所述中子源源斑(12)的图像；

x＝(A-B)/(A+B) 第二公式

y＝(C-D)/(C+D) 第三公式

x表示x轴坐标；

y表示y轴坐标；

A表示所述A路数字信号；

B表示所述B路数字信号；

C表示所述C路数字信号；

D表示所述D路数字信号；

φ_t表示所述中子源源斑(12)的直径；

φ_α表示所述关联α探测系统(2)上测得的所述α粒子图像(11)的尺寸；

φ_n表示所述中子探测器(15)的直径；

L表示所述中子探测器(15)至所述氚靶(13)中心点的距离；

l表示所述关联α探测系统(2)中的所述闪烁体(6)的中心至所述氚靶(13)中心点的距离。

Images