CN112213765B - 一种脉冲场质子能谱测量仪 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种脉冲场质子能谱测量仪，依次包括质子能谱信息转换模块、发光图像传输成像模块和质子发光图像记录模块，质子能谱信息转换模块用于将入射的质子能谱信息转换为发光强度的空间分布，发光图像传输成像模块能够保持发光强度空间分布规律地传输发光图像，并使各个空间位置出射光的收光立体角相同，质子发光图像记录模块用于实时记录发光图像传输成像模块出射的发光图像。采用以上技术方案，能够实时记录质子能谱信息转换形成的发光图像，从而能够根据质子能谱重建算法实现闪烁图发光图像到质子能谱的反演，获得实时质子能谱数据，满足对质子能谱实时在线测量的需求，不仅测量精度高，而且稳定可靠。

Description

一种脉冲场质子能谱测量仪

技术领域

本发明涉及脉冲场质子能谱探测技术领域，具体涉及一种脉冲场质子能谱测量仪。

背景技术

激光驱动惯性约束核聚变的一种产物粒子就是能量超过10MeV的质子，测量该质子能谱对理解核聚变反应过程相关信息十分重要。激光驱动惯性约束核聚变反应的持续时间通常在100ps水平，属于超短时间尺度的脉冲场环境，传统核探测技术中的质子能谱探测器主要为粒子计数型探测器，无法在脉冲场条件下应用。

关于脉冲场质子能谱测量技术，目前公开使用的是由美国MIT大学在学术期刊中公布的一种楔形滤片配合CR-39树脂片(碳本酸丙烯乙酸树脂片)的楔形滤片质子谱仪(Wedge Range Filter,WRF)，该方法采用一块厚度连续变化的楔形滤片对入射质子能谱进行空间调制，实现滤片出射面质子能谱在空间上呈现一定分布，再用一块CR-39树脂片收集不同空间位置的质子，根据不同空间位置的透射质子强度分布，反推入射质子能谱。

对于现有的这种质子谱仪中，CR-39属于核径迹探测器，无法实时获得实验数据，需要经过非常长时间的后处理才能获取数据，包括对CR-39树脂片进行5-8小时的化学刻蚀和质子径迹显影，再利用数小时的时间光学显微镜对CR-39表面质子径迹分布拍照和空间扫描，然后通过对几千张到上万张质子径迹图片进行筛选分析，才能最终获得质子能谱。因此，导致现有的这种质子谱仪的后处理过程整个操作流程需要持续2-5个工作日甚至更长时间，根本无法满足质子谱仪应用场景对质子能谱实时在线测量的需求。并且，由于CR-39树脂片不可重复使用，且性能上存在个体差异，只能采用抽样标定方式获得同一批次CR-39的质子响应曲线，无法直接获得实验测量中所使用那一片CR-39树脂片的真实性能，因此，现有质子能谱探测仪的精度和可靠性均不能满足使用需求。

解决以上问题成为当务之急。

发明内容

为解决以上的技术问题，本发明提供了一种脉冲场质子能谱测量仪。

其技术方案如下：

一种脉冲场质子能谱测量仪，其要点在于，依次包括：

质子能谱信息转换模块，其用于将入射的质子能谱信息转换为发光强度的空间分布；

发光图像传输成像模块，其能够保持发光强度空间分布规律地传输发光图像，并使各个空间位置出射光的收光立体角相同；

质子发光图像记录模块，其用于实时记录发光图像传输成像模块出射的发光图像。

采用以上设计，利用质子能谱信息转换模块其用于将入射的质子能谱信息转换为发光强度的空间分布，再利用发光图像传输成像模块进行传输和成像，传输过程发光强度的空间分布规律不会发生相对变化，且各个空间位置出射光的收光立体角相同，最后利用质子发光图像记录模块实现发光图像的实时记录，从而能够根据质子能谱重建算法实现闪烁图发光图像到质子能谱的反演，获得实时质子能谱数据，满足对质子能谱实时在线测量的需求，不仅测量精度高，而且稳定可靠。

作为优选：所述质子能谱信息转换模块包括楔形滤片和薄膜闪烁体，所述薄膜闪烁体垂直于入射质子的运动方向，所述薄膜闪烁体垂直于质子入射方向，所述楔形滤片贴合地设置在薄膜闪烁体远离发光图像传输成像模块的一侧。采用以上设计，楔形滤片不同厚度的地方对质子的衰减不同，因此能够使质子的能量形成空间分布，再配合薄膜闪烁体，不同能量质子入射时，将在薄膜闪烁体的不同空间位置产生强发光区域，从而实现入射质子能谱信息到薄膜闪烁体发光强度空间分布的转换。

作为优选：所述楔形滤片的材质为Al，所述薄膜闪烁体为EJ-228塑料闪烁体。采用以上设计，Al对质子能量的衰减效果好，稳定可靠，EJ-228塑料闪烁体具有尺寸小、厚度薄、光子散射小和时间性能好的优点，并且高能透射质子将大部分穿过闪烁体，只有能量适中的透射质子才能将绝大部分能量沉积在闪烁体中并形成较强的发光图像区。

由于核聚变质子源位于真空靶室内，质子也只能在真空环境中传输，且光学图像记录器件需要工作在大气环境下，以保持良好的散热和电学性能，因此，作为优选：所述发光图像传输成像模块包括朝着远离质子能谱信息转换模块方向依次设置的前端传输镜组、光阑镜组、真空密封窗和后端成像镜组。采用以上设计，能够通过真空密封窗对前端传输镜组和光阑镜组与后端成像镜组进行分隔，使前端传输镜组和光阑镜组能够配合质子能谱信息转换模块处于真空环境中，使后端成像镜组能够配合质子发光图像记录模块处于大气环境中。

作为优选：所述光阑镜组包括光阑以及设置在光阑靠近后端成像镜组一侧的光阑后侧透镜。采用以上设计，通过设置光阑，能够较为彻底滤除杂散光，确保传输过程不会影响出射光的收光立体角，使各个空间位置出射光的收光立体角完全相同；同时，能够使尽可能长的光路保持在真空传输环境中，尽可能减少传输过程中的环境影响。

作为优选：还包括测量仪壳体，该测量仪壳体的内部具有前端腔室和后端腔室，所述质子能谱信息转换模块、前端传输镜组和光阑镜组朝着靠近后端腔室的方向依次设置在前端腔室中，所述后端成像镜组设置在后端腔室中，所述质子发光图像记录模块设置在后端腔室远离前端腔室的一端，所述真空密封窗设置在前端腔室和后端腔室之间，并能够隔断前端腔室和后端腔室。采用以上设计，使前端腔室易于处于真空环境中，使后端腔室易于大气环境中，保证了测量的稳定性和精确性。

作为优选：所述前端腔室和后端腔室之间形成有安装台阶，所述真空密封窗为玻璃隔板，该真空密封窗通过密封窗安装环锁定在安装台阶上，并与安装台阶之间设置有密封圈。采用以上设计，结构简单可靠，既保证了光的优异通过性，又能够很好地起到密封效果。

作为优选：位于真空密封窗处的所述测量仪壳体的外侧设置有记录模块连接法兰盘，所述质子发光图像记录模块的记录模块壳体的外侧设置有真空靶室连接法兰。采用以上设计，利用记录模块连接法兰盘便于与质子发光图像记录模块连接，利用真空靶室连接法兰，便于将脉冲场质子能谱测量仪安装到核聚变反应真空靶室上，保持前端腔室的真空环境。

作为优选：所述真空密封窗为真空隔板玻璃。采用以上设计，既具有极佳的密封效果，耐高温高压能力强，又对光的传输影响小。

作为优选：所述质子发光图像记录模块的记录元件为CCD相机或CMOS相机或光学条纹相机。采用以上设计，当入射质子通量较低时，将采用具有门控能力的CCD相机或CMOS相机作为记录元件，能够获得时间积分的质子能谱，当入射质子通量较高时，将采用光学条纹相机作为图像记录元件，能够获得时间演化的质子能谱。

与现有技术相比，本发明的有益效果：

采用以上技术方案的一种脉冲场质子能谱测量仪，结构新颖，设计巧妙，能够实时记录质子能谱信息转换形成的发光图像，从而能够根据质子能谱重建算法实现闪烁图发光图像到质子能谱的反演，获得实时质子能谱数据，满足对质子能谱实时在线测量的需求，不仅测量精度高，而且稳定可靠。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为发光图像传输成像模块的光路图；

图3为薄膜闪烁体与发光图像传输成像模块中的第一个镜片之间的光路路。

具体实施方式

以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。

如图1-图3所示，一种脉冲场质子能谱测量仪，其主要包括测量仪壳体1以及沿入射方向朝出射方向依次设置的质子能谱信息转换模块、发光图像传输成像模块和质子发光图像记录模块。脉冲场质子能谱测量仪的测量过程分为三个阶段：1、质子能谱信息转换模块用于将入射的质子能谱信息转换为发光强度的空间分布；2、发光图像传输成像模块能够保持发光强度空间分布规律地传输发光图像，即能够保持发光图像的强度空间分布在镜头传输过程中不发生相对变化，并且，发光图像传输成像模块各个空间位置出射光的收光立体角相同；3、质子发光图像记录模块用于实时记录发光图像传输成像模块出射的发光图像。

质子能谱信息转换模块包括楔形滤片2和薄膜闪烁体3，薄膜闪烁体3垂直于入射质子的运动方向，薄膜闪烁体3垂直于质子入射方向，楔形滤片1贴合地设置在薄膜闪烁体3远离发光图像传输成像模块的一侧，即楔形滤片1远离薄膜闪烁体3的一侧表面为斜面结构。具体地说，当应用于10-18MeV能区质子测量时，楔形滤片采用纯Al材料，厚度从0.4mm线性增加到1.8mm，薄膜闪烁体3为EJ-228塑料闪烁体，具有尺寸小、厚度薄、光子散射小和时间性能好的优点，高能透射质子将大部分穿过闪烁体，只有能量适中的透射质子才能将绝大部分能量沉积在闪烁体中并形成较强的发光图像区。因此，通过楔形滤片2和薄膜闪烁体3的组合，最终实现某一能量的质子在闪烁体上某一较窄空间范围的较强发光，实现质子能谱到闪烁体发光图像的调制转换。

进一步地，本实施例中，楔形滤片2靠近薄膜闪烁体3的一侧表面为镜面结构，使薄膜闪烁体3的发光收集效率提高一倍，同时，在发光图像传输成像模块中设计使用了一组远心镜头来收集闪烁体发光图像，实现薄膜闪烁体3发光面各点发光的收光立体角保持一致(请参见图3，本实施例中收光立体角为18.4°)，通过远心镜头收光设计，实现成像模块对闪烁体上各点发光的取样率保持一致，从而实现了闪烁体发光强度空间分布的不失真测量。此外，在本实施例的收光立体角设计下，闪烁体每个发光点的发光光线在出射表面的光斑直径被限制在0.2mm以内，与脉冲场质子能谱测量仪的记录面空间分辨接近，有效保证了设备的能谱分辨率。

发光图像传输成像模块包括朝着远离质子能谱信息转换模块方向依次设置的前端传输镜组9、光阑镜组11、真空密封窗4和后端成像镜组10。本实施例中，薄膜闪烁体3的发光物面A尺寸达到30mm×30mm，成像镜头属于大轴外像差系统，需要采用一组相对大口径的非球面镜片组成的远心成像光路，实现发光物面成像的像差消除和收光立体角一致性。

前端传输镜组9由六块非球面光学镜片组成，其用于将薄膜闪烁体3出射的发光图像进行扩束成像，并通过采用非球面镜片来降低轴外像差。考虑到薄膜闪烁体3的发光物面A尺寸为30mm×30mm，成像镜头口径设计为Φ70mm，收光角度数值孔径(N.A.)为0.16，实现将收光立体角扩大到18.4°，并且成像镜头空间分辨优于0.1mm。

前端传输镜组后设置一个光阑，位于闪烁体发光面成像光路的交叉点位置，用于配合扩束镜组实现各发光点成像光束的等立体角光收集，并屏蔽空间杂散光干扰。

光阑镜组11包括光阑11a以及设置在光阑11a靠近后端成像镜组10一侧的光阑后侧透镜11b，能够较为彻底滤除杂散光，确保传输过程不会影响出射光的收光立体角，使各个空间位置出射光的收光立体角完全相同。

后端传输镜组10由四块光学镜片组成，用于对成像光束进行缩像，并成像至质子发光图像记录模块，本实施例中采用25mm×25mm面阵的光学CCD进行图像记录，后端传输镜组通过设计实现成像面尺寸与CCD记录面尺寸匹配。

因此，脉冲场质子能谱测量仪通过楔形滤片2和薄膜闪烁体3对不同空间的质子进行不同的衰减，依据衰减后的发光信号的强弱来推断原始质子的空间能量分布。可见，脉冲场质子能谱测量仪需要将测量得到图像的不同区域的信号强度进行对比分析，这就要求薄膜闪烁体3上不同位置的集光能力不能有失真，即不同位置的收光效率要均匀。因此，为了保障不同视场的收光效率的一致性，脉冲场质子能谱测量仪的光学设计中采用了前端传输镜组9和后端成像镜组10的配合，构成物方远心光路。物方远心光路使得镜头收集的不同目标位置各点的发光方向一致、收光立体角一致，从而实现了空间分布的不失真测量。

测量仪壳体1的内部具有前端腔室1a和后端腔室1b，质子能谱信息转换模块和前端传输镜组9朝着靠近后端腔室1b的方向依次设置在前端腔室1a中，后端成像镜组10设置在后端腔室1b中，质子发光图像记录模块设置在后端腔室1b远离前端腔室1a的一端，真空密封窗4设置在前端腔室1a和后端腔室1b之间，并能够隔断前端腔室1a和后端腔室1b。具体地说，前端腔室1a和后端腔室1b之间形成有安装台阶1c，真空密封窗4为玻璃隔板，真空密封窗4通过密封窗安装环5锁定在安装台阶1c上，并与安装台阶1c之间设置有密封圈6。从而使前端腔室1a能够与核聚变反应真空靶室连通，保证质子在真空环境中传输；使后端腔室1b与大气连通，光学图像记录器件需要工作在大气环境下，以保持良好的散热和电学性能。

进一步地，位于真空密封窗4处的测量仪壳体1的外侧设置有记录模块连接法兰盘1d，便于与质子发光图像记录模块连接。质子发光图像记录模块的记录模块壳体7的外侧设置有真空靶室连接法兰7a，便于将脉冲场质子能谱测量仪安装到核聚变反应真空靶室上，保持前端腔室的真空环境。

质子发光图像记录模块的记录元件8为CCD相机或CMOS相机或光学条纹相机，记录元件8的入射面为收光面B。当入射质子通量较低时，将采用具有门控能力的CCD相机或CMOS相机作为记录元件，能够获得时间积分的质子能谱，当入射质子通量较高时，将采用光学条纹相机作为图像记录元件，能够获得时间演化的质子能谱。最后，根据质子能谱重建算法实现闪烁图发光图像到质子能谱的反演，获得实时质子能谱数据，满足对质子能谱实时在线测量的需求，不仅测量精度高，而且稳定可靠。

最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于，依次包括：

质子能谱信息转换模块，其用于将入射的质子能谱信息转换为发光强度的空间分布；

发光图像传输成像模块，其能够保持发光强度空间分布规律地传输发光图像，并使各个空间位置出射光的收光立体角相同；

质子发光图像记录模块，其用于实时记录发光图像传输成像模块出射的发光图像；

所述质子能谱信息转换模块包括楔形滤片(2)和薄膜闪烁体(3)，所述薄膜闪烁体(3)垂直于入射质子的运动方向，所述薄膜闪烁体(3)垂直于质子入射方向，所述楔形滤片(1)贴合地设置在薄膜闪烁体(3)远离发光图像传输成像模块的一侧；

所述楔形滤片(2)的材质为Al，所述薄膜闪烁体(3)为EJ-228塑料闪烁体。

2.根据权利要求1所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：所述发光图像传输成像模块包括朝着远离质子能谱信息转换模块方向依次设置的前端传输镜组(9)、光阑镜组(11)、真空密封窗(4)和后端成像镜组(10)。

3.根据权利要求2所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：所述光阑镜组(11)包括光阑(11a)以及设置在光阑(11a)靠近后端成像镜组(10)一侧的光阑后侧透镜(11b)。

4.根据权利要求2所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：还包括测量仪壳体(1)，该测量仪壳体(1)的内部具有前端腔室(1a)和后端腔室(1b)，所述质子能谱信息转换模块、前端传输镜组(9)和光阑镜组(11)朝着靠近后端腔室(1b)的方向依次设置在前端腔室(1a)中，所述后端成像镜组(10)设置在后端腔室(1b)中，所述质子发光图像记录模块设置在后端腔室(1b)远离前端腔室(1a)的一端，所述真空密封窗(4)设置在前端腔室(1a)和后端腔室(1b)之间，并能够隔断前端腔室(1a)和后端腔室(1b)。

5.根据权利要求4所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：所述前端腔室(1a)和后端腔室(1b)之间形成有安装台阶(1c)，所述真空密封窗(4)为玻璃隔板，该真空密封窗(4)通过密封窗安装环(5)锁定在安装台阶(1c)上，并与安装台阶(1c)之间设置有密封圈(6)。

6.根据权利要求4所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：位于真空密封窗(4)处的所述测量仪壳体(1)的外侧设置有记录模块连接法兰盘(1d)，所述质子发光图像记录模块的记录模块壳体(7)的外侧设置有真空靶室连接法兰(7a)。

7.根据权利要求2所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：所述真空密封窗(4)为真空隔板玻璃。

8.根据权利要求1所述的一种脉冲场质子能谱测量仪，其特征在于：所述质子发光图像记录模块的记录元件(8)为CCD相机或CMOS相机或光学条纹相机。

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