CN113552611B - 一种超快中子脉冲能谱探测系统及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种超快中子脉冲能谱探测系统及方法，以解决现有中子能谱仪无法满足超快中子脉冲皮秒级时间分辨的能谱探测问题。该系统包括同步触发单元、线偏振光发生单元、延迟模块、分束器、参考光单元、探测光单元以及光谱仪。同步触发单元同步触发中子脉冲源和线偏振光发生单元；线偏振光发生单元产生线偏振光L，线偏振光L依次经延迟模块和分束器后，分为第一参考光L1和第一探测光L2；第一参考光L1经参考光单元相位延时π后形成第二参考光L1’；探测光单元包括光纤环形器以及设置在DIM腔室内的普克尔斯晶体和反射镜，第一探测光L2入射至普克尔斯晶体形成偏振状态改变的第二探测光L2’，再与第二参考光L1’发生干涉；光谱仪接收干涉图像。

Description

一种超快中子脉冲能谱探测系统及方法

技术领域

本发明涉及中子脉冲超快诊断领域，具体涉及一种超快中子脉冲能谱探测系统及方法。

背景技术

在激光惯性约束聚变(ICF)领域的研究中，靶丸被压缩至高温高密度状态发生聚变，此过程会释放大量的X射线、高能电子以及高能中子等。为了精确掌握聚变的物理过程，需要对中子的能谱、产生时间等信息进行高精度的诊断。目前，在世界各地的ICF设施中已经实施了多种中子诊断技术，激光聚变的产额已经足够高，可以通过中子测量来提供空间、时间和光谱信息，这些信息对于理解ICF内爆的性能是不可或缺的。

中子能谱仪可用于测量时间积分中子能谱，由此确定面密度(ρR)、产额(Yn)和表面等离子温度(Ti)的平均值及其不对称性的实验信息。目前的中子能谱仪通常只有几十皮秒(ps)的时间分辨率，如用闪烁体结合条纹相机或光电倍增管的探测系统，利用闪烁体将中子脉冲转换为可见光，塑料闪烁体BC422的发光时间在10-30ps，衰减时间为2.5ns，闪烁体发出的光被条纹相机进行探测，通过去卷积的方式得到中子脉冲的时间及能谱信息。虽然上述中子能谱仪测得的数据对于理解ICF内爆物理过程至关重要，但没有提供任何关于燃料组分变化、热斑形成、阿尔法加热和燃料燃烧的演变信息。这是由于燃料燃烧的时间宽度(FWHM)约为10-20ps，整个过程的探测要求中子能谱仪的时间分辨率达到几皮秒的数量级，现有探测方法无法满足此要求。因此，发明一种操作简单、时间分辨率高的中子能谱探测方法是十分有必要的。

发明内容

为了解决现有中子能谱仪无法满足超快中子脉冲皮秒级时间分辨的能谱探测问题，本发明现提供一种超快中子脉冲能谱探测系统及方法。

本发明的原理是：利用超快中子脉冲辐照普克尔斯晶体产生瞬态电场，通过啁啾飞秒激光脉冲进行电光采样，再利用干涉成像的方式获取激光脉冲的光谱信息，最终服务于超快中子脉冲的能谱探测。这种方法有效地提高了中子能谱探测的时间分辨能力，对于ICF内爆物理过程的理解与控制提供了指导，具有很大的实用前景。

本发明所采用的技术方案为：

一种超快中子脉冲能谱探测系统，其特殊之处在于：

包括同步触发单元、线偏振光发生单元、延迟模块、分束器、参考光单元、探测光单元以及光谱仪；

所述同步触发单元用于同步触发中子脉冲源和线偏振光发生单元；

所述线偏振光发生单元用于产生线偏振光L；

所述线偏振光L依次经延迟模块和分束器后，分为第一参考光L1和第一探测光L2；

所述第一参考光L1经参考光单元相位延时π后，形成第二参考光L1’；

所述探测光单元包括光纤环形器以及设置在DIM腔室内的普克尔斯晶体和反射镜；所述反射镜的反射面紧贴普克尔斯晶体的一侧表面，且该侧表面正对中子脉冲源；

所述第一探测光L2经光纤环形器传输至DIM腔室，并入射至普克尔斯晶体的另一侧表面，形成偏振状态改变的第二探测光L2’，再由反射镜反射回光纤环形器并输出，与第二参考光L1’发生干涉；

所述光谱仪用于接收第二参考光L1’与第二探测光L2’的干涉图像。

进一步地，所述线偏振光发生单元包括沿光路依次设置的飞秒激光器、啁啾光栅和偏振片。

进一步地，所述参考光单元包括相位延迟晶体。

进一步地，所述光纤环形器的一个接口与DIM腔室的光纤转接口连接。

一种超快中子脉冲能谱探测方法，采用上述超快中子脉冲能谱探测系统，其特殊之处在于，包括以下步骤：

1)触发

1.1)利用同步触发单元同步触发中子脉冲源和线偏振光发生单元，中子脉冲源发射超快中子脉冲，线偏振光发生单元产生光谱范围为λ、时间宽度为T的线偏振光L；

1.2)调节延迟模块，使线偏振光L与超快中子脉冲同步；

2)电光采样

利用步骤1)中的超快中子脉冲辐照普克尔斯晶体，在普克尔斯晶体中形成电场E(t)；所述电场E(t)方向与入射中子的方向相反；

同时，将步骤1)中的线偏振光L经分束器分为第一参考光L1和第一探测光L2；将第一参考光L1相位延时π，形成第二参考光L1’；将第一探测光L2经光纤环形器送入DIM腔室，并入射至普克尔斯晶体表面；第一探测光L2被普克尔斯晶体中的电场E(t)调制后，形成偏振状态改变的第二探测光L2’，在透射整个普克尔斯晶体后经反射镜反射回光纤环形器，实现电光采样；

3)干涉

经光纤环形器输出的第二探测光L2’在空间中与第二参考光L1’发生干涉，利用光谱仪接收干涉图像；

4)测量

测量干涉图像的光谱范围Δλ以及光谱强度I(t)；

5)获取时间宽度和能谱

5.1)根据下式计算第二探测光L2’的时间宽度Δt：

式中，λ为线偏振光L的光谱范围；

T为线偏振光L的时间宽度；

Δλ为干涉图像的光谱范围；

5.2)通过去卷积的方式计算得到超快中子脉冲的能谱Sig(t)：

式中，表示去卷积运算；

I(t)为干涉图像的光谱强度；

EOS(t)为电光采样的展宽，取0.3ps；

E(t)为普克尔斯晶体中的电场。

进一步地，步骤1)中，所述线偏振光L是利用飞秒激光器出射光谱范围为λ的飞秒激光，经啁啾光栅调节将其时间宽度展宽至T后，以垂直方向入射偏振片所形成的。

进一步地，步骤2.2)中，所述第二参考光L1’具体是通过相位延迟晶体将第一参考光L1相位延时π所形成的。

本发明相比现有技术的有益效果是：

1、本发明基于激光惯性约束聚变(ICF)的物理过程，针对产生的超快中子脉冲，提出了一种新型的探测系统和探测方法。利用超快中子脉冲辐照普克尔斯晶体产生飞秒量级的瞬态电场，克服了传统探测方法中，闪烁体发光时间长，光衰减时间不确定等因素对系统时间分辨能力的影响，最终实现皮秒级时间分辨的中子能谱探测。

2、本发明采用了脉冲啁啾的飞秒激光作为探测光，经偏振片起偏后分为两束，通过将其中一束延时π相位作为参考光，并与经瞬态电场调制的探测光脉冲干涉的方式，测量由普克尔斯效应引起的探测光偏振态的改变，提高了探测系统的信噪比。

3、本发明可用于深度理解ICF内爆物理过程，在基于ICF的中子探测领域有很大的实用前景。

附图说明

图1是本发明超快中子脉冲能谱探测系统的结构示意图。

图中，1-同步触发单元，2-飞秒激光器，3-啁啾光栅，4-偏振片，5-延迟模块，6-分束器，7-相位延迟晶体，8-光纤环形器，9-DIM腔室，10-光纤转接口，11-普克尔斯晶体，12-反射镜，13-光谱仪。

具体实施方式

为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种超快中子脉冲能谱探测系统及方法作进一步详细说明。

本发明提供的超快中子脉冲能谱探测系统如图1所示，包括同步触发单元1、线偏振光发生单元、延迟模块5、分束器6、参考光单元、探测光单元以及光谱仪13。

同步触发单元1用于同步触发中子脉冲源和线偏振光发生单元。

线偏振光发生单元用于产生线偏振光L，具体包括沿光路依次设置的飞秒激光器2、啁啾光栅3和偏振片4。

线偏振光L依次经延迟模块5和分束器6后，分为第一参考光L1和第一探测光L2。

参考光单元包括相位延迟晶体7，第一参考光L1经参考光单元相位延时π后，形成第二参考光L1’。

探测光单元包括光纤环形器8以及设置在DIM腔室9内的普克尔斯晶体11和反射镜12。光纤环形器8的一个接口与DIM腔室9的光纤转接口10连接。反射镜12的反射面紧贴普克尔斯晶体11的一侧表面，且该侧表面正对中子脉冲源。

第一探测光L2经光纤环形器8传输至DIM腔室9，并入射至普克尔斯晶体11的另一侧表面，形成偏振状态改变的第二探测光L2’，再由反射镜12反射回光纤环形器8并输出，与第二参考光L1’发生干涉。

光谱仪13用于接收第二参考光L1’与第二探测光L2’的干涉图像。

利用上述系统进行超快中子脉冲能谱探测的方法，包括以下步骤：

1)触发

1.1)利用同步触发单元1同步触发中子脉冲源和飞秒激光器2；利用激光惯性约束聚变(ICF)产生超快中子脉冲；同时，飞秒激光器2出射光谱范围为λ的飞秒激光，经啁啾光栅3调节将其时间宽度展宽至T后，以垂直方向入射偏振片4，形成光谱范围为λ、时间宽度为T的线偏振光L。

1.2)调节延迟模块5，使线偏振光L与超快中子脉冲实现高精度同步。

2)电光采样

利用步骤1)中的超快中子脉冲辐照富含氢元素的普克尔斯晶体11，当中子与薄的晶体相互作用时，产生并发射大量反冲质子，而电子保持不动，从而在普克尔斯晶体11中形成电场E(t)，电场E(t)方向与入射中子的方向相反。此电场E(t)反映了超快中子脉冲的时间与能谱信息，可以利用电光采样技术进行测量。

同时，将步骤1)中的线偏振光L经分束器6分为第一参考光L1和第一探测光L2。通过相位延迟晶体7将第一参考光L1相位延时π，形成第二参考光L1’并输出。将第一探测光L2送入光纤环形器8，再经过光纤转接口10耦合进入DIM腔室9后，传输至普克尔斯晶体11表面。第一探测光L2被普克尔斯晶体11中的电场E(t)调制后，偏振状态发生改变，形成第二探测光L2’，在透射整个普克尔斯晶体11后经反射镜12反射回光纤环形器8，实现电光采样。

3)干涉

经光纤环形器8输出的第二探测光L2’在空间中与第二参考光L1’发生干涉，利用光谱仪13接收干涉图像。

4)测量

测量干涉图像的光谱范围Δλ以及代表普克尔斯效应调制幅度的光谱强度I(t)。

5)获取时间宽度和能谱

5.1)根据下式计算第二探测光L2’的时间宽度Δt：

式中，λ为线偏振光L的光谱范围；

T为线偏振光L的时间宽度；

Δλ为干涉图像的光谱范围。

5.2)I(t)由三部分卷积得到，分别为：等离子体引起的超快中子脉冲时间展宽Sig(t)，产生的瞬态电场E(t)，以及光电采样的展宽EOS(t)。

通过去卷积的方式计算得到超快中子脉冲的能谱Sig(t)：

式中，表示去卷积运算；

I(t)为干涉图像的光谱强度；

EOS(t)为电光采样的展宽，EOS(t)目前公认为0.3ps；

E(t)为普克尔斯晶体11中的电场。

理论分析与物理推导：

表示为飞秒激光脉冲随时间和空间的变化，将初始激光脉冲/>分解为x光和y光两正交方向分量的叠加，/>是沿偏振片4偏振方向的单位矢量，/>和/>是x光和y光偏振方向的单位矢量，A₁为振幅，ω为角频率，t为时间，λ为波长，z为空间位置。

飞秒激光脉冲经分束器6分为第一参考光L1和第一探测光L2，其中，第一参考光L1通过相位延迟晶体7相位延时π，形成第二参考光L1’，L1’可表示为：

第一探测光L2用于电光采样。由于普克尔斯效应，第一探测光L2的偏振态被电场E瞬态调制，形成第二探测光L2’，第二探测光L2’的x光和y光两偏振方向折射率被调制，形成相位差。

激光在晶体中传播时，激光各个传播方向x、y、z对应晶体不同的折射率，晶体在空间的折射率分布为椭球形。

当普克尔斯晶体11在未加电场时折射率椭球方程为：

n_o为椭球与X轴或Y轴交点处折射率的大小，n_e为椭球与Z轴交点处折射率的大小。

当外加直流电场E平行于光轴(z轴)时，折射率椭球方程为：

γ₆₃为非线性折射率系数，E_Z为z轴方向的电场强度，E_Z＝E。

选取一个新的坐标系(x′，y′，z′)，为了使折射率椭球不包含交叉项,折射率椭球的三个主轴系由未加直流电场时的三个主轴绕z轴旋转得到，在新坐标系中，折射率椭球方程为：

n′_x、n′_y、n′_z分别代表新坐标系下x′、y′、z′轴方向的折射率分量。

n′_y-n′_x＝n_o ³γ₆₃E

δ代表光程差，h为晶体沿电场方向的厚度，V为晶体两级所加电压。

第二探测光L2’经反射镜12和光纤环形器8返回，L2’可表示为：

A₂为探测光L2’的振幅。

第二探测光L2’的光强度与入射普克而斯晶体的线偏振光L的强度之比可表示为：

θ为晶体光轴方向与偏振片4方向的夹角。

若L2未被瞬态电场调制，反射回的第二探测光L2’将与原入射的线偏振光L保持一致，由于L1’与L存在相位差π，L1’与L2’处于干涉相消状态，探测器无法探测到信号。

若L2被瞬态电场的调制，L2’与L1’在空间中发生干涉，探测器可得到干涉信号，干涉图像可表示为：

从干涉图像可获取强度信息，进而得到瞬态调制的相位差δ，由相位差δ可得由中子脉冲辐照引起的电压变化V，从而得到中子脉冲的能谱。由上述分析可知，此方法可实现皮秒时间分辨的中子能谱探测。

Claims (6)

1.一种超快中子脉冲能谱探测系统，其特征在于：

包括同步触发单元(1)、线偏振光发生单元、延迟模块(5)、分束器(6)、参考光单元、探测光单元以及光谱仪(13)；

所述同步触发单元(1)用于同步触发中子脉冲源和线偏振光发生单元；

所述线偏振光发生单元用于产生线偏振光L，包括沿光路依次设置的飞秒激光器(2)、啁啾光栅(3)和偏振片(4)；

所述线偏振光L依次经延迟模块(5)和分束器(6)后，分为第一参考光L1和第一探测光L2；

所述第一参考光L1经参考光单元相位延时π后，形成第二参考光L1’；

所述探测光单元包括光纤环形器(8)以及设置在DIM腔室(9)内的普克尔斯晶体(11)和反射镜(12)；所述反射镜(12)的反射面紧贴普克尔斯晶体(11)的一侧表面，且该侧表面正对中子脉冲源；

所述第一探测光L2经光纤环形器(8)传输至DIM腔室(9)，并入射至普克尔斯晶体(11)的另一侧表面，形成偏振状态改变的第二探测光L2’，再由反射镜(12)反射回光纤环形器(8)并输出，与第二参考光L1’发生干涉；

所述光谱仪(13)用于接收第二参考光L1’与第二探测光L2’的干涉图像。

2.根据权利要求1所述的超快中子脉冲能谱探测系统，其特征在于：

所述参考光单元包括相位延迟晶体(7)。

3.根据权利要求2所述的超快中子脉冲能谱探测系统，其特征在于：

所述光纤环形器(8)的一个接口与DIM腔室(9)的光纤转接口(10)连接。

4.一种超快中子脉冲能谱探测方法，采用权利要求1所述的超快中子脉冲能谱探测系统，其特征在于，包括以下步骤：

1)触发

1.1)利用同步触发单元(1)同步触发中子脉冲源和线偏振光发生单元，中子脉冲源发射超快中子脉冲，线偏振光发生单元产生光谱范围为λ、时间宽度为T的线偏振光L；

1.2)调节延迟模块(5)，使线偏振光L与超快中子脉冲同步；

2)电光采样

利用步骤1)中的超快中子脉冲辐照普克尔斯晶体(11)，在普克尔斯晶体(11)中形成电场E(t)；所述电场E(t)方向与入射中子的方向相反；

同时，将步骤1)中的线偏振光L经分束器(6)分为第一参考光L1和第一探测光L2；将第一参考光L1相位延时π，形成第二参考光L1’；将第一探测光L2经光纤环形器(8)送入DIM腔室(9)，并入射至普克尔斯晶体(11)表面；第一探测光L2被普克尔斯晶体(11)中的电场E(t)调制后，形成偏振状态改变的第二探测光L2’，在透射整个普克尔斯晶体(11)后经反射镜(12)反射回光纤环形器(8)，实现电光采样；

3)干涉

经光纤环形器(8)输出的第二探测光L2’在空间中与第二参考光L1’发生干涉，利用光谱仪(13)接收干涉图像；

4)测量

测量干涉图像的光谱范围Δλ以及光谱强度I(t)；

5)获取时间宽度和能谱

5.1)根据下式计算第二探测光L2’的时间宽度Δt：

式中，λ为线偏振光L的光谱范围；

T为线偏振光L的时间宽度；

Δλ为干涉图像的光谱范围；

5.2)通过去卷积的方式计算得到超快中子脉冲的能谱Sig(t)：

式中，表示去卷积运算；

I(t)为干涉图像的光谱强度；

EOS(t)为电光采样的展宽，取0.3ps；

E(t)为普克尔斯晶体(11)中的电场。

5.根据权利要求4所述的超快中子脉冲能谱探测方法，其特征在于：

步骤1)中，所述线偏振光L是利用飞秒激光器(2)出射光谱范围为λ的飞秒激光，经啁啾光栅(3)调节将其时间宽度展宽至T后，以垂直方向入射偏振片(4)所形成的。

6.根据权利要求4或5所述的超快中子脉冲能谱探测方法，其特征在于：

步骤2.2)中，所述第二参考光L1’具体是通过相位延迟晶体(7)将第一参考光L1相位延时π所形成的。