CN113885069A - 一种α探测器及D-T中子标记装置 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种α探测器及D‑T中子标记装置，其中，α探测器包括外壳、底座、闪烁体、光电倍增管阵列以及信号读出电路。本发明利用闪烁体对D‑T聚变反应产生的伴随α粒子进行探测，产生对应的闪烁光信号；利用由M×N个光电倍增管以M行N列的形成排布而成的光电倍增管阵列将所述闪烁光信号转换为对应的电信号；利用M×N个光电倍增管的快信号输出端耦合而成的时间标记信号端给出时间标记信号；利用信号读出电路对光电倍增管阵列输出的M×N路电信号进行简化，最终得到四路位置信号，从而提高了对D‑T聚变反应产生的伴随α粒子的时间、位置的分辨精度。
Description
技术领域
本发明涉及核探测技术及中子应用技术领域，特别是涉及一种α探测器及D-T中子标记装置。
背景技术
D-T中子源利用低能氘离子束(通常几十至几百keV)轰击氚靶(通常为氚钛靶)，通过D-T聚变反应产生能量为14.1MeV的快中子，同时在其相反方向发射一个能量为3.5MeV的α粒子，因其出射中子的能量高，单色性好，在大尺寸部件内部结构无损检测、核材料元器件结构检测、核数据高置信度测量、隐匿爆炸物、毒品及化学战剂的主动检测等领域有着极为广泛的应用。
但是，在直接使用现行实验室中的D-T中子源开展上述工作，利用D-T聚变反应产生的D-T中子进行研究时，在没有进行标记的情况下，会有散射中子或裂变中子的存在，以至于无法区分信号来源，造成较高的本底信号的干扰，从而对自发及诱发裂变的核材料元器件检测及高置信度核数据测量等方向的应用产生较大的影响。通过对D-T反应伴随中子在相反方向产生的α粒子的探测，实现对出射中子的时间和方向的高精度标记，可显著降低D-T中子应用时的本底信号。
在国内，D-T中子源已发展得比较成熟，从小型便携的D-T中子发生管至基于加速器的大型中子源，总体已迈入国际先进水平。但D-T中子源的高精度时间、方向标记尚存在空白。在国内，清华大学徐四大等利用一种ZnS探测器研制了一种4路灵敏的伴随α探测器，结合D-T中子管开展了针对石油、爆炸物等方面的一些研究工作，但其时间分辨(>1.5ns)、空间分辨(～3mm)、标记中子束锥角均难以满足当下的时间、方向及标记锥角的高精度要求；中国工程物理研究院电子工程研究所肖坤祥等曾利用PIN阵列探测器尝试研制D-T中子管的伴随标记系统，但未见后续应用报告。此外，国内东北师范大学及中国原子能科学研究院则开展了标记中子束在隐匿爆炸物的检测方向的应用研究，但其均采用俄罗斯进口的ING-27型标记D-T中子发生管。在国外，带标记D-T中子源的研究工作主要集中在美国、欧洲及俄罗斯。例如，美国热电公司的API-120型中子管利用YAP闪烁体结合光纤面板研制了一套D-T中子标记探测器，但其光纤面板的使用导致光传输效率较低，中子标记效率受限；俄罗斯全俄自动化研究所(VNIIA)研制的ING-27型中子发生器则利用硅半导体探测器作为伴随α探测器，其缺点是单个硅探测器难以做到很小(目前为3*3mm2)，且时间分辨受限(约2ns)；此外，意大利INFN在欧盟框架项目EURITRACK支持下利用64个独立YAP:Ce闪烁体研制了8*8阵列的伴随α探测单元，但其单个闪烁体尺寸较大(5.8*5.8mm2)，且采用单个闪烁体独立引出的方式，即64路输出信号，后端数据获取压力较大。
因此，在国外现有产品均存在一定问题，相关研究尚不满足实际使用需求的背景下，研制发展一种新型高精度时间、位置分辨的α探测器，对于进一步发展D-T中子应用技术，提高测量结果精度，有着极为重要的意义。
发明内容
本发明的目的是提供一种α探测器及D-T中子标记装置，以提高对D-T聚变反应产生的伴随α粒子的时间、位置的分辨精度。
为实现上述目的，本发明提供了如下方案：
一种α探测器，所述α探测器包括：
底部开口的外壳，用于屏蔽外电磁场；
内部中空的底座，位于所述外壳的下方，且上端穿过所述外壳的底部开口，并与所述外壳紧密相接；所述底座的下端与D-T中子源的束流漂移管连接；
闪烁体，嵌入所述底座的内部，用于对D-T聚变反应产生的伴随α粒子进行探测，产生对应的闪烁光信号；
光电倍增管阵列，嵌入所述底座的内部，且位于所述闪烁体的上层，用于将所述闪烁光信号转换为对应的电信号；所述光电倍增管阵列还用于利用时间标记信号端给出时间标记信号；所述光电倍增管阵列由M×N个光电倍增管以M行N列的形式排布而成，其中，M、N均为正整数；每个所述光电倍增管均产生一路电信号，共产生M×N路电信号；所述时间标记信号端由M×N个所述光电倍增管的快信号输出端耦合而成；
信号读出电路，与所述光电倍增管阵列连接，用于对所述M×N路电信号进行简化，得到四路位置信号。
可选地，所述α探测器还包括：
光导层，嵌入所述底座的内部，且真空密封在所述闪烁体与所述光电倍增管阵列之间，用于将所述闪烁光信号传导至所述光电倍增管阵列上。
可选地，所述α探测器还包括：
反射层，嵌入所述底座的内部，且覆盖在所述闪烁体的下表面上，用于反射所述闪烁光信号、遮挡D-T聚变反应产生的光束以及屏蔽散射D、T粒子；所述闪烁体的下表面为所述闪烁体面向氚靶的表面。
可选地，所述α探测器还包括：
遮光压环，嵌入所述底座的内部，且位于所述反射层的下层外沿，用于固定所述反射层并封挡所述反射层的边缘空隙。
可选地，所述α探测器还包括：
限束光阑，位于所述底座的下方，用于调节D-T聚变反应产生的光束通过所述闪烁体的强度。
可选地，所述α探测器还包括：
光电倍增管阵列接头电路，用于将所述M×N路电信号的接头集成为排插接头，以使所述排插接头通过排插连接器与所述信号读出电路进行连接。
可选地，所述信号读出电路包括：
均衡电荷分配电路，与所述光电倍增管阵列连接，用于将所述M×N路电信号转换为M+N路电信号；所述M+N路电信号包括M路水平方向的电信号和N路垂直方向的电信号；
一维差分电阻电路，与所述均衡电荷分配电路连接，用于将所述M+N路电信号转换为四路电信号，作为四路位置信号；所述四路电信号包括二路水平方向的电信号和二路垂直方向的电信号。
可选地，所述α探测器还包括：
信号接头，位于所述外壳上，分别与所述信号读出电路及所述光电倍增管阵列连接，用于输出所述位置信号及所述时间标记信号。
可选地，M与N的取值相等且均为五十。
本发明还提供了一种D-T中子标记装置，所述D-T中子标记装置包括：上述α探测器以及后端实验电子学系统和后端数据采集系统；所述后端数据采集系统与所述α探测器的信号读出电路连接；所述后端实验电子学系统与所述α探测器的光电倍增管阵列连接；
所述α探测器用于输出四路位置信号和一路时间标记信号；
所述后端数据采集系统用于根据所述四路位置信号进行位置重建，得到伴随α粒子的被探测位置，并根据所述被探测位置与D-T反应的靶点位置确定所述伴随α粒子对应的D-T中子的出射方向；所述出射方向为所述D-T中子的方向标记；
所述后端实验电子学系统用于根据所述时间标记信号进行信号触发，得到伴随α粒子的被探测时刻，并根据所述被探测时刻及所述伴随α粒子从D-T反应的靶点飞行到所述闪烁体的时间得到所述伴随α粒子对应的D-T中子的出射时刻；所述出射时刻为所述D-T中子的时间标记。
根据本发明提供的具体实施例，本发明公开了以下技术效果：
本发明提供了一种α探测器及D-T中子标记装置，其中，α探测器包括外壳、底座、闪烁体、光电倍增管阵列以及信号读出电路。本发明利用闪烁体对D-T聚变反应产生的伴随α粒子进行探测，产生对应的闪烁光信号；利用由M×N个光电倍增管以M行N列的形成排布而成的光电倍增管阵列将所述闪烁光信号转换为对应的电信号；利用M×N个光电倍增管的快信号输出端耦合而成的时间标记信号端给出时间标记信号；利用信号读出电路对光电倍增管阵列输出的M×N路电信号进行简化，最终得到四路位置信号，从而提高了对D-T聚变反应产生的伴随α粒子的时间、位置的分辨精度。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图仅仅是本发明的一些实施例，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1为D-T聚变反应的示意图；
图2为对D-T聚变反应产生的中子的时间、方向标记的原理示意图；
图3为本发明提供的一种α探测器的结构示意图；
图4为本发明提供的一种α探测器的信号接头示意图；
图5为本发明提供的一种α探测器的均衡电荷分配电路示意图；
图6为本发明提供的一种α探测器的一维差分电阻电路示意图；
图7为本发明提供的一种α探测器与D-T中子源的束流漂移管耦合的示意图。
符号说明：1、外壳，2、光电倍增管阵列接头电路，3、均衡电荷分配电路，4、一维差分电阻电路，5、信号接头，6、光电倍增管阵列，7、光导层，8、闪烁体，9、反射层，10、遮光压环，11、限束光阑，12、底座，13、α探测器，14、氚靶，15、靶管，16、伴随产额监视器。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
图1为D-T聚变反应的示意图，图2为对D-T聚变反应产生的中子的时间、方向标记的原理示意图，如图1及图2所示，氘离子D+轰击氚靶(通常为氚钛靶TTi)时发生D-T聚变反应，同时产生一对方向相反的中子(能量约为14MeV)和伴随α粒子(能量约为3.5MeV)，对于D-T中子源，通过位置灵敏性的α探测器对α粒子进行探测后，结合α探测器与氚靶靶点的空间位置关系，即可实现对出射中子的时间、方向的双重标记，因此，α探测器的位置分辨与时间分辨则决定了D-T中子的标记精度，是标记中子束应用的核心参数。
如图1所示，Q为氚靶靶点，VCM即质心速度，Vnc和Vac分别是在质心坐标系(COM)下，中子n和α粒子出射的速度，两者方向完全相反。VnL和VaL分别是在实验室坐标系下中子n和α粒子的出射速度。φ和ψ分别为α粒子和中子n与质心速度VCM间的夹角。
本发明的目的是提供一种α探测器及D-T中子标记装置，以提高对D-T聚变反应产生的伴随α粒子的时间、位置的分辨精度。
为使本发明的上述目的、特征和优点能够更加明显易懂，下面结合附图和具体实施方式对本发明作进一步详细的说明。
实施例1
图3为本发明提供的一种α探测器的结构示意图，如图3所示，本发明提供的α探测器包括：底部开口的外壳1、内部中空的底座12、闪烁体8、光电倍增管阵列6以及信号读出电路。
具体地，所述外壳1为电磁屏蔽外壳，用于屏蔽外电磁场；所述底座12位于所述外壳1的下方，且上端穿过所述外壳1的底部开口，并与所述外壳1紧密相接；所述底座12的下端与D-T中子源的束流漂移管连接；所述底座12用于将本发明提供的α探测器装配固定在D-T中子源的束流漂移管上。所述D-T中子源为静密封的D-T中子发生管或动态真空的加速器型D-T中子发生器。
所述闪烁体8嵌入所述底座12的内部；所述闪烁体8用于对D-T聚变反应产生的伴随α粒子进行探测，产生对应的闪烁光信号。
在本实施例中，所述闪烁体8为薄片闪烁体；所述闪烁体8的材质可以为无机物或有机物，如ZnO、YAP、塑料等。具体地，当本发明提供的α探测器用于静密封的D-T中子发生管时，采用无机材质的闪烁体，如ZnO；当本发明提供的α探测器用于动态真空的加速器型D-T中子发生器时，则可选择有机材质的闪烁体，如塑料、YAP；但并不以此为限制，在具体实施过程中，闪烁体8的材质、大小均可以根据实际需要进行调整。
所述光电倍增管阵列6嵌入所述底座12的内部，且位于所述闪烁体8的上层；所述光电倍增管阵列6用于将所述闪烁光信号转换为对应的电信号，还用于利用时间标记信号端给出时间标记信号；具体地，所述光电倍增管阵列6由M×N个光电倍增管以M行N列的形式排布而成，其中，M、N均为正整数；每个所述光电倍增管均产生一路电信号，共产生M×N路电信号；所述M×N路电信号电信号分别由每个所述光电倍增管的标准信号输出端输出；所述时间标记信号端由M×N个所述光电倍增管的快信号输出端耦合而成。
其中，为进一步保证本发明提供的α探测器对D-T聚变反应产生的伴随α粒子的位置分辨精度，M与N一般相等，且M、N的具体取值与闪烁体8的尺寸及单一光电倍增管的尺寸有关，由于α粒子入射到闪烁体8后产生的闪烁光信号不能直接被探测，因此需要利用光电倍增管阵列6将闪烁光信号转换为电信号，而又由于α粒子可能入射到闪烁体8的任何位置，因此光电倍增管阵列6的尺寸需要覆盖闪烁体8的尺寸。
进一步地，所述光电倍增管为硅光电倍增管SiPM或多阳极光电倍增管PSPMT，由于目前市面上已有的多阳极光电倍增管单阳极尺寸较大(3mm×3mm)，与采用硅光电倍增管(1mm×1mm)相比，同等条件下，采用多阳极光电倍增管组成的光电倍增管阵列的位置标记精度略差，且总体尺寸偏大，因此，在本实施例中，所述光电倍增管优选为SensL公司的硅光电倍增管。
在本实施例中，所述闪烁体8的尺寸为49mm×49mm，单一光电倍增管的尺寸为1mm×1mm，M、N的取值均为50，即本发明提供的α探测器的光电倍增管阵列由2500个光电倍增管以50行50列的形式排布而成，光电倍增管阵列的尺寸为50mm×50mm。
SensL公司的硅光电倍增管在标准信号输出的同时，针对高时间分辨需求的应用，为每个硅光电倍增管设置了一个快信号输出端，是利用硅光电倍增管进行时间分辨标识采用的常规技术手段。在组成阵列时，所有硅光电倍增管的快信号输出端耦合成一路信号输出，作为硅光电倍增管阵列的时间标记信号端，当任意一个硅光电倍增管的快信号输出端有信号输出时，时间标记信号端即有信号输出。具体耦合方式由硅光电倍增管的厂家(即SensL公司)提供。在后续的信号触发过程中，利用时间标记信号即可得到α粒子打到闪烁体上的具体时刻，将该时刻减去α粒子从D-T聚变反应的靶点飞行到闪烁体的时间，即可得到D-T中子的出射时间的标记。
所述信号读出电路与所述光电倍增管阵列连接，用于对所述M×N路电信号进行简化，得到四路位置信号。在后续的位置重建过程中，利用局域重心法即可求得α粒子在闪烁体上的位置信息，进而结合氘离子束轰击氚靶的空间位置(即靶点)，即可实现对D-T中子的出射方向的标记。
利用局域重心法进行位置重建的公式如下：
其中，xA、xB、yA、yB分别为所述四路位置信号，X为α粒子在闪烁体上的横坐标，Y为α粒子在闪烁体上的纵坐标。
本发明在对光电倍增管阵列的尺寸进行优化的基础上，采用尺寸为1mm×1mm的硅光电倍增管元件，获得了亚mm精度的位置分辨，利用硅光电倍增管元件的快信号输出端进行时间标记，获得了时间分辨约800ps的标记精度，因此，极大地提高了对D-T聚变反应产生的伴随α粒子的时间、位置的分辨精度。
进一步地，所述α探测器还包括光导层7；所述光导层7嵌入所述底座12的内部，且真空密封在所述闪烁体8与所述光电倍增管阵列6之间，用于将所述闪烁光信号传导至所述光电倍增管阵列6上。
在本实施例中，所述光导层7为2mm厚的蓝宝石玻璃，能够在保证足够的透光性能的同时，拥有足够的机械强度，且能够进行真空密封，但并不以此为限制，可以根据实际需要进行调整。当用于动态真空的加速器型的D-T中子发生器时，所述闪烁体8与所述光导层7之间采用硅脂进行耦合；当用于静密封的D-T中子发生管时，选用无机闪烁体8，且闪烁体8直接烧结在光导层7上。此外，所述光电倍增管阵列通过硅脂与所述光导层7的另一面进行耦合，以获取粒子在闪烁体8中产生的闪烁光信号的位置及时间信息，并通过螺钉与所述底座12进行连接固定。
进一步地，所述α探测器还包括反射层9；所述反射层9嵌入所述底座12的内部，且覆盖在所述闪烁体8的下表面上，用于反射所述闪烁光信号，从而提高闪烁光信号的收集效率，还用于遮挡D-T聚变反应产生的光束以及屏蔽散射D、T粒子；所述闪烁体8的下表面为所述闪烁体8面向氚靶的表面。作为本实施例的一种具体实施方式，所述反射层9为1μm厚的铝膜。
作为一种具体的实施方式，所述α探测器还包括遮光压环10；所述遮光压环10嵌入所述底座12的内部，且位于所述反射层9的下层外沿，用于固定所述反射层9并封挡所述反射层9的边缘空隙。
进一步地，所述α探测器还包括限束光阑11；所述限束光阑11位于所述底座12的下方，用于调节D-T聚变反应产生的光束通过所述闪烁体8的强度。在本实施例中，所述限束光阑11与所述遮光压环10通过螺钉连接，所述螺钉用于将所述遮光压环10固定在所述底座12的内部。
更进一步地，所述α探测器还包括光电倍增管阵列接头电路2；所述光电倍增管阵列接头电路2用于将所述M×N路电信号的接头集成为排插接头，以使所述排插接头通过排插连接器与所述信号读出电路进行连接。在本实施例中，所述光电倍增管阵列接头电路2将2500个光电倍增管元件的离散的读出信号接头(即标准信号输出端)集成为排插接头，与光电倍增管阵列连接后通过螺钉固定，其后与信号读出电路通过排插连接器连接，最后通过螺钉与底座12连接稳固。
具体地，所述信号读出电路包括均衡电荷分配电路3和一维差分电阻电路4。所述均衡电荷分配电路3与所述光电倍增管阵列连接，用于将所述M×N路电信号转换为M+N路电信号；所述M+N路电信号包括M路水平方向的电信号和N路垂直方向的电信号；所述一维差分电阻电路4与所述均衡电荷分配电路3连接，用于将所述M+N路电信号转换为四路电信号，作为四路位置信号；所述四路电信号包括二路水平方向的电信号和二路垂直方向的电信号。
图5为本发明提供的一种α探测器的均衡电荷分配电路3示意图，如图5所示，所述均衡电荷分配电路3为X和Y两个方向的电阻网络，其中每个电阻的阻值大小主要根据每个光电倍增管元件输出的信号幅度及后端实验数据采集系统的输入信号幅度范围来设计。同时，需要抑制阻抗不匹配导致的位置信号畸变，避免出现重建位置信号差异过大的问题。本发明中，电阻的阻抗从100欧姆至1k欧姆不等，具体可参考PET中该类电路的说明，为通用技术方法。利用均衡电荷分配电路3，将每一个光电倍增管输出的电信号分别给出横向与纵向两路输出，将同一行及同一列的电信号分别并联在一起，从而将2500路离散的电信号转换为50路行信号及50路列信号，共100路电信号。
图6为本发明提供的一种α探测器的一维差分电阻电路4示意图，图中每个电阻的具体阻抗需匹配前端的均衡电荷分配电路3、运放及最终所需的输出信号幅度确定。如图6所示，均衡电荷分配电路3输出的50路列信号经过一维差分电阻电路4后被简化为2路电信号(即图6中的xA和xB)输出。均衡电荷分配电路3输出的50路行信号的简化过程同理。所述均衡电荷分配电路3分别与两个图6所示的一维差分电阻电路4连接，从而将100路电信号转换为4路电信号，作为4路位置信号。
进一步地，所述α探测器还包括信号接头5；所述信号接头5位于所述外壳1上，分别与所述信号读出电路及所述光电倍增管阵列6连接，用于输出所述位置信号及所述时间标记信号。
具体地，图4为本发明提供的一种α探测器的信号接头示意图，如图4所示，所述信号接头5包括高压供电接头5(a)、时间T信号接头5(b)、位置信号xA接头5(c)、位置信号xB接头5(d)、位置信号yA接头5(e)和位置信号yB接头5(f)。其中，5(a)为高压供电专用接头，5(b)、5(c)、5(d)和5(e)均为BNC信号接头。时间T信号接头连接后续实验电子学系统，用于输出时间标记信号进行信号触发，以使后续实验电子学系统根据具体的实验目标，选择恰当的飞行时间窗，采集感兴趣的事件信号，再利用计算机同步分析中子方向与该感兴趣事件间的关联性。位置信号xA接头5(c)、位置信号xB接头5(d)、位置信号yA接头5(e)和位置信号yB接头5(f)连接后续数据采集系统，用于进行α粒子的位置重建。
实施例2
图7为本发明提供的一种α探测器与D-T中子源的束流漂移管耦合的示意图，如图7所示，所述底座12的下端与所述束流漂移管连接，且与所述束流漂移管的轴心的夹角构成90°；所述底座12的下端的外圈设置有法兰，所述束流漂移管上设置有与所述法兰相对应的法兰接口；所述α探测器13通过所述法兰及法兰接口与所述束流漂移管连接。在本实施例中，所述法兰为Φ100标准的法兰。
进一步地，所述束流漂移管包括氚靶14和靶管15，所述氚靶14位于所述靶管15的内部；所述α探测器13的底座12的下端与所述氚靶15连接；在本实施例中，所述闪烁体与所述束流漂移管内部氚靶14的靶点的距离为5cm，但并不以此为限制，可以根据实际需要进行调整。
进一步地，所述D-T中子源还包括伴随产额监视器16，所述伴随产额监视器16作为D-T中子发生装置中的一种常用配备仪器，主要通过对α粒子的探测实现对中子产额的实时监测。
在本实施例中，通过将本发明提供的α探测器与D-T中子源束流漂移管耦合，实现了对D-T聚变反应出射中子的高精度时间、方向标记。
实施例3
本发明还提供一种D-T中子标记装置，所述D-T中子标记装置包括上述α探测器以及后端实验电子学系统和后端数据采集系统；所述后端数据采集系统与所述α探测器的信号读出电路连接；所述后端实验电子学系统与所述α探测器的光电倍增管阵列连接。
其中，所述α探测器用于输出四路位置信号和一路时间标记信号。
所述后端数据采集系统用于根据所述四路位置信号进行位置重建，得到伴随α粒子的被探测位置，并根据所述被探测位置与D-T反应的靶点位置确定所述伴随α粒子对应的D-T中子的出射方向；所述出射方向为所述D-T中子(即D-T聚变反应出射中子)的方向标记。
所述后端实验电子学系统用于根据所述时间标记信号进行信号触发，得到伴随α粒子的被探测时刻，并根据所述被探测时刻及所述伴随α粒子从D-T反应的靶点飞行到所述闪烁体的时间得到所述伴随α粒子对应的D-T中子的出射时刻；所述出射时刻为所述D-T中子的时间标记。
本发明利用D-T聚变反应产生一对质心系下方向相反的α粒子与中子的特点，提出了一种α探测器及D-T中子标记装置，通过对α粒子的时间、位置进行探测，并结合α探测器与氚靶靶点的几何位置关系，进一步实现了对出射中子的高精度时间、方向的双重标记。
此外，本发明还针对α探测器的标记性能等指标进行了测试，测试结果如表1所示。
表1 α探测器的主要指标测试结果
| 类别(3.5MeVα粒子) | 指标 |
| 位置分辨 | ～0.8mm |
| 时间分辨 | ～0.9ns |
| 标记效率 | ～73％ |
如表1所示，本发明提供的α探测器针对α粒子的时间分辨精度约为0.9ns，位置分辨精度约为0.8mm，标记效率约为73％，均处于当前领先水平。
在进一步的研究中发现，本发明提供的D-T中子标记装置，对于D-T中子的时间标记精度优于1ns，在α探测器距氚靶靶点5cm情形下，针对中子出射方向角度的不确定度优于2度。
此外，本发明提供的α探测器选用不同技术路线(闪烁体及耦合方式)，可同时适配动态真空的加速器型D-T中子发生器，也可用于静真空密封的D-T中子发生管。
与现有技术相比，本发明提供的α探测器具有以下优点：α探测器与D-T中子源耦合后，通过对氘-氚(即D-T)聚变反应伴随中子产生的α粒子的探测，可实现对D-T聚变反应出射的准单能中子(14.1MeV)予以时间、方向的高精度标记，可大幅降低D-T中子应用测量过程中的大量本底信号，实现对感兴趣待测物理量的高灵敏测量，进而可推广至大部分的D-T中子源的主动中子质询应用领域，如大尺寸物件内部结构高对比度无损检测、核燃料元器件内部结构无损检测、核材料探测核查、隐匿爆炸物检测、核数据测量等。
本说明书中各个实施例采用递进的方式描述，每个实施例重点说明的都是与其他实施例的不同之处，各个实施例之间相同相似部分互相参见即可。
本文中应用了具体个例对本发明的原理及实施方式进行了阐述，以上实施例的说明只是用于帮助理解本发明的核心思想；同时，对于本领域的一般技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处。综上所述，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。
Claims (10)
1.一种α探测器，其特征在于，所述α探测器包括：
底部开口的外壳，用于屏蔽外电磁场；
内部中空的底座，位于所述外壳的下方，且上端穿过所述外壳的底部开口，并与所述外壳紧密相接；所述底座的下端与D-T中子源的束流漂移管连接；
闪烁体，嵌入所述底座的内部，用于对D-T聚变反应产生的伴随α粒子进行探测，产生对应的闪烁光信号；
光电倍增管阵列，嵌入所述底座的内部，且位于所述闪烁体的上层，用于将所述闪烁光信号转换为对应的电信号；所述光电倍增管阵列还用于利用时间标记信号端给出时间标记信号；所述光电倍增管阵列由M×N个光电倍增管以M行N列的形式排布而成，其中，M、N均为正整数；每个所述光电倍增管均产生一路电信号，共产生M×N路电信号；所述时间标记信号端由M×N个所述光电倍增管的快信号输出端耦合而成；
信号读出电路，与所述光电倍增管阵列连接，用于对所述M×N路电信号进行简化，得到四路位置信号。
2.根据权利要求1所述的α探测器，其特征在于，所述α探测器还包括：
光导层，嵌入所述底座的内部，且真空密封在所述闪烁体与所述光电倍增管阵列之间，用于将所述闪烁光信号传导至所述光电倍增管阵列上。
3.根据权利要求1所述的α探测器，其特征在于，所述α探测器还包括：
反射层，嵌入所述底座的内部，且覆盖在所述闪烁体的下表面上，用于反射所述闪烁光信号、遮挡D-T聚变反应产生的光束以及屏蔽散射D、T粒子；所述闪烁体的下表面为所述闪烁体面向氚靶的表面。
4.根据权利要求3所述的α探测器，其特征在于，所述α探测器还包括：
遮光压环，嵌入所述底座的内部，且位于所述反射层的下层外沿，用于固定所述反射层并封挡所述反射层的边缘空隙。
5.根据权利要求4所述的α探测器，其特征在于，所述α探测器还包括：
限束光阑，位于所述底座的下方，用于调节D-T聚变反应产生的光束通过所述闪烁体的强度。
6.根据权利要求1所述的α探测器，其特征在于，所述α探测器还包括：
光电倍增管阵列接头电路，用于将所述M×N路电信号的接头集成为排插接头，以使所述排插接头通过排插连接器与所述信号读出电路进行连接。
7.根据权利要求1所述的α探测器，其特征在于，所述信号读出电路包括：
均衡电荷分配电路，与所述光电倍增管阵列连接，用于将所述M×N路电信号转换为M+N路电信号；所述M+N路电信号包括M路水平方向的电信号和N路垂直方向的电信号；
一维差分电阻电路，与所述均衡电荷分配电路连接，用于将所述M+N路电信号转换为四路电信号，作为四路位置信号；所述四路电信号包括二路水平方向的电信号和二路垂直方向的电信号。
8.根据权利要求1所述的α探测器，其特征在于，所述α探测器还包括：
信号接头，位于所述外壳上，分别与所述信号读出电路及所述光电倍增管阵列连接，用于输出所述位置信号及所述时间标记信号。
9.根据权利要求1所述的α探测器，其特征在于，M与N的取值相等且均为五十。
10.一种D-T中子标记装置，其特征在于，所述D-T中子标记装置包括：如权利要求1-9中任一项所述的α探测器以及后端实验电子学系统和后端数据采集系统；所述后端数据采集系统与所述α探测器的信号读出电路连接；所述后端实验电子学系统与所述α探测器的光电倍增管阵列连接；
所述α探测器用于输出四路位置信号和一路时间标记信号；
所述后端数据采集系统用于根据所述四路位置信号进行位置重建，得到伴随α粒子的被探测位置，并根据所述被探测位置与D-T反应的靶点位置确定所述伴随α粒子对应的D-T中子的出射方向；所述出射方向为所述D-T中子的方向标记；
所述后端实验电子学系统用于根据所述时间标记信号进行信号触发，得到伴随α粒子的被探测时刻，并根据所述被探测时刻及所述伴随α粒子从D-T反应的靶点飞行到所述闪烁体的时间得到所述伴随α粒子对应的D-T中子的出射时刻；所述出射时刻为所述D-T中子的时间标记。
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Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115541635A (zh) * | 2022-11-25 | 2022-12-30 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种d-t中子成像方法及系统 |
| CN116736364A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-09-12 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种中子测量系统本底计数率抑制系统及抑制方法 |
Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050135535A1 (en) * | 2003-06-05 | 2005-06-23 | Neutron Sciences, Inc. | Neutron detector using neutron absorbing scintillating particulates in plastic |
| CN102129081A (zh) * | 2010-12-23 | 2011-07-20 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于密封中子发生器的伴随α粒子探测器 |
| CN206906586U (zh) * | 2017-06-23 | 2018-01-19 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种大面积位置灵敏探测器 |
| CN208506260U (zh) * | 2018-08-03 | 2019-02-15 | 中国辐射防护研究院 | 一种新型闪烁玻璃纤维面板结构伴随alpha粒子探测器 |
| CN111736206A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-02 | 中国原子能科学研究院 | 一种测量d-t中子源源斑尺寸的装置及方法 |
| CN111741585A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-02 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于标记中子束无损检测的移动式d-t中子发生器 |
-
2021
- 2021-09-30 CN CN202111157257.4A patent/CN113885069A/zh active Pending
Patent Citations (6)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20050135535A1 (en) * | 2003-06-05 | 2005-06-23 | Neutron Sciences, Inc. | Neutron detector using neutron absorbing scintillating particulates in plastic |
| CN102129081A (zh) * | 2010-12-23 | 2011-07-20 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于密封中子发生器的伴随α粒子探测器 |
| CN206906586U (zh) * | 2017-06-23 | 2018-01-19 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种大面积位置灵敏探测器 |
| CN208506260U (zh) * | 2018-08-03 | 2019-02-15 | 中国辐射防护研究院 | 一种新型闪烁玻璃纤维面板结构伴随alpha粒子探测器 |
| CN111736206A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-02 | 中国原子能科学研究院 | 一种测量d-t中子源源斑尺寸的装置及方法 |
| CN111741585A (zh) * | 2020-05-26 | 2020-10-02 | 中国原子能科学研究院 | 一种用于标记中子束无损检测的移动式d-t中子发生器 |
Non-Patent Citations (2)
| Title |
|---|
| 张凯等: "D-T中子源束斑尺寸测量技术及应用", 原子能科学技术 * |
| 张凯等: "关联α粒子探测器设计和性能研究", 原子能科学技术. * |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115541635A (zh) * | 2022-11-25 | 2022-12-30 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种d-t中子成像方法及系统 |
| CN115541635B (zh) * | 2022-11-25 | 2023-03-10 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种d-t中子成像方法及系统 |
| CN116736364A (zh) * | 2023-05-12 | 2023-09-12 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种中子测量系统本底计数率抑制系统及抑制方法 |
| CN116736364B (zh) * | 2023-05-12 | 2023-12-29 | 中国工程物理研究院材料研究所 | 一种中子测量系统本底计数率抑制系统及抑制方法 |
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