CN113219517A - 一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法 - Google Patents

一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法 Download PDF

Info

Publication number
CN113219517A
CN113219517A CN202110500707.9A CN202110500707A CN113219517A CN 113219517 A CN113219517 A CN 113219517A CN 202110500707 A CN202110500707 A CN 202110500707A CN 113219517 A CN113219517 A CN 113219517A
Authority
CN
China
Prior art keywords
energy spectrum
photoelectric conversion
fusion
scintillator
measuring device
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
CN202110500707.9A
Other languages
English (en)
Inventor
刘林月
欧阳晓平
张建福
李辉
何世熠
金鹏
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Northwest Institute of Nuclear Technology
Original Assignee
Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Northwest Institute of Nuclear Technology filed Critical Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority to CN202110500707.9A priority Critical patent/CN113219517A/zh
Publication of CN113219517A publication Critical patent/CN113219517A/zh
Pending legal-status Critical Current

Links

Images

Classifications

    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G01T3/06—Measuring neutron radiation with scintillation detectors
    • G01T3/065—Spectrometry
    • G—PHYSICS
    • G01—MEASURING; TESTING
    • G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
    • G01T3/00—Measuring neutron radiation
    • G01T3/001—Spectrometry

Landscapes

  • Physics & Mathematics (AREA)
  • Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
  • Health & Medical Sciences (AREA)
  • Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
  • General Physics & Mathematics (AREA)
  • High Energy & Nuclear Physics (AREA)
  • Molecular Biology (AREA)
  • Measurement Of Radiation (AREA)

Abstract

本发明涉及一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法。本发明的目的是解决现有聚变中子能谱测量装置及方法，若采用反冲质子磁分析法，仅适用于高中子产额下的诊断，若采用中子飞行时间法，尚难以利用同一探测***同时有效获得初始时间波形和响应波形，若采用不同探测***，又会额外引入时间差，进而引起求解飞行时间展宽、多普勒能谱展宽和聚变等离子体温度特征等精度下降的技术问题。该测量装置包括富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件、电源，以及示波器和计算机；光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端。该测量方法利用该高精度聚变中子能谱测量装置进行。

Description

一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法
技术领域
本发明涉及辐射探测中的脉冲氘氚(DT)聚变反应能谱测量装置及方法，具体涉及一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法。
背景技术
中子能谱的测量在脉冲氘氚(DT)聚变反应等离子体诊断中占有极其重要的地位。利用中子能谱能够获得聚变等离子体温度等关键信息，通常聚变等离子体诊断对中子能谱测量的精度要求极高。目前，聚变装置上最常用的中子能谱测量方法是反冲质子磁分析法和中子飞行时间法，前者***庞大，仅适用于高中子产额下的等离子体诊断；后者要求有效获得初始中子波形时间特征(简称为初始时间波形)和测点的中子波形时间特征(简称为响应波形)，但现有技术难以利用同一探测***同时获得这两种波形，且由于不同探测***的时间响应特性不同，会引入额外的时间差，进而会引起求解飞行时间展宽、能谱的多普勒(Doppler)展宽和聚变等离子体温度特征等精度的下降。
发明内容
本发明的目的是解决现有聚变中子能谱测量装置及方法，若采用反冲质子磁分析法，仅适用于高中子产额下的诊断，若采用中子飞行时间法，尚难以利用同一探测***同时有效获得初始时间波形和响应波形，若采用不同探测***，又会额外引入时间差，进而引起求解飞行时间展宽、能谱多普勒展宽和聚变等离子体温度特征等精度下降的技术问题，提供一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供的技术解决方案如下：
本发明提供一种高精度聚变中子能谱测量装置，其特殊之处在于：
包括作为辐射-光转换体的富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件、为光电转换器件供电的电源，以及示波器和计算机；
所述光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；
所述光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端；
所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机-重金属卤化物杂化材料；
所述光电转换器件为光电管或光电倍增管。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件和示波器，均具有纳秒级以上的时间响应特性。
进一步地，还包括中子-质子转换靶，设置于富氢钙钛矿闪烁体靠近聚变反应中心且远离光电转换器件的一侧，用于提高对中子的响应灵敏度。
进一步地，还包括光电耦合器件，设置于富氢钙钛矿闪烁体与光电转换器件之间，使中子和伽马射线在富氢钙钛矿闪烁体处产生的光子有效进入光电转换器件。
进一步地，还包括反射镜，设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，反射镜的反射面与富氢钙钛矿闪烁体各个表面中除朝向光电转换器件的表面外的其余各个表面相对，因中子和伽马射线可用穿过反射镜，反射镜可使更多中子和伽马射线在富氢钙钛矿闪烁体处产生的光子进入光电转换器件，以利于获得电信号。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体为一维材料或二维材料或三维材料。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体为单晶或有机聚合物膜。
进一步地，所述富氢钙钛矿闪烁体为(PEA)2PbBr4或(BA)2PbBr4。
本发明还提供一种高精度聚变中子能谱测量方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
1)测量中子和伽马射线分别的响应波形
将上述高精度聚变中子能谱测量装置的富氢钙钛矿闪烁体和光电转换器件，放置于距离聚变反应中心L远的测点处，分别测量聚变混合辐射场里中子的响应波形N1和伽马射线的响应波形γ1，并利用飞行时间法，对二者进行区分；
所述L需满足：在测点位置测得的中子和伽马射线的响应波形的飞行时间差大于所述高精度聚变中子能谱测量装置的时间分辨，足以区分中子和伽马射线的响应波形；
2)计算中子的能谱多普勒展宽
2.1)对中子的响应波形N1和中子的初始时间波形N0进行逆卷积，得到中子的飞行时间展宽Δtf，所述伽马射线的响应波形γ1等于中子的初始时间波形N0；
2.2)利用下式，计算得到中子的能谱多普勒展宽Γ1/2(MeV)
Figure BDA0003056106560000031
进一步地，还包括以下步骤：
2.3)利用下式，计算得到聚变所产生等离子体的温度Ti(keV)
Figure BDA0003056106560000032
本发明相比现有技术具有的有益效果如下：
1、本发明提供的高精度聚变中子能谱测量装置及方法，利用一种对聚变产生的中子和伽马射线同时灵敏且快时间响应的富氢钙钛矿闪烁体，在距离脉冲聚变中心一定距离处，同时获得中子和伽马射线的响应波形(响应脉冲)，利用飞行时间法，实现中子和伽马射线波形的有效区分，为聚变温度和时间特征诊断及相关研究提供了崭新手段，实现了利用同一装置有效获取中子的初始时间波形和测点的响应波形的目的，因该装置的时间响应快，可实现聚变的中子能谱和等离子体温度的高精度诊断，解决了脉冲混合辐射场中中子能谱难以精确测量的难题。
2、本发明提供的高精度聚变中子能谱测量装置及方法，采用的富氢钙钛矿闪烁体，辐射致发光的相对光产额较高(相对光产额达30000-40000photons/MeV)，显著优于现有技术中中子探测常用的有机闪烁体和塑料闪烁体等(相对光产额<20000photons/MeV))，对中子和伽马射线时间响应快，发光效率高，可实现中子在低产额时的探测，如聚变点火试验失败等情况下的低产额中子的探测，对聚变中子能谱探测技术的发展具有重要意义。
3、本发明提供的高精度聚变中子能谱测量装置及方法，测量装置测得的关于时间的波形精度高，能够准确诊断聚变的反应时间演化过程特性，并可以通过准确计算飞行时间展宽，获取准确的聚变温度信息，可通过大幅提高时间测量和飞行时间能量展宽的测量精度，来提高温度诊断精度。对聚变作用时间，等离子体温度和中子产额的诊断都具有重要意义。
4、本发明提供的高精度聚变中子能谱测量装置及方法，由于伽马射线不存在飞行时间引起的能量展宽问题，因此，测点获得的伽马射线响应波形(即响应脉冲或响应信号特征)即可等效为辐射源(聚变反应中心)处的伽马射线和中子的初始时间波形；聚变反应释放的中子非单能、存在一定能量分布(能谱)，中子测量信号存在显著的飞行时间展宽，因此测点处获得的中子信号为初始时间波形与飞行时间影响卷积的结果。利用测点处中子和伽马射线的响应波形，可有效获得中子飞行时间展宽，即获得核聚变中子能谱的特征。
5、本发明提供的高精度聚变中子能谱测量装置及方法，采用的富氢钙钛矿闪烁体不存在中子和伽马波形甄别能力，具有纳秒级超快时间响应特征，对中子和伽马射线的初始时间波形一致，获得的伽马射线的响应波形完全可等效为中子的初始时间波形。因此，利用中子响应波形和伽马射线初始时间波形反卷积获取的中子能谱多普勒展宽，精度高，也即获得了高精度的聚变中子能谱特征。
附图说明
图1为本发明高精度聚变中子能谱测量装置的结构示意图；
图2为本发明测得中子和伽马射线分别的初始时间波形和测点位置的响应波形的示意图。
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本发明作进一步地说明。
一种高精度聚变(脉冲氘氚聚变)中子能谱测量装置，如图1所示，包括作为辐射-光转换体的富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件、为光电转换器件供电的电源，以及示波器和计算机；所述光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；所述光电转换件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端；所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机-重金属卤化物杂化材料；所述光电转换件为光电管或光电倍增管。所述富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件和示波器，均具有纳秒级以上的时间响应特性。
其中，用于辐射致发光的富氢钙钛矿闪烁体，要求必须富含氢元素，同时等效原子序数高(对伽马射线高灵敏)，对中子和伽马射线同时高灵敏、相对发光强度高、发光衰减时间快、不存在中子和伽马射线波形甄别能力。这种富氢钙钛矿闪烁体，可以为一维材料或二维材料或三维材料；可以为单晶或有机聚合物膜；可以为(PEA)2PbBr4或(BA)2PbBr4，所述(PEA)2PbBr4的制备方法可参考期刊《Journal ofMaterials Chemistry C》于2019年第7期1584-1591页，发表的文章“Two-dimensional(PEA)2PbBr4 perovskite singlecrystalsfor a high performance UV-detector”。
可选的，还包括中子-质子转换靶，设置于富氢钙钛矿闪烁体靠近聚变反应中心且远离光电转换器件的一侧。可选的，还包括光电耦合器件，设置于富氢钙钛矿闪烁体与光电转换器件之间。可选的，还包括反射镜，设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，反射镜的反射面与富氢钙钛矿闪烁体各个表面中的除朝向光电转换器件的表面外的其余各个表面相对。
一种基于上述高精度聚变中子能谱测量装置的高精度聚变中子能谱测量方法，包括以下步骤：
1)测量中子和伽马射线分别的响应波形
将上述高精度聚变中子能谱测量装置的富氢钙钛矿闪烁体和光电转换器件，放置于距离聚变反应中心L远的测点处，因伽马射线比中子传播速度快，如图2所示，故先后测量聚变混合辐射场里伽马射线的响应波形γ1和中子的响应波形N1，并利用飞行时间法，对二者进行区分；
所述L需满足：在测点位置测得的中子和伽马射线的响应波形的飞行时间差大于所述高精度聚变中子能谱测量装置的时间分辨，足以区分中子和伽马射线的响应波形；
因聚变过程中子的初始时间波形N0与伽马射线的初始时间波形γ0一致，且因伽马射线的波形不存在时间引起的展宽，故伽马射线的初始时间波形γ0与伽马射线的响应波形γ1几乎一致，故伽马射线的响应波形γ1等于中子的初始时间波形N0；
2)计算中子的能谱多普勒展宽
2.1)对中子的响应波形N1和中子的初始时间波形N0进行逆卷积，所述伽马射线的响应波形γ1等于中子的初始时间波形N0，得到中子的飞行时间展宽Δtf；
2.2)利用下式，计算得到中子的能谱多普勒展宽Γ1/2(MeV)
Figure BDA0003056106560000061
当然，还可以进行以下计算：
2.3)利用下式，计算得到聚变所产生等离子体的温度Ti(keV)
Figure BDA0003056106560000062
2.4)计算中子产额
利用下式，计算得到中子产额
中子产额＝中子的初始时间波形N0积分/(灵敏度×几何系数)；
其中，
灵敏度由富氢钙钛矿闪烁体和光电转换器件本身的灵敏度和几何结构决定；
几何系数小于1，具体数值由测点距离核聚变反应中心(辐射源)的距离等决定，例如，对于点源而言，几何系数为S/(4*π*L2)，L为距离，S为探测装置的富氢钙钛矿闪烁体垂直于入射方向的等效面积。
原理：
1)脉冲氘氚(DT)聚变反应存在中子能谱多普勒展宽。在聚变反应的高温条件下，氘、氚离子热运动的速度，符合Maxwell分布，在脉冲状态下中子能量是非单能的；
2)中子能谱多普勒展宽可用于判定聚变等离子体的温度。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制，对于本领域的普通专业技术人员来说，可以对前述各实施例所记载的具体技术方案进行修改，或者对其中部分技术特征进行等同替换，而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明所保护技术方案的范围。

Claims (10)

1.一种高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
包括作为辐射-光转换体的富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件、为光电转换器件供电的电源，以及示波器和计算机；
所述光电转换器件的光阴极面向富氢钙钛矿闪烁体；
所述光电转换器件的输出端连接示波器的输入端，示波器的输出端连接计算机的输入端；
所述富氢钙钛矿闪烁体为富氢有机-重金属卤化物杂化材料；
所述光电转换器件为光电管或光电倍增管。
2.根据权利要求1所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体、光电转换器件和示波器，均具有纳秒级以上的时间响应特性。
3.根据权利要求2所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
还包括中子-质子转换靶，设置于富氢钙钛矿闪烁体靠近聚变反应中心且远离光电转换器件的一侧。
4.根据权利要求3所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
还包括光电耦合器件，设置于富氢钙钛矿闪烁体与光电转换器件之间。
5.根据权利要求1至4任一所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
还包括反射镜，设置于靠近富氢钙钛矿闪烁体处，反射镜的反射面与富氢钙钛矿闪烁体各个表面中除朝向光电转换器件的表面外的其余各个表面相对。
6.根据权利要求1所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体为一维材料或二维材料或三维材料。
7.根据权利要求1所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体为单晶或有机聚合物膜。
8.根据权利要求1所述高精度聚变中子能谱测量装置，其特征在于：
所述富氢钙钛矿闪烁体为(PEA)2PbBr4或(BA)2PbBr4。
9.一种高精度聚变中子能谱测量方法，其特征在于，包括以下步骤：
1)分别测量对中子和伽马射线的响应波形
将权利要求1至8任一所述高精度聚变中子能谱测量装置的富氢钙钛矿闪烁体和光电转换器件，放置于距离聚变反应中心L远的测点处，分别测量聚变混合辐射场里中子的响应波形N1和伽马射线的响应波形γ1，并利用飞行时间法，对二者进行区分；
所述L需满足：在测点位置测得的中子和伽马射线的响应波形的飞行时间差大于所述高精度聚变中子能谱测量装置的时间分辨，足以区分中子和伽马射线的响应波形；
2)计算中子的能谱多普勒展宽
2.1)对中子的响应波形N1和中子的初始时间波形N0进行逆卷积，得到中子的飞行时间展宽Δtf，所述中子的初始时间波形N0等于伽马射线的响应波形γ1；
2.2)利用下式，计算得到中子的能谱多普勒展宽Γ1/2(MeV)
Figure FDA0003056106550000021
10.根据权利要求9所述高精度聚变中子能谱测量方法，其特征在于，还包括以下步骤：
2.3)利用下式，计算得到聚变所产生等离子体的温度Ti(keV)
Figure FDA0003056106550000022
CN202110500707.9A 2021-05-08 2021-05-08 一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法 Pending CN113219517A (zh)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110500707.9A CN113219517A (zh) 2021-05-08 2021-05-08 一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
CN202110500707.9A CN113219517A (zh) 2021-05-08 2021-05-08 一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法

Publications (1)

Publication Number Publication Date
CN113219517A true CN113219517A (zh) 2021-08-06

Family

ID=77094029

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
CN202110500707.9A Pending CN113219517A (zh) 2021-05-08 2021-05-08 一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法

Country Status (1)

Country Link
CN (1) CN113219517A (zh)

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114994742A (zh) * 2022-06-14 2022-09-02 西北核技术研究所 一种基于mof的热中子或快中子探测方法及装置

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040129922A1 (en) * 2001-07-31 2004-07-08 Kengo Shibuya Radiation detector
JP2006170827A (ja) * 2004-12-16 2006-06-29 Japan Science & Technology Agency 放射線検出用シンチレーター
US20120093194A1 (en) * 2010-10-15 2012-04-19 Lawrence Livermore National Security, Llc Method and system to measure temperature of gases using coherent anti-stokes doppler spectroscopy
CN104185353A (zh) * 2014-09-05 2014-12-03 中国人民解放军陆军军官学院 一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法
CN111610550A (zh) * 2020-05-14 2020-09-01 南昌大学 一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器***及探测方法

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20040129922A1 (en) * 2001-07-31 2004-07-08 Kengo Shibuya Radiation detector
JP2006170827A (ja) * 2004-12-16 2006-06-29 Japan Science & Technology Agency 放射線検出用シンチレーター
US20120093194A1 (en) * 2010-10-15 2012-04-19 Lawrence Livermore National Security, Llc Method and system to measure temperature of gases using coherent anti-stokes doppler spectroscopy
CN104185353A (zh) * 2014-09-05 2014-12-03 中国人民解放军陆军军官学院 一种基于汤姆逊散射弱相干技术的聚变堆等离子体密度温度诊断方法
CN111610550A (zh) * 2020-05-14 2020-09-01 南昌大学 一种基于二维钙钛矿的多谱闪烁探测器***及探测方法

Non-Patent Citations (2)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Title
刘庆兆: "瞬态脉冲辐射特性物理诊断", 核物理动态, vol. 12, no. 4, pages 41 - 43 *
欧阳晓平: "脉冲辐射探测技术", 中国科学工程, vol. 10, no. 4, pages 44 - 55 *

Cited By (1)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
CN114994742A (zh) * 2022-06-14 2022-09-02 西北核技术研究所 一种基于mof的热中子或快中子探测方法及装置

Similar Documents

Publication Publication Date Title
Guo et al. Slow liquid scintillator candidates for MeV-scale neutrino experiments
CN103698801B (zh) 高能质子和中子能谱测量的多层闪烁探测器及测量方法
Glebov et al. Prototypes of National Ignition Facility neutron time-of-flight detectors tested on OMEGA
CN111982940A (zh) 基于紧凑型d-d中子源的热中子透射成像方法及成像装置
CN111968768A (zh) 基于主动中子空间强度分布的核燃料燃耗深度测量装置及测量方法
Altmannshofer et al. Testing lepton flavor universality and CKM unitarity with rare pion decays in the PIONEER experiment
CN113219517A (zh) 一种高精度聚变中子能谱测量装置及方法
CN212256936U (zh) 基于主动中子空间强度分布的核燃料燃耗深度测量装置
Novotny Performance of the BaF2-calorimeter TAPS
CN111781632A (zh) 一种中子-γ射线联合探测装置及方法
CN108802792A (zh) 放射性惰性气体的测量装置及方法
Neill et al. Calibration and use of a 5-inch diameter lithium glass detector
US10996353B1 (en) N-type gallium nitride scintillation for fast-neutron detection
Moran et al. Nuclear diagnostics in support of inertial confinement fusion experiments
Giordano et al. Small-angle elastic scattering of 2.5 MeV neutrons
Ghosh The micro-layered fast-neutron detector
Cai et al. Performance optimization of scintillator neutron detectors for EMD in CSNS
Gold Neutron spectrometry for reactor applications: status, limitations, and future directions
Nakamura Recent development of advanced neutron detection technology
CN106645229A (zh) 中子成像样品连续检测***
CN118244329A (zh) 基于CLYC-7Li晶体的聚变中子能谱仪
Recker Enabling Mobile Neutron Detection Systems with CLYC
Jin et al. Application of In-beam Activation Analysis in Elemental Distribution Analysis
Ahl et al. A diamond double-sided strip detector for alpha-tagging in associated particle imaging
Beyer et al. Fast neutron inelastic scattering from 7Li

Legal Events

Date Code Title Description
PB01 Publication
PB01 Publication
SE01 Entry into force of request for substantive examination
SE01 Entry into force of request for substantive examination