反冲质子磁分析法中子能谱诊断关键技术研究

随着我国激光装置的建立和逐步升级，惯性约束聚变(ICF)实验研究正不断扩大和深入,与其匹配的诊断设备和诊断技术也需要随之不断完善和发展，为ICF 实验物理研究提供重要的基础和保障。因此各种诊断技术手段的探索性研究工作和诊断设备的研制是十分必要的。反冲质子磁谱仪(MPRS) 适用于稳态和瞬时辐射场的中子能谱测量，是测量惯性约束聚变和高功率聚变装置中子能谱的一种新型高性能诊断设备，能够测量初级中子、向下散射的中子和三代中子，直接推出低温DT内爆参量，诊断离子温度和绝对中子产额。通过该项目的研究，在高强度、高精度磁分析系统设计，高灵敏、高分辨能力焦平面探测器研制和灵敏度标定技术等方面取得进一步的发展，建立小型化磁分析中子能谱探测系统研制的关键技术，为研制满足我国ICF靶物理现场要求的中子能谱诊断系统奠定技术基础，也可应用于tokamak装置和瞬时、高功率聚变装置中子能谱测量等相关科研实验领域。

反冲质子磁谱仪（MPR）是在反冲质子探测器的基础上发展起来的中子能谱探测系统。MPR适用于稳态和瞬时辐射场的中子能谱测量，受距离限制小，具有很高的中子能量分辨率，是测量聚变装置中子能谱的一种重要诊断设备，能够对聚变等离子体温度、燃料面密度和中子产额等参数进行较精确的诊断，有望成为我国未来激光惯性约束聚变和磁约束聚变中子物理诊断的重要测量系统之一。项目主要研究成果包括以下四个方面：.设计了一种紧凑型反冲质子磁谱仪原型系统，用于DT聚变中子能谱测量。为了达到空间紧凑的目的，获得较大的偏转角以利于辐射屏蔽，同时获得较高的中子能量分辨率和探测效率，采用四极和二极电磁铁组合作为分析磁铁的设计。在磁铁设计中，通过电流调节磁场强度，二极磁铁中心磁场强度可达到1.8T。采用漆包线圈来绕制方式解决了磁铁线圈过热和电绝缘问题，磁铁不需要水冷系统，可以在自然冷却的方式下正常工作，系统相对简单。.开发了基于MATLAB平台数值模拟计算程序，模拟了反冲质子磁谱仪的偏转和聚焦情况，获得了反冲质子在焦平面上的空间分布和中子能量分辨率以及中子探测效率等主要性能参数。结果表明，对14 MeV中子，磁谱仪在获得10-7的中子探测效率同时可以满足小于2%的中子能量分辨率的要求。.设计了基于EMCCD成像系统的反冲质子焦平面探测器系统，开展了焦平面探测器物理性能研究，获得了探测灵敏度响应、动态范围和信噪比等关键性能参数，实现了焦平面高分辨率和实时探测，减小了焦平面探测器记录系统规模，满足了焦平面探测宽动态范围、实时测量和小型化的要求。.研究和建立了反冲质子磁谱仪的能量刻度实验方法和中子探测效率实验刻度技术。在串列加速器质子和高压倍加器DT中子实验平台上刻度了磁谱仪的能量分辨率和中子探测效率。采用质子成像探测技术获得了较高分辨的质子空间分布的实时图像。采用基于薄塑料闪烁体的闪烁探测方法和脉冲幅度分析方法结合简单的实验屏蔽措施可以满足标定信噪比要求。能量分辨刻度和中子探测效率刻度的实验结果与数值模拟程序计算的结果在不确定度范围内较为一致，表明开发的数值模拟程序用于磁谱仪系统性能参数的评价。