基于磁反冲法的脉冲中子源高时间分辨能谱诊断关键技术研究

Neutron spectrum diagnosis is gaining importance in the areas of national defense technology and fusion research. The performance of a neutron spectrometer on the assessment of internal physical process of the neutron source is determined by its energy and time resolution. Due to low neutron yield and technology limitation, the existed neutron spectrometers for pulsed neutron source can only measure the time intergrade neutron spectra. Thus, these spectrometers cannot provide any detailed information about the time evolution of the internal physical process of the neutron source. Developing time-resolved neutron spectrometers for different pulsed neutron sources to record the time evolution of neutron spectra can improve the diagnostic performance of neutron spectroscopy significantly. .This project focuses on the critical technologies of time resolved magnetic recoil spectrometer for pulsed neutron source. A dedicated magnetic analysis system qualified for high time resolution magnetic recoil spectrometer will be designed. Then, the prototype of a fast-response electron multiplier with time compensation capability, which will be utilized for simplifying the data acquisition system and fast-response position-sensitivity detector array for recoil protons detection at the focal plane of magnetic recoil spectrometer, will be developed. Through this project research, the solution of the critical technologies of time resolved neutron spectroscopy will be obtained hopefully, and the understanding to these technologies of physical analysis, structural design, prototype manufacture and calibration experiment will be enhanced.

针对脉冲中子源的中子能谱诊断技术，在国防科技、聚变能源研究等领域发挥着越来越重要的作用。中子能谱仪的时间分辨，限制着其所能研究的中子源内部物理过程的时间尺度。受到中子源强度和探测技术的双重限制，目前常规中子能谱仪无法进行高时间分辨的分时能谱测量，也就无法开展快物理过程的诊断研究。发展高时间分辨的中子能谱仪，获取中子能谱随时间的演化信息，能极大地拓展中子能谱仪的诊断能力。.本项目基于磁反冲法发展亚纳秒级时间分辨中子能谱诊断的关键技术。首先通过优化磁分析系统的设计，减小反冲质子的时间歧离，突破磁分析系统对谱仪时间分辨的限制。其次，研发具有时间补偿本领的电流型快响应电子倍增系统，减小在磁谱仪焦平面对反冲质子位置的高时间分辨探测及数据获取难度。本项目研究可获得针对脉冲中子源的高时间分辨中子能谱诊断技术方案，掌握相应谱仪系统的物理分析、结构设计、探测器原型制造和实验标定技术。

本项目旨在研究基于磁反冲法的脉冲中子源高时间分辨能谱诊断关键技术。针对脉冲中子源的中子能谱诊断技术，在国防科技、聚变能源研究等领域发挥着越来越重要的作用。中子能谱仪的时间分辨限制着其研究的中子源内部物理过程的时间尺度。受到中子源强度和探测技术的双重限制，目前常规中子能谱仪无法进行高时间分辨的分时能谱测量，也就无法开展快物理过程的诊断研究。通过设计高时间分辨的中子能谱仪，获取中子能谱随时间的演化信息，能极大地拓展中子能谱仪的诊断能力。.本项目首先通过优化磁分析系统的设计，减小反冲质子的时间歧离，突破磁分析系统对谱仪时间分辨的限制。其次，研发具有时间补偿和拉伸本领的电流型快响应电子倍增系统，减小在磁谱仪焦平面对反冲质子位置的高时间分辨探测及数据获取难度。通过本项目的研究，发展了全物理过程的磁反冲质子谱仪输运模拟程序，结合三维电磁场仿真模拟技术，对磁谱仪的磁分析系统进行优化，有效将反冲质子的飞行时间歧离缩小至百皮秒级；利用开发的程序分析了磁分析系统的磁极结构及分布、磁场强度、磁隙宽度、入射角度和偏转角度对能量分辨、传输效率、飞行时间歧离的相互关系，并设计验证实验对程序模拟结果进行检验，有效验证了三维程序的可靠性；完成了具有时间补偿和拉伸探测本领的快响应电子倍增器件的物理和机械设计，对电子渡越拉伸探测原理样机的阳极加压方式进行了细致仿真优化，并通过模拟实验分析了磁反冲质子谱仪的时间分辨，结果显示诊断时间精度可达20ps。基于本项目提供的技术方案，利用拉伸探测原理，可结合快响应MCP探测器实现磁谱仪高达20ps精度的时间分辨，极大地拓展了磁谱仪诊断能力，从而对ICF内爆物理时间过程进行诊断，达到了本项目的研究目的。