基于超快无机闪烁体的脉冲中子探测技术研究

The inertial confinement fusion (ICF) has the duration on the order of hundred picoseconds. In order to diagnose this ultrafast processes, high time-resolved neutron detection technology is required. New ultrafast ZnO crystal makes it possible to construct neutron detection system with picoseconds time response. Based on ZnO crystals, this project puts forward two kinds of fusion neutron detection system design: scintillation proton recoil detection system and detection system with reflection fluorescence collection structure. Compared with the traditional detection technologies, the time response of the new systems have significantly increased, and hopefully it will obtain a better application in the ICF fields. In addition, our research contents will include response luminescence properties of ZnO materials for neutrons, protons, gamma rays and other irradiations. At present, reports about ZnO crystal as scintillation materials are still very scarce. International reports only include the response and luminescence properties of ZnO crystal irradiated by the alpha particles, X-rays. Further research of the characteristics of ZnO crystal for different irradiation response, can help to develop high performance ZnO crystal scintillation materials. Carrying out this project can not only provide higher time resolution for ICF, but also lays the foundation for developing high performance ZnO crystals and its application of other pulsed radiation detection.

惯性约束核聚变（ICF）持续时间仅百皮秒量级，诊断其物理过程需要超高时间分辨的中子探测技术。新型超快ZnO晶体的出现使构建具有百皮秒甚至更快时间响应的中子探测系统成为可能。基于薄膜ZnO晶体，本项目提出两种聚变中子探测系统设计方案：闪烁型反冲质子探测系统和具有反射式荧光收集结构的探测系统。与传统ICF聚变中子探测技术相比，时间响应显著提高，有望得到更好的应用。此外，ZnO材料对中子、质子、伽马射线等不同射线响应发光特性也是本项目研究主要内容之一。目前关于ZnO晶体作为闪烁材料的研究还很匮乏，国际上仅有少量关于ZnO晶体在a粒子、脉冲X射线照射下响应发光特性的报道。深入研究ZnO晶体对不同射线的响应特性，对于开发高性能的ZnO晶体闪烁材料有重要帮助。本项目的开展不仅可以为ICF诊断提供更高时间分辨的测量系统，同时可为高性能ZnO晶体闪烁材料的研制及其在其他脉冲辐射探测领域的应用奠定基础。

惯性约束核聚变（ICF）是一种涉及极端物理状态的超快核反应过程，为实现ICF聚变超快DT中子脉冲的准确测量，本项目探索并研究了基于新型超快闪烁体ZnO薄膜的聚变中子探测方法。.针对聚变中子时间谱和中子产额测量不同的诊断目标，分别设计并研制了“Z”型反射结构超快聚变中子探测器和基于ZnO的反冲质子光电靶室两种不同结构的新型中子探测系统，开展了关键性能实验研究。其中，“Z”型反射结构超快聚变中子探测系统采用聚乙烯+ZnO晶体薄膜的组合结构作为中子探测灵敏单元，采用非球面凹面镜进行光收集，有效解决了光电探测器直照干扰问题，时间响应可以达到百皮秒之内，比传统的超快塑料闪烁体提高约一个量级；反冲质子光电靶室采用ZnO晶体薄膜与超快响应的光电探测器代替传统的Si-PIN探测器，使反冲质子靶室系统的时间响应由几十纳秒提升至亚纳秒水平，同时实现了系统灵敏度在6个量级范围内自由调节，更有利于实际测量。.为解决类似ZnO等发光极弱且特别快的闪烁体实验困难，研究建立了射线激发闪烁体发光特性实验平台和方法。实验测量了一系列ZnO晶体样品在射线激发下发光效率、发光衰减时间、发光光谱等基本特性参数，获得了水热法生长的ZnO:Ga晶体发光参数随Ga掺杂浓度变化的基本规律曲线，首次发现ZnO:Ga发光衰减时间随激发离子而变化，表明ZnO:Ga晶体具有粒子波形甄别能力。.此外，通过与国内研究单位合作，在大面积高质量ZnO晶体闪烁体的研究上也取得重要突破，目前可以获得ZnO单晶薄膜直径达到2英寸。利用大面积ZnO晶体，开展了脉冲X射线瞬态辐照成像相关研究，获得短曝光实验图像，初步实验结果表明ZnO晶体在脉冲X射线成像领域也有较好的应用前景。