大阵列中子探测器时序控制器研制

摘要

高温高密度热核点火是ICF研究的核心问题。根据劳森判据，激光聚变过程中，燃料面密度<ρR>≥0.4/cm<'2>时才有可能实现热核点火。因此，随着ICF研究的日益深入，<ρR>的诊断变得越来越重要。“神光Ⅲ”原型将主要进行二维效应非对称内爆，这种条件下的中子产额是很低的。考虑到制备氚靶昂贵的价格和安全性，无论是国际上进行的内爆实验还是将来在“神光Ⅲ”原型上进行的内爆实验，都是以充纯氘燃料为主，这种条件下的中子产额更低，“神光Ⅲ”原型上进行的内爆实验，估计次级中子产额只有10<'5>-10<'6>。通过测量充纯氘燃料靶丸的次级中子能谱，可以给出高压缩状态下的<ρR>。同时，通过次级中子能谱，还能分析影响ICF内爆的各种物理过程，达到了解各种内爆中靶丸的压缩程度、燃料的燃烧情况和优化各种靶及黑腔的设计的目的。为了在这样低的中子产额条件下获得离子温度T<,1>和<ρR)，需要建立一套大面积中子探测器阵列测量中子的飞行时间谱。大面积中子探测器阵列系统目前儿乎是国际上使用的唯一探测手段，已成为诊断T<,1>和<ρR>的标准技术。美国、日本和英国都在进行这种技术的研究，并建造了儿套探测器阵列系统。 在“神光Ⅲ”原型上进行的ICF实验对大面积中子探测器阵列的探测指标要求为：其次级DT中子探测水平达到4×10<'5>，中子飞行时间谱时间分辨对应的中子能量分辨(FWHM)达到90ke V。根据这些要求，结合“神光Ⅲ”原型装置实验现场的条件，并参考国外ICF实验装置中大面积中子探测器阵列的设计和达到的性能指标，可以计算出“神光Ⅲ”原型的大面积中子探测器阵列的规模为：960个通道、飞行距离16.67米、DT中子探测效率约为20％1同时要求大面积中子探测器阵列测得的中子飞行时间谱总的时间分辨要求达到1.0ns，其中，对电子学系统总体时间分辨更是要求达到100ps。 由于“神光Ⅲ”原型的控制、测量及数据采集设备大多是基于标准VME机箱而设计为了能实现中子探测器阵列与ICF实验数据采集和处理系统的无缝对接，同时保证系统有较高的可靠性、较强的互换性和可维护性，其电子学系统将基于VME 6U标准机箱来设计。中子探测器阵列的复杂的电子学系统被划分为几个测量模块，每个模块都只需要实现某一个或几个功能，几个模块连接起来，就能组成一套完整的测量系统。 在“神光Ⅲ”原型上进行ICF内爆，会产生x射线、谢线、初级中子和次级中子等粒子。此外，在准备实验时，宇宙射线也会进入闪烁体，对电子学系统的测量产生干扰，使得电子学系统测量无法正常进行。为保证电子学系统测量次级中子能谱时不受干扰，必须在系统中加入时序控制模块，产生相关控制信号。 本文介绍了用于“神光Ⅲ”原型装置人阵列中子探测器时序控制组件，其土要功能是产生中子探测器系统所需的时序控制信号，送到后面的时间测量和幅度测量系统。此外还介绍了用于测试的扇出组件。最后将电子学系统联合起来作了总体时间分辨的测试，测试结果表明，电子学系统达到了设计要求，电子学时间分辨达到了100ps，也能满足使用需求。此外，为了模拟ICF实验时中子探测器阵列的运行情况，用宇宙线击中闪烁体并在两个光电倍增管中产生的信号作为电子学系统的输入，对整个探测器和电子学系统作了整体性能测试，并对采集到的测试数据作了幅度游动效应的修正。最终结果表明，中子探测器阵列原型的总体时间分辨约为664ps，满足实验的需要。本论文的主要创新之处在于： (1)针对国内的ICF实验装置首台大面积中子探测器阵列的特点，研制了电子学系统原型中时序控制模块，并成功的达到了预明设计目标。它是电子学系统的重要组成部分，产生的控制时序有效地屏蔽了干扰，使得整个测量系统正常工作。 (2)针对16通道的测试要求，设计了1：16模拟扇出板，使得电子学系统的测试顺利完成。

目录

文摘

英文文摘

声明

第一章引言

1.1 ICF实验简介

1.2 ICF实验的基本概念和物理过程

1.3“神光-Ⅲ”原型装置

1.4国外ICF中子飞行时间探测器简介

1.5论文的目的和章节安排

第二章ICF内爆燃料离子温度和燃料面密度的测量

2.1 ICF实验诊断的对象和目的

2.2 ICF实验物理诊断包含的内容

2.3 ICF实验中子能谱

2.4大阵列中子探测器系统的设计目标

2.5中子测量方法

2.6大阵列中子探测器性能分析

2.6.1引起测量误差的主要原因

2.6.2大阵列中子探测器系统框图

第三章16通道探测器原型系统设计

3.1探测器原型系统基本性能

3.1.1 闪烁探测器—光电倍增管性能

3.1.2电子学输入信号特征

3.1.3 ICF实验中子到达探测器的时间测量

3.1.4输入信号的幅度测量

3.2电子学原型系统硬件设计

第四章大阵列中子探测器时序控制模块的设计

4.1 nTOF时序控制模块功能技术指标

4.1.1同步信号

4.1.2禁止信号

4.1.3 START信号

4.1.4 STOP信号

4.1.5中断信号

4.2精密时间延时的实现

4.2.1常见的延时实现方法

4.2.2时序控制模块中延时的实现

4.3控制模块的实现

4.3.1控制模块的结构

4.3.2测试脉冲

4.3.3信号的输出方式

4.4小结

第五章系统性能测试

5.1测试内容

5.2测试方法及平台的搭建

5.3测试结果

5.3.1电子学系统整体性能测试

5.3.2探测器系统总体性能测试

第六章扇出模块的设计

6.1扇出模块功能技术指标

6.1.1通道数

6.1.2输入信号

6.1.3输出信号

6.2扇出模块的设计

6.3扇出模块的性能

6.3.1幅度增益线性测试

6.3.2带宽测试

6.3.2一致性测试

6.4小结

第七章总结与展望

7.1本论文工作总结

7.2今后工作的展望

参考文献

在学期间发表论文情况

致谢