聚变中子能谱测量系统脉冲中子灵敏度的实验研究

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1、物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.24(2013)245203聚变中子能谱测量系统脉冲中子灵敏度的实验研究*祁建敏周林蒋世伦张建华(中国工程物理研究院核物理与化学研究所,绵阳621900)(2013年1月13日收到;2013年9月10日收到修改稿)为多种复杂环境下的稳态和脉冲DT聚变中子能谱测量建立了一种灵敏度优化反冲质子磁谱仪.使用成像板和同位素a源测量了谱仪的反冲质子能量-位置投影关系.利用稳态加速器中子源平台、通过单粒子计数方法结合三维带电粒子输运程序模拟,研究了谱仪脉冲中子灵敏度能量响应.通过高探测效率参数设置使谱仪对DT中子的探测效率达到2×10−

2、5cm2水平,从而在较弱中子源上获得了较高统计精度实验数据.程序模拟结果与谱仪a粒子刻度和DT中子标定实验结果取得了良好的一致性,可由此发展精细解谱技术,以提高脉冲中子能谱测量的灵敏度和能量分辨.关键词:聚变中子能谱,磁反冲质子,脉冲中子灵敏度,粒子输运PACS:52.70.Nc,29.30.HsDOI:10.7498/aps.62.245203验结果.中国工程物理研究院(CAEP)研制了一1引言种用于多种复杂环境稳态和脉冲DT聚变中子能谱测量的紧凑型MPR谱仪原型(cMPR)[9].该聚变反应产生的中子携带等离子体中心区域谱仪采用45◦反冲角、小体积永磁分析磁场、的重要信息,

3、如离子温度、燃料密度和聚变功率短束流传输线和稳态/脉冲两用探测器阵列,对等[1;2],测量由于离子热运动而产生的聚变中子能DT中子的能量分辨率在3%7%之间,探测效率谱多普勒展宽(Dopplerbroadening)可以确定等离在10−8量级,脉冲测量灵敏度在10−20C·cm2量子体中心区离子温度[3].惯性约束聚变(ICF)实验级[10;11].当前脉冲中子能谱测量需要对该谱仪中,由初级DT中子能谱的多普勒展宽可以确定相原型进行改进,以提高716MeV区间的脉冲中应的离子温度和初级中子产额,由初级中子产额和子灵敏度.为此采用30◦反冲角、大面积反冲靶、相应的散射(down-

4、scattered)中子产额可以精确测较大气隙分析磁铁和大面积PIN探测器等改进量靶丸燃料面密度[4].对于脉冲中子能谱,通常用方式,希望将谱仪对DT中子的探测效率提高到于稳态(或准稳态)中子能谱的单粒子计数、脉冲10−6水平、脉冲测量灵敏度提高到10−18C·cm2幅度分析和符合测量等方法不再适用,需要采用特量级.殊的测量手段如飞行时间法和反冲质子磁分析法.反冲质子磁谱仪脉冲中子灵敏度(单位C·cm2)反冲质子磁谱仪(magneticprotonrecoil,M-表征对于单位通量密度(单位n/cm2)的入射中子,PR)是测量高功率聚变装置中子能谱的一种新谱仪探测器的输出电荷量

5、(单位C),其能量响应主型高性能诊断仪器,通过反冲质子磁分析技术要通过理论计算和实验标定获得[12;13].实验标定将中子能量信息转化为反冲质子的空间分布信直接给出某一给定能量中子的脉冲测量灵敏度,同息[5;6].欧洲联合环(JET)建造的MPR谱仪[7]时验证灵敏度的理论计算结果.实验所需单能脉冲和美国OMEGA,NIF装置建造的磁反冲谱仪[8]中子源应使测量点处中子通量大于1015cm−2·s−1,已经开展了大量实验工作,并取得了较好的实而现有束-靶加速器脉冲中子源强度难以达到*国家自然科学基金青年科学基金(批准号:11005095)和中国工程物理研究院科学技术发展基金(批

6、准号:2011B0103017)资助的课题.通讯作者.E-mail:qjm06@sina.com⃝c2013中中中国国国物物物理理理学学学会会会ChinesePhysicalSocietyhttp://wulixb.iphy.ac.cn245203-1物理学报ActaPhys.Sin.Vol.62,No.24(2013)245203要求.因此考虑在稳态加速器中子源上通过单粒子铁和焦平面探测器等方面对谱仪进行了改进,如图计数法测量时间积分焦平面反冲质子多道能谱,结1所示.合谱仪三维带电粒子输运程序[10]模拟,最终确定将MPR的n-p反冲角由cMPR谱仪的45◦减能量分辨率、探测

7、效率和脉冲测量灵敏度等关键小为30◦,使14MeV中子对应的反冲质子平均能参数.量(正比于cos2qnp)由7MeV提高到10.5MeV,n-p散射微分截面(正比于cosqnp)提高22.5%,进而提2灵敏度优化反冲质子磁谱仪(MPROS)高了入射反冲质子的通量.增大(CH2)n反冲靶厚度和面积可提高反冲质MPR探测效率和灵敏度性能主要由n-p反冲子产额,但也使反冲质子在反冲靶中的电离损失增角、反冲靶厚度和面积、分析磁场入射立体角、大,导致焦平面反冲质子束斑变大、谱仪能量分辨焦平面探测器接收