（物理电子学专业论文）大阵列ntof谱仪中时间测量和控制系统原型的研制.pdf

摘要 以强激光为驱动器的惯性约束核聚变( i c f ) 研究在八十年代末就己作为我 国高技术研究发展计划的一个主题项目，旨在跟踪研究先进的强激光战略防御技 术和利用强激光技术发展起来的惯性约束聚变研究技术，是极为复杂的多学科跨 世纪的系统研究工程。因此i c f 领域研究工作的开展无论对国民经济、军事应用， 还是基础学科探索都有着重要而特殊的意义。 来自i c f 核聚变的核反应产物可以用来研究等离子体特性。因为核反应产物 仅仅在燃烧时刻产生，而且仅产生于燃烧的燃料区，研究核反应产物可以得到很 多关于靶丸内爆中心的信息，并且与其他测量技术相比受到多因素的干扰较少。 惯性约束核聚变的最终目标是实现可控热核聚交，其标志之一是产生核聚变 产物一中子。实验时，反应物( 燃料) 离子温度乃和平均密度半径积( 胛) 是两个重 要参量，可以用来诊断靶丸内部是否发生核聚变反应。实验聚变产生的初级中子 是单能的( d d 反应产生的中子能量为2 4 5m e v ：d t 反应产生的中子能量为1 4 1 m e v ) ，但是因为燃料离子热运动，会造成单能初级中子的能量离散。测量初级 中子能谱的离散大小就可以得到离子温度：而通过测量次级中子能谱，可以给出 高密度压缩状态下的 o 3 ( g c m 2 ) 。 惯性约束聚变的物理过程大致分为如下三个阶段【4 j ，如图1 一l 所示： 激光束靶物质能量耦合：激光能量转换为等离子体能量，含能量吸收、x 光转换及输运。 球形聚爆：靶丸表面被烧蚀时，产生高速向外运动的气流，该过程类似于火 箭排气，产生反向压力，驱动靶丸内爆，进而压缩、加热心部d t 燃料。 热核材料心部点火及燃烧：d t 燃料心部达到高温、高密度时产生聚变反应， 反应产生的d 粒子进一步加热燃料，使整个靶丸发生聚变反应。 激光疆射 强激光束快速加热内爆鹰缩聚变点火聚变燃巍 氘氚靶丸表面，形成 靶丸表面热物质向通过向心聚爆过程，熟核燃烧在被压缩 一个等离子体烧蚀外喷发，反向压缩燃氘氚核燃料达到高燃料内部蔓延，产生 层。料。温、高密度状态。能h 着益。 图1 1i c f 实验物理过程示意图 i c f 实验可分为直接驱动和间接驱动两种 9 1 。直接驱动是指驱动器( 激光或 粒子束) 均匀辐照靶丸；间接驱动是将激光或粒子柬能量先转换为x 光能，再 由x 光传热、烧蚀进而压缩靶丸。直接驱动能量利用率高，要求有高效、优质 ( 超热电子量少) 的吸收。其物理过程是：激光能量转换为电子能量，靠电子热 传导烧蚀靶丸表面。要求烧蚀表面压强均匀度 1 2 ，光学照明均匀性也应该 相应一致，然而这一点很难实现。间接驱动，也称x 光辐射驱动【1 0 , 1 1 ，在黑洞 靶内驱动器能源转换为x 光能，这些光能被限制在空腔内，实现靶丸均匀辐照、 烧蚀。因x 光辐射烧蚀对流体力学不稳定性有“致稳作用”，所以辐射驱动容易 实现近一维内爆压缩。辐射驱动的主要缺点是空腔壁存在能量耦合损耗【1 2 1 。 1 3“神光”原型装置 我国在八十年代和九十年代先后建成“神光i ”( 1 9 8 6 完成) 、“神光i i ”( 2 0 0 1 完成) 激光装置，达到当时国际同类装置的先进水平，在i c f 和x 射线激光等前 沿领域取得了一批国际流水平的物理成果。随着i c f 实验的不断发展和我国国 防建设的需要，我国正在积极筹建和预研我国的新一代大功率激光装置，即“神 光i i i ”装置。 2 图1 2 原型装置真空靶室结构示意图 “神光i i i ”原型是一台为建造“神光- - i i i ”的，纯粹研究激光技术的过渡装 置。为了满足物理实验研究的需要，决定将目标调整为在研究激光技术的同时， 还用于物理打靶实验。在规模上稍大于日本大阪大学的g e k k o 装置，为美国 劳伦斯利佛莫尔国家实验室( l l n l ) n o v a 装置的四分之一；在技术上属于第二 代高功率固体激光装置，与美国国家点火装置i b 】( n i e n a t i o n a l i g n i t i o nf a c i l i t y ) 、 法国兆焦耳装置( l m j ) 相当。如果“神光i i i ”原型装置投入试运行，将大大缩 短技术上的差距，并为“神光i ”主机的工程实施在高功率激光驱动器科学和工 程技术方面奠定良好的基础。为核爆模拟物理实验提供万焦耳级打靶能力，从而， 把我国核爆模拟实验研究工作不间断地向前推进。 1 4国外i g f 装置的介绍 由于目前国内i c f 领域的研究还是起步阶段，硬件和软件都还不成熟，相比 较而言，国外的i c f 领域要领先一些。所以我们在设计的时候，参考了国内外的 一些类似的i c f 系统。 目前正在美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室建造的n i f ( n a t i o n a li g n i t i o n f a c i l i t y ) 国家点火装置【1 3 1 ，是一个如体育场大小的大型装置，它包括1 9 2 束激 光、1 8 兆焦耳、5 0 0 太瓦、3 5 1 一啪激光的激光系统和一个直径为l o 米的靶 室，靶室提供的空间可进行近1 0 0 项实验诊断。n i f 由美国国家核安全局建造， 建成以后它将是世界最大的激光实验系统，并将成为研究惯性约束聚变( i c f ) 与在极端能量密度和压力条件下物质的物理特性的国家研究中心。n i f 的1 9 2 束高能激光可将聚变靶压缩达到能够点火和燃烧的条件，释放出高于初始聚变反 应所需的能量。n i f 实验将允许研究在接近1 亿k 温度和1 千亿倍大气压力条 件下的物理过程。这些条件在自然界仅存在于星体内部和核武器爆炸中。 综合计算机控制系统集成超过4 0 0 0 0 个控制点来管理1 9 2 个激光束，这些激 光束在2 5 纳秒内会传送2 兆焦的光能，结果是一种可以产生能量的惯性融合反 应，类似于小太阳的点燃。 1 5论文的目的和章节安排 论文的内容安排如下： 第一章：引言介绍i c f 物理实验概况以及国内外i c f 实验的发展情况。 第二章：介绍i c f 实验中利用核反应产物来进行燃料离子温度和燃料面密度 测量的原理，以及大面积中子探测器阵列的原理和国外i c f 实验大面子中子阵列 的一些情况。 第三章：提出和讨论用于“神光3 ”原型的大面子中子探测器阵列的设计方 案。介绍和讨论大面子中子探测器阵列的电子学系统。 第四章：对大面子中子阵列的电子学系统中的时间测量模块的设计进行论 证，并介绍了目前的原型方案。 第五章：讨论了大面子中子探测器阵列的电子学系统中控制模块的设计。 第六章：介绍了大面积中子探测器阵列电子学系统中其他的功能模块的设 计，包括放大定时甄别模块、幅度采集模块、扇出模块等等。 第七章：对大面子中子探测器阵列的电子学系统的时间测量模块的性能测试 以及对整个电子学系统的性能测试。 第八章：总结和展望。 论文最后是配合论文正文的参考文献、在学期间发表的论文记录及致谢。 4 第二章i c f 内爆中燃料离子温度和燃料面 密度的测量 2 1i c f 实验的等离子体的核诊断 激光打靶产生的高温高密度等离子体，这样的等离子体产生的辐射遍布整个 电磁波谱。即从微波谱段、光学谱段，x 光谱段直到硬x 光谱段，它还发射大 量的电子、中子、d 粒子和其它状态的粒子。所以i c f 物理实验采用的诊断手段， 几乎涉及到所有辐射测量技术1 1 4 一卯。 来自核聚变的核反应产物可以用来研究等离子体特性【埘。在i c f 研究中， 核产物对于探测燃烧的燃料区特别有用，因为所产生的能量高达数m e v 的粒子 穿透能力特别强，可以从内爆中心逃逸出来【1 6 1 ，比如很多i c f 测量技术都利用 了中子。同时，通常核反应产物仅仅在燃烧时刻产生，而且仅产生于燃烧的燃料 区，因此，i c f 内爆这个重要部分的测量与其他技术相比是受到多因素的干扰较 少。 目前，利用核反应产物可能进行的测量包括中子产额、燃料离子温度、燃料 面密度、推进层面密度、燃烧过程等等旧。 2 2燃料离子温度的测量 i c f 内爆时，如果核反应中，比如氘氚反应，参如反应的离子没有热运动， 那么从靶丸的外层产生的单能的中子，能量为1 4 i m e v ( 氘氘反应产生的中子能 量为2 4 5 m e v ) 。但是由于离子的热运动使得参与反应的离子对质心运动，运动 的速度和方向是随机的，服从麦克斯韦分布，因而导致中子能量的多普勒展宽， 中子的能谱的展宽量是燃料离子温度的函数。 1 9 7 3 年b r y s k 首先提出可以从中子能谱推算出i c f 实验靶丸的离子温度【l s 】。 他提出当假设：离子的其他非热运动可以忽略；i c f 靶核在空间上可以近似看成 点源，在时间上可以看作同时产生；中子飞越到探测器过程中基本上不发生碰撞 时，中子能谱是高斯型分布，半高宽( f w h m ) a e ( k e v ) 和离子温度t i ( k e y ) 有以下关系【1 5 】： a e = 1 7 7 互( 对应d d 反应) ， a e = 8 2 5 i ( 对应d t 反应) ， 5 i c f 内爆时典型的燃料离子温度为l l o k e v 。此时产生的中子能谱展宽量相 对较窄，因此需要用高性能的谱仪来测量。中子飞彳亍时间法是一种非常适合测量 i c f 内爆的方法只需要简单的测量中子飞过一段固定的已知距离的时间，中子 到达探测器的时间与中子的能量相对应，进而可以用飞行时间技术来测量中子能 谱。中子到达探测器的时间离散t 与燃料离子温度之间的关系可由下面的公式 给出t l s 】： a t = 0 7 7 8 d x t i( 对应d d 反应) ， a t = o 1 2 2 d 、t ,( 对应d t 反应) ， 其中t 为中子飞行时间的半高全宽f w i - i m t o k n s ) ，d 为靶核到探测器的距 离( m ) ，1 r i 为离子温度( k e v ) 。如果离子温度为4k e y 、距离为1 0m ，a t 分别为 1 5 5 6n s ( d d ) 和2 4 4n s ( d t ) a 1 9 9 0 年m a r u s s o t t o 和rl k r e m e n s 在美国罗彻斯特大学的o m e g a 谱仪 上用“电流型”e e - ? z 行时间探测器记录下中子能谱【1 9 1 ，并计算出离子温度。 实验时在距离d t 靶丸1 0 m ( 距离d d 靶丸则为1 8 n 1 ) 的位置放置一个b c - 4 2 2 型 快塑料闪烁体，直径3 8 1 e m ，厚度2 5 4 c m ，后端接一个r r tf 4 1 2 9 f 型微通道板的 光电倍增管。一台带宽为i g h z 的t e x t r o n i x7 1 0 4 型示波器用来记录从光电倍增 管出来的信号波形。对于i c f 内爆，中子在某一固定时刻( 相对于驱动源的出发 信号是己知的) 、在短的脉冲爆发时期( o i n s ) 从一个小区域( o 1 m m ) 发射 而来，因此上述的光电倍增管在一个给定的时间产生一个信号，该信号正比于入 射到塑料闪烁体上的中子通量。这个信号被示波器记录下来，信号波形的时间宽 度是中子能谱宽度的函数。m a r u s s o t t d 和r l k r e m e n s 从得到的信号波形，分 析计算得到的离子温度是2 3 o 8 k e y 。但是他们同时得出的结论是：要想计算 出可靠的离子温度，必须有足够多的中子击中探测器并被记录下来。计算的结果 表明d t 靶丸实验探测器需要记录到至少2 5 0 个中子事例，这意味着在他们的具 体实验条件下，中子产额必须大于4 1 0 9 。在测量中希望探测到的中子数目多一 点，这要求探测器尺寸大一点、距离靶丸近一点；但是测量的同时又希望能量分 辨好一点，这又要求探测器小一点、距离靶丸远一点( 因为中子在大探测器的作 用时间不确定，这使得中子从靶丸到探测器的飞行时间不确定，同时大探测器的 光收集率很低) ，这种矛盾的冲突导致“电流型”测量只能适合于高的中子产额 或者高燃料离子温度的内爆实验 2 0 1 。 对于有些i c f 实验来说，中子产额都难以达到这个标准1 2 0 。 6 2 3 燃料面密度 肚) 的测量 燃料面密度 是i c f 内爆的一个重要的基本参量，可以通过核反应产物 的次级中子方法来测量【2 “恐i 。 初始时纯净的氘氘靶丸，会在内爆时发生如下反应： d + d 寸3 h e + n ( 1 ) d + d _ p + t t + d 一口+ 以 ( 2 ) ( 3 ) 反应( 1 ) 产生的是在纯氘聚变中观察到的2 s m e v 的中子；反应( 2 ) 产生 一个1 0 1 m e v 的氚。反应( 3 ) 是反应( 2 ) 中的氚引起的，因此叫做“次级”反 应，产生的中子称为次级中子。因为反应( 3 ) 中的氚能量很高，次级中子的能 量可以是i i 8 m e v 至1 7 1 m e v 之间的任何值，这取决于入射氚和出射中予之间 的夹角例。 假设大量高能氚垂直入射到一薄层氘，则发生核反应的几率为 p = c r ( 巨) 疗d 工 其中盯是能量相关的反应截面，是氘密度，x 是氘层的厚度。如果截面是 已知，那么测量p 就可以确定”dx 。同样，如果氚起源于球形靶丸内爆中心，那 么测量p 就可以确定燃料面密度( 厕。因为反应( 2 ) 与反应( 1 ) 的发生几率几 乎相等，产生的氚数日可以通过测量2 4 5 m e v 的中子产额来确定，因为产生的氚 数和产生的中子数目几乎相等；而参与反应( 3 ) 的氘数可以通过测量反应式( 3 ) 产生的1 1 8 1 7 1 m e v 次级中子来确定。因此通过简单的测量次级中子和初级中 子的产额比，确定核反应的发生几率p ，就可以确定燃料的面密度洲。 上面的理论都假设氚精确的起源于靶丸内爆中心，这对很多形成中心“热斑” 的内爆都是一个很好的假设。如果氚均匀的产生于整个内爆区( 典型的最差情 况) ，那么中心起源这个假设将带来2 5 的误差。 以上讨论没有考虑氚在参加反应前会被慢化。如果氚在燃料中充分慢化，则 反应截面会变大彤】。因此为了考虑这个问题，需要适当的知道慢化的氚的量。 氚慢化的主要机制是双电子碰撞，所以这种慢化强烈的依赖于电子温度。慢化随 7 着电子温度降低而增加。对于小的( 胂( 小于约1 0 m g c m 2 ) ，慢化小得不需要 修正， 脚可以简单的通过上述的次级初级中子产额来确定：对于较大得( 厕必 须测量慢化量以便更精确得确定，( 鹏随着氚慢化的增加，次级中子能谱变窄的 运动学效应，这种能谱的测量可以反映慢化信息，这也是把这种方法推广到更高 厕值时所必须的信息。当 脚高到氚可以慢化到接近热运动速度时，这种方法 就不再适用了，此时可以采用第三代中子 2 5 m ( 实际上留的位置达 2 8 m ，见图3 1 ) 。 3 1 2 靶室开孔 靶室水平面东经2 6 。和西经2 4 5 。各有一个q2 5c m 的法兰口。实测两个阵列 实际方位分别在水平面东经2 5 6 0 和西经2 4 8 0 ，与靶室开孔方位吻合。预计每套 阵列直径2 6 m ，实测东西方向的中子飞行距离分别为实测东西方向的中子飞行 距离分别为1 6 8 7 m ( 1 6 8 1 9 2 + 1 3 2 ) 和1 6 7 2 m ( 1 6 6 7 2 + l - 3 2 ) ，所以靶室壁东 西方向法兰盘口径分别不得小于2 0 8 m m 和2 1 0 m m ( 法兰盘端面到靶心距离 1 3 4 9 5 r a m ) ，靶室壁实际开孔直径2 5 0 r a m ，满足要求。 3 1 3 探测器铅屏蔽体 计划把屏蔽体做成一层固定的铅屏蔽墙，铅的厚度4 c m ，铅的两面各加l c m 厚的铁，用来屏蔽x 和y 射线。 3 1 4 探测器支架 以靶心为球心在探测器放置处设计两个球面形的探测器支架。每个支架有 4 8 0 个小格，这样每个探测器可以在小格里自由取放。 3 2 中子飞行谱仪的总体设计目标 参照国外的一些已建成的中子飞行时间谱仪球8 3 0 1 ，用于“神光- i i i ，原型装置 的中子飞行时间阵列谱仪，提出了如下的技术指标要求【2 9 】： 对应9 6 0 个探测器，信号通道的总数目为9 6 0 个通道，平均每次中子数目为 2 5 0 - 5 0 0 个，即每次平均有一半的探测器通道上有信号。在离子温度为4k e v 时， 中子的飞行时间谱最小宽度约为4 n s ( 对应d t 反应) 。要求：时间测量的动态范 围( 最大) 为1 0 0 0 n s ( 为了进行燃料面密度 腑的测量) ，每个通道的总时间分 辨为1 0 0 0 p s ，电子学系统时间分辨为l o o p s 。 对探测输出要求：输出阻抗为5 0 f 2 ，探测器输出为电流脉冲，幅度为1 6 m a 0 ， 输出前沿小于1 0 n s ，时间晃动小于8 0 p s 。 对触发信号要求：正极性脉冲信号，时间晃动小于4 0 p s 表l 是和国外中子探测器阵列基本参数的比较。 激光装置n o v ag e k k ox i i 神光3 原型 阵列名称 l a n s am a n d a l a 中子飞行距离2 0 m1 3 5 0 m1 6 6 7 m 探测效率e d t 2 7 3 0 2 0 中子探测水平2 1 0 j1 1 0 ， 4 l o ， 能量分辨( 1 4 1 m e v 中子)1 7 0 k e v2 7 0 k c v9 0 k e v 表格3 1 几个中子探测器阵列基本参数的比较口。7 “3 0 l 3 3中子飞行时间谱仪的时间分辨 影响中子飞行时间谱仪的时间分辨的主要因素有探测器的固有时间分辨、电 子学系统的时间晃动、通道一致性、通道之间信号串扰等方面。 3 3 1 探测器的固有时间分辨 当采用闪烁计数器作为谱仪的探测器时，影响时间分辨的因素主要有两个： 一是光电倍增管( p m ) 中电子传输时间的变化；二是由噪声引起的涨落。电子 传输时间的变化主要由电子的传输路径不同和光阴级发射电子的能量不同引起 的，其时间晃动为： 址一藤 其中，m e 为电子质量，e 为电子电荷量，e 为电场强度，w 为电子垂直于 光阴极的动能。 3 3 2 电子学系统的时间晃动 由于噪声的影响，不仅会使信号的定时沿的形状发生变化，影响定时精度； 同时噪声也会叠加在比较器的基准电平上，使测量产生误差。 中子入射到探测器打出反冲质子，其能量是连续分布的，因而探测器的输出 信号幅度分布范围很大【3 l j 。采用前沿定时技术时，由输出幅度不同引起的定时 误差称为幅度游动效应p 2 l 。为了减少幅度游动效应，通常在电子学中采用恒比 定时技术p 列来减少这个效应的影响，但是采用恒比定时技术会导致电路设计复 杂化，成本高昂，不适合中子阵列飞行时间谱仪这种多通道的大型物理实验装置。 在多通道的大型物理实验装置中，比较常用的方法是进行时间测量的同时，也对 信号的幅度进行测量，然后进行离线修正，以减小游动效应给离子温度测量带来 1 4 的误差叫。 3 3 3 通道一致性 大面积中子探测器阵列飞行时间谱仪可以用来测量中子产额较低时的中子 能谱，其实质是采用很多个探测器通道，以代替“电流型”测量方法中只用一个 通道来接收中子，使接收中子的有效面积大大增加，从而提高了测量的灵敏度， 这种方法对通道的一致性要求非常严格，否则会使中子能谱进一步展宽，给离子 温度测量带来新的误差。 3 3 4 通道间的串扰 在多通道探测器系统中，当某个通道有信号时，与其相邻的几个通道会出现 小的干扰信号，这种现象称为“串扰”。如果串扰信号叠加到真信号上，就会对 测量产生影响。一般情况下，串扰信号的幅度不大，对幅度测量的影响不大，但 如果作时间测量，有可能产生比较大的影响，通常会产生4 0 - 4 0 0 p s 的测量误差。 引起串扰的因素很多，空间感应，地线电源线跳动，电路板的分布参数的耦合， 以及芯片内部的固有串扰等都是产生通道间串扰的因素3 钉。 3 3 5 电子学系统误差 谱仪总的时间晃动为： 0 = 0 1 2 + g + o 孑 其中o l 为探测器的固有时间晃动，0 2 为激光触发信号的时间晃动，a 3 为电 子学产生的时间晃动。要求谱仪总的时间分辨为1 0 0 0 p s ，分配给电子学的时间 晃动为l o o p s 。 3 4谱仪系统实现路径 为了达到最终的设计要求，谱仪系统的实现将分成二个阶段：原型设计和系 统集成【3 6 】。 3 4 1 原型设计 原型设计将根据物理目标提出的要求，建立一个基于v m e 总线标准的1 6 个通道的飞行时间谱仪原型系统。建立原型系统的目的有两个：一是对飞行时间 谱仪本身进行研究，研究如何满足谱仪时间分辨需求、总的时间分辨和各部分时 间误差的分配、以及软件系统的开发；二是利用原型系统对组件进行测试，以保 证各组件误差小于所分配的误差，在大型谱仪系统的设计和使用中，原型系统对 1 5 关键组件的选型和开发、提高组件的性能价格比都将起到很重要的作用。 1 6 通道电子学原型系统结构如图3 2 所示。原型系统采用国际上流行的v m e 标准。系统中各功能模块都是基于v m e 总线系统的，其中放大定时甄别模块对 光电倍增管输出的模拟信号进行前沿定时甄别，提高时间信号给时间测量模块， 用于测量中子飞行时间；同时提供幅度信号给幅度测量模块，供其记录下信号相 应的幅度大小。这样，每个通道在事例到来时，通过时间测量模块记录飞行时间 的同时，幅度采集模块记录下信号相应的幅度大小，供离线分析时修正幅度一时 间游动效应。 图3 21 6 通道原型结构 3 4 2 系统集成 系统集成包括硬件组装和软件开发两部分。 3 4 2 1硬件组装 图3 3 给出了电子学硬件设备总框图。 所有的电子学硬件以1 6 个通道构成一套组件，包含一个放大定时甄别模块 ( a 1 d ) 、时间测量模块( ) c ) 、幅度采集模块( a d c ) ；每个v m e 机箱可以 放置5 套组件，共计需要1 1 个v m e 机箱：控制模块和扇出模块放置在单独的 控制v m e 机箱，由它们向各个通道提供各种时序控制信号，同时向控制计算机 发出中断请求，提示其通过以太网从各个机箱的不同通道采集时间数据和幅度数 据。控制计算机还需要提供图形显示、参数设置、数据库服务和数据分析等功能。 1 6 同步信号 管信号 臂信号 图3 3 电子学硬件设备总框图 3 4 2 。2软件开发 软件包括两部分：一是用于硬件测试的软件，它包含了对不同硬件设备的测 试方法和测试标准；另一部分是用于中子飞行时间测量的数据获取和分析软件， 它包含中子飞行时间的数据获取，数据库修正，在线控制，数据分析，以及与i c f 系统中其它系统的接口等。 3 5测试 3 5 1 原型样机的建立 1 6 通道原型样机实际上就是一个整个电子学系统的最小组成单元，利用这 个样机可以进行电子学组件测试，通道一致性测试，串扰测试，稳定性测试，探 测器与电子学联合测试，以及软件的开发和调试。 3 5 2 组件测试 对每一个要用在谱仪上的探测器和电子学设备都要经过仔细的测试，以 确保其性能指标满足要求。各组件的测试数据将保存在数据库中，以便将来用于 数据修正。 探测器：测试每个中子探测器的性能指标。 电子学组件：测试电子学组件中每一个通道的时间响应和晃动，放大倍数， 组件中通道的一致性。主要测试的组件有：定时甄别器，t d c ，放大器，a d c 。 1 7 3 5 3 系统测试 1 ) 一致性： 这里的一致性包括了探测器和电子学组件的整体一致性，虽然在建立系统时 对每一个安装在系统中探测器和电子学设备的一致性都有严格的要求，但仍然需 要对每一个通道从探测器到电子学输出的一致性进行测试，使其整体一致性满足 要求。测试数据将保存在数据库中，以便将来用于数据修正。 2 ) 串扰： 在多通道系统中，串扰是不可避免的，对时间测量系统，当定时沿受到串扰 信号影响时，将会带来很大的测量误差，由其引起的定时时间晃动大约在 4 0 - 2 0 0 p s 之间。串扰主要发生在相邻通道之间。由于串扰具有随机性，捕捉比较 困难，所以对其测量需要一些特殊的手段和设备p 3 1 。 3 ) 稳定性： 谱仪实际使用时通常是连续运行数小时到数周，因此谱仪的长期稳定性指标 由为重要，通常要求2 4 小时偏差小于l o o p s 。 4 ) 软件可靠性： 对硬件的测试过程实际上也在检验软件的可靠性。软件的开发过程应遵循螺 旋模型开发原则，在测试应用中发现问题，并加以解决。 5 1 标定： 在正式用语中子测量之前，需要对系统进行标定，包括t d c 步长标定，公 共停止信号的延迟标定，a d c 量程标定，探测器标定，幅度游动修正系数标定 等。标定的数据将保存在数据库中，用于将来的数据修正。 3 5 4 放射性测试 谱仪最终是要用于中子飞行时间的测量，因此在正式用于神光实验之前还需 要进行宇宙射线和中子源测试。中子在探测器中的能量沉积是连续分布，宇宙线 在探测器中的能量沉积也是连续分布( 当然能量范围有所不同) ，进行宇宙线的 综合测试比较接近探测中子的实际情况。因此可以用来测试电子学系统的“幅度 一时间”修正能力。最后采用中子源测试，对谱仪系统进行标定。 3 6小结 利用大面积中子探测器阵列飞行时间谱仪，可以在低中子产额的条件下获得 中子能谱，从而获得有关燃料离子温度和燃料面密度的信息。为“神光3 ”原型 1 8 装置设计的大面积中子探测器阵列飞行时间谱仪飞行时间谱仪，要求探测系统的 时间分辨为1 0 n s ，即能量分辨9 0 k e v 。围绕这个目标，本章讨论了该大面积中 子探测器阵列飞行时间谱仪的总体结构，影响其时间分辨的因素，大面积中子探 测器阵列飞行时间谱仪的实现的二个阶段，并提出了对其各个组件的测试任务和 目标。 1 9 第四章大面积中子探测器阵列的时间测 量模块 4 1 大面子中子阵列的时间测量模块指标要求 在建的“神光3 ”原型装置即将安置大面子中子阵列，由于大面积中子探测 器的通道数较多，时间测量精度要求高，为了确保大面积中子探测器阵列的顺利 建成，需要先进行原型系统的设计，以期解决探测器和电子学记录系统的关键问 题。同时，原型系统还将作为工程中批量生产时各组件的测试平台。为此，首先 研制一个由1 6 个探测器和电子学通道的原型系统。 根据i c f 实验的物理目标和大面积中子探测器的批量生产需求，原型系统的 一些电子学主要技术指标如下： 闪烁体荧光衰变光电倍增管上升时间探测器总时间晃动总通道数 时间l 蚓 0 9 n s 0 9 n s 0 9 n s 1 6 测量范围系统的时间分辨( 盯)通道一致性稳定性 l l o o o i o a s5 2 4 h 偏差小于1 表格4 1 原型系统的一些电子学技术指标 为了给闪烁体探测器和光电倍增管的设计留下足够的设计余地，对原型电子 学系统的时间分辨要求为l o o p s ，其中对时间测量模块的时间分辨要求为6 5 p s 。 4 2精密时间间隔测量技术 高能物理实验中，时间间隔测量是一种重要的技术。尤其是在以下两个方面， 更是需要精密的时间间隔测量： 1 ) 用于带电粒子的粒子飞行时间( t u n eo f f l i g h t , t o f ) 测量。 2 ) 用于粒子径迹测量的电离电子的漂移时间测量。 由于物理实验的性质不同，对实验系统里的时间测量系统有不同的要求。但 是总体而言，物理实验，尤其是高能物理实验中，对于时间测量系统的要求，一 般都集中在以下几个方面【3 7 棚1 ： 时间测量精度指标。这不仅指时间分辨( r e s o l u t i o n ) ，同时也指测量精度， 或者说测量不确定性。时间分辨也可以用量化值( l s b ) 代替。目前达到的最高 的测量水平，这两者都在2 5 p s 左右。 2 0 时间测量范围。不同的实验要求不一，从0 至数百n s 不等，甚至可能要求 到u s 数量级【3 。1 系统的死时间。这同时也代表着系统的多事例的击中能力。对于较高事例率 的实验，对此要求极为严格，因为死时间越长，在较高事例率的实验时就可能造 成堆积。死时间越小越好。 数据的快速读出能力。通常这和搭载时间测量系统的总线有关，比如v m e 、 v x i 或者p c i 总线。但是如果设计不好，数据的读取能力较低，有可能导致系统 的死时间增加。 时间间隔的测量触发方式和工作模式。不同的工作模式可能带来不同的时间 分辨，不同的触发方式可能需要不同的时序控制逻辑，通常这和具体实验相关， 但是为了适用于不同场合，还是希望系统能够具备灵活多样的触发方式和工作模 式。 通道的集成度和成本。大型的物理实验有时需要几百个乃至几千个通道来同 时进行时间测量，因此时间测量系统的通道集成度，是一个必须考虑的指标。 4 2 1 时间测量的基本概念和原理 无论采用怎样的方法和手段，所有的时间测量系统都是为了测量两个信号的 时间间隔，或者说时间差。因此系统都具备如图4 1 的结构： 哥 开始 i 甄别i 时 间 测 图卜 停止 量 l 甄别i 图4 i 时间测量的概念 输入的物理事例的模拟信号，经过定时甄别电路，转换成为数字逻辑信号， 该信号具有物理事例的尽可能精确的时间标记信息。接下来的时间测量模块接收 到开始和停止信号，进行时问间隔编码，得到的数据反应出v 1 和v 2 的时问间 隔，输入到数字处理设备，进行数据分析，从而完成时间测量。 因此完整的时间测量，包括时间信号的捡出，和时间信息分析。 2 i 4 2 2 定时技术 送到时间测量模块的开始和停止信号，在时问上要求和送到定时甄别的物理 事例的模拟信号能够精确的对应。因此定时甄别的精度，直接影响到时间测量的 精度。常用的定时甄别方法包括前沿定时、过零定时和恒比定时三种【3 2 j 。 4 2 2 1前沿定时 采用高速比较器，将输入信号与一个预先设置的阈值进行比较，以比较器输 出信号的前沿作为信号出现的时刻。随着高速芯片的发展，这种前沿定时的方法 实现起来电路简单，定时精确。但是因为探测器提供的模拟信号存在幅度随机涨 落的现象，而前沿定时的阈值是固定的，因此输出信号的前沿的出现时刻，会随 着输入的模拟信号的幅度涨落而移动，这种移动的现象就叫做“幅度时间游动” 效应( t i m ew j l k ) 。 在前沿定时的基础上，加入高阈值甄别和符合等电路，就可以实现双阈甄别。 双阈甄别可以避免噪声和其他干扰信号的影响，又可以保留低阈值甄别的时间信 息。这里不再介绍。 4 2 2 2 恒比定时和过零定时 为了克服前沿定时的幅度一时间游动效应所带来的较大的时间晃动，可以采 用恒比定时和过零定时的方法。恒比定时的原理如图4 2 所示： 豁h 黼倒相卜+ 相 过 加 零 甄 7 u 延时i - - 器 别 图4 2 恒比定时的原理 把输入的信号劈成两路：一路经过衰减、倒相后，和经过一定延时的另一路 在相加器后送到过零甄别器，过零甄别器在组合后的双极性信号的过零时刻捡出 信号。过零时刻和输入信号幅度无关，且此时刻任何信号的信号值和总幅度的比 值为一个恒定值，因此这种恒比定时的方法可以有效的克服幅度一时间游动效 应。但是实现这种方法的电路比较复杂，不太适合于大规模、多通道的物理实验， 因此常在较小规模的核物理实验中应用。 4 2 3 时间一数字转换技术 时间测量的最终结果是数字化的数据，因此时间一数字变换技术是时间测量 的关键技术之一。随着技术的提高和对更高测量精度的追求，不同的时间一数字 转换技术先后出现，代表着时间测量技术的不同阶段。随着全数字计数器技术和 时间内插技术的发展，时间一数字转换技术已经发展到一个全新的高度，各种技 术指标都大大提高。 4 2 3 1 常用的时间一数字转换技术 常用的时间一数字转换技术包括以下几种：电流积分型时间一幅度一数字转 换3 9 4 1 】；时间放大型t d c ；游标卡尺型t d c l 4 2 1 ；全数字计数器加时间内插型t d c ； 这几种技术，都有各自的优势，同时也存在各自的缺陷【4 3 】。比如采用电流 积分型时间一幅度一数字转换技术可以得到非常高的时间分辨，但是变换时间较 长，且受充电电容大小的限制，其动态范围有限；而时间放大型t d c ，不仅动 态范围有限、死时间较长，同时积分节点对噪声、电容的非线性、电容的漏电流 等都非常敏感，容易受到影响：游标卡尺型的t d c 的动态范围不可能太大，而 且门控振荡器容易受到外部温度、电源噪声等不利因素的影响，同时这种技术对 游标刻度积累的非线性非常敏感，容易造成测量误差。 当前大型物理实验，尤其是粒子物理实验和高能物理实验，普遍都需要高精 度的时间分辨、大尺度的测量范围、多通道数以及较低的成本。单纯使用以上几 种方法的某一种，都难以满足这些综合性能的要求。 目前最常用的解决方案是所谓的“粗”计数( c o a r s ec o u n t i n g ) + 细”时间测量 ( f i n em e a s u r e m e n t ) 组合。 4 2 3 2 “租”计数+ “细”时间测量的组合 图4 3 “粗”计数+ “细”时间测量组合原理 如图4 3 所示：在这种组合中，“粗”计数一般由高性能的g r a y 码计数器实 现，这类似于数字计数器型t d c 4 4 , 4 5 】。使用的参考时钟频率一般在数百m h z ， 以实现精度达到数1 1 5 级别的时问分辨；而在一个时钟周期内采用时间内插( t u n e i n t e r p o l a t i o n ) ，通过符合电路，进行“细”时间测量，以达到亚纳秒级别( 1 0 0p s 1 0 p s ) 的时问分辨。最终的数据一般都由专门的数据处理电路完成。 采用这种方法的t d c ，可以达到高测量精度、大测量范围、多事例处理的 要求。实现的关键，在于稳定的高频门控振荡器，以及精细的时间内插技术m 4 7 】。 4 3大面子中子探测器阵列电子学系统的基本结构 上面介绍了的定时技术中，典型的有前沿定时和恒比定时。其中恒比定时技 术可以克服幅度一时间游动效应，但是实现这种方法的电路比较复杂，不太适合 于大规模、多通道的物理实验，常在较小规模的核物理实验中应用。而设计的大 面积中子探测器阵列里面将有多达9 6 0 个通道，因此设计时不采用这种定时方 法，而用相对简单的前沿定时+ 幅度修正的方法 2 9 1 。 从光电倍增管出来的形状一致的信号，虽然幅度会随机涨落，但是信号的上 升时间都是一样的。在采集时间的同时，把信号的幅度大小同时用a d c 转换采 集下来，然后在后来的离线分析中来修正幅度一时间游动效应。这种方法已经成 为当代大型物理实验中测量时间的常用手段。在大面积中子探测器阵列的电子学 设计中，也将采用这种方法。 图4 4 大面积中子探测器阵列电子学系统结构 图4 4 为大面积中子探测器阵列的电子学系统框图。为了使系统具有较高的 可靠性、较强的互换性和可维护性，同时也便于批量生产和能与i c f 综合实验数 据采集和处理系统无缝对接，原型系统将采用国际上流行的v m