惯性约束核聚变中子飞行时间谱仪的时间测量插件-免费文档

1、本文档下载自HYPERLINK /文档下载网，内容可能不完整，您可以点击以下网址继续阅读或下载：HYPERLINK /doc/e91ab46f293de21a5584cb48/doc/e91ab46f293de21a5584cb48惯性约束核聚变实验中子飞行时间谱仪的时间测量插件大型的惯性约束核聚变(ICF)设施都采用中子飞行时间(nTOF)探测系统测量离子温度。大阵列中子探测器系统作为国际上使用的最主要探测手段,已成为ICF诊断平均密度半径积(R)的标准技术。用于“神光”原型及主机的灵敏中子探测器阵列的时间分辨期望达到1ns,为此探测器后的电子学系统的时间分辨期望达到100ps。采用ACAM

2、公司的GP2作为时间测量插件的核心芯片,我们研制了基维普资讯 第3 0卷第 3期20 0 7年 3月核技术N o. _ . 3L A E HN Q S UC E RT C I UEac 0 7 rh2 o惯性约束核聚变实验中子飞行时间谱仪的时间测量插件张岳华李锋金革虞孝麒江晓合肥 202) 306 (安徽省物理电子学重点实验室，中国科学技术大学摘要大型的惯性约束核聚变( F设施都采用中子飞行时间(T F探测系统测量离子温度。大阵列中子探测 I ) C nO )器系统作为国际上使用的最主要探测手段，已成为 IF C诊断平均密度半径积 (R的标准技术。于“ p)用神光” 原型及主机的灵敏中子探测器

3、阵列的时间分辨期望达到 1n, s为此探测器后的电子学系统的时间分辨期望达到 10 s采用 A A公司的 G 2 0。 p CM P作为时间测量插件的核心芯片，我们研制了基于 V ME总线的多通道 T C D时间测量插件，其时间分辨小于 6 p。 1s 关键词惯性约束聚变，中子飞行时间，G 2 D P,T C,V ME总线T 2 42 P 7. 中图分类号C I F实验中的 n O t T F】由强激光引起的惯性约束核聚变( F实验中， I ) C 反应物(燃料)离子温度和平均密度半径积 ( ) 是两个重要参量。实验中聚变产生单能的中子(D反 D应产生的中子能量为 2 5 V;D反应产生的中

4、. 4 Me T 子能量为 1. Me ) 41 V,燃料离子热运动会造成单能 中子的能量离散，测量到离散大小就可以得到离子温度u J。一个大型 IF C激光聚变/doc/e91ab46f293de21a5584cb48设施，如 N V O A、 O G ME A等，通常采用中子飞行时间( O ) n F探测系 T统测量中子产额和中子能谱。因为 IF C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，因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与中子的能量相对应，中子到达探测器的时间离散与燃料离子温度之间的关系可由下 f面的公式给

5、出：由快塑料闪烁体、快光电倍加管和高带宽瞬态数字化仪(或高带宽示波器)等组成。但是在低中子产额条件下，传统的电流模式 n o T F探测器系统由于受到探测器中子接收面积的限制，很难测量得到精确的飞行时间谱，因而给离子温度诊断带来很大误差。 用单中子作用探测器阵列测量飞行时间谱，可以在低产额情况下保持好的时间分辨又具有高的灵敏度。单中子作用探测器阵列又称为灵敏中子谱仪 (N ) S S。例如大型闪烁体阵列 L N A就是一个单中 aS 子作用探测器阵列的中子谱仪【, 3安装在美国u L的N V O A装置靶室下部凹坑中，由 90它 6个中子探测器单元阵列组成，每一个单元有一个 1c 0m 1c

6、0m1c大小的中子灵敏液体闪烁体，光信号 0m耦合到光电倍加管。光电倍加管输出电信号分成两路，一路输入到前沿定时甄别器，产生定时逻辑信号；另一路是模拟信号。定时逻辑信号输入 T C; D 模拟信号输入到电荷积分 A C, D可以用来进行幅度时间游动校正。最后由数据获取系统记录各通道的 T C和 A C数据。LN A能够测量低到 2 x 0 D D aS . 31中子产额的中子飞行时间谱( 距离，10个击 2 m 0 0中),装置中采用的铅屏蔽和准直措施保证低的 x 射线和 Y射线本底，允许测量次级和第三代中子谱， 不仅能诊断燃料的离子温度，而且是 I F C诊断中测量重要参数平均密度半径积 (

7、 ) 的一种新的先进方法。0 7d/ ( t . 8 T= 7 a/对应D D反应)A= . 2 x i ( D t01 d/对应 T反应) - 2 T 其中为中子飞行时间的半高全宽 F Mr/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 s, f WH o n) d为靶核到探测器的距离( )为离子温度( V。 m, k ) e如果离子温度为 4kV、距离为 1 A分别为 e 0m, t1 . sD和 24 sD ) 55 n( D) . n( T。 6 4记录和分析探测器输出的电流波形就可以得到值，从而求得离子温度，因而称其为电流模式 f (ur t o e。 C r n m d

8、 )基于电流模式的 n O e T F探测器系统博士点基金项目 ( 05 384 20 0 507)资助第一作者：张岳华，男，17年出生，现为中国科学技术大学近代物理系物理电子学博士研究生，研究方向为物理实验中的前端电子学 98收稿日 0 61.5胡：20 -21,修回日期：20 .11 07O .7此处图片未下载成功维普资讯 核技术第3 O卷用于“神光 I I I原型及主机的大面积中子探测器阵列I F的最终目 C标是实现高温高密度热核点火。 因此，研究聚变燃料离子温度和平均密度半径积 ( ) 是极其重要的。无论是目国际上进行的内爆前实验还是在将来的“神光”原型及主机上进行的内爆实验，估计次级

9、 D T中子产额为 15O。通 O_。 _1过测量次级中子能谱，可以给出高密度压缩状态下的( )而大阵列中子探测器系统目前几乎是国际 。上使用的唯一探测手段，已成为 IF C诊断( 的标准技术。 为了使测量系统误差减到最小，每次实验需要尽可能多地记录中子事件，因此，探测器的面积应尽可能的大，同时又需要避免单个探测器的多次击中，因此，大面积中子探测器阵列由 90 6个独立的闪烁体.光电倍增管组成。具体实验布局如图 1所示，采用铅屏蔽和准直措施保证低的 x射线和 1,射线本底。每个探测器只测量第一个到达探测器的中子。每道探测器的输出信号经过 T C和 A C进入 D D计算机。典型的情况下，平均每

10、个探测器有 00 . . 1 5个击中，即有 10/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 0个探测器各自 050测到 1个击中， 将这 10_0 0 _ 50个粒子数组成一条中子飞行时间谱图 1实验布局F g 1 Ov r l ar n e n ft ee p rme t i. ea l ra g me t x ei n o h图2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 IF C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 ME标准。电子学系统中各功能模块都是基于 V ME总

11、线系统的，其中 V D ME T C即是时间测量插件，用于测量中子飞行时间。它将探测器输出的信号与激光打靶时同步触发信号之间 的时间间隔(中子飞行时间)进行数字编码，通过 V ME总线送到计算机。数码值正比于时间间隔，从而可以得到中子飞行时间。图 2大面积中子探测器的电子学系统框图F g 2 Bl c i a o lcr n c y t m eb g a e e t n d tc o i. o kd a m f e to i s se i t i r an u r ee t r e s nh o时间测量插件的性能指标要求根据 IF C实验的物理目标和大面积中子探测器的批量生产需求，整个系统的主

12、要技术指标要求总的时间测量范围为 1 10,时间分辨为 1 。 00 s a .a 0s为了尽可能地给探测器系统预留足够的设计余地， 提出的电子学总体时间分辨为 10p,其中时间测 0 s量插件 T C的时间分辨要求小于 6。 D 5s p时间测量插件的设计图3是时间测量插件的框图。时间测量插件的起始信号 S A T由激光打靶时同步触发信号提供， TR 探测器系统中光电倍加管 P T的信号经过定时甄 M别插件(参看图 2, )产生 S O T P信号(V C L E L电平逻辑)以差分传输的方式，,用扁平电缆送到时间测量插件，经过电平逻辑转换以后，以 L T L的方式 V T送到 F G。 P

13、 A公共信号 T S E T和 S O/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 T P信号在 F G PA内部经过或门后，送到 T C单元。公共信号 T S D ET提供一个检测端口，供未来组建整个系统时调试和检测使用。V T E O信号作为备用的屏蔽信号，可以 用来屏蔽 T C通道。 D F G内部分成三个部分：公共信号 T S PA E T和 SO T P信号的输入输出逻辑组合部分；G 2组件的 P SI P总线控制部分；V ME总线接口控制部分。 在原型设计时，选择了 AC M公司的 G 2作 A P为 T C芯片，它的主要指标：时间分辨为 5 s D 0p,此处图片未

14、下载成功维普资讯 第3期张岳华等：惯性约束核聚变实验中子飞行时间谱仪的时间测量插件时间测量最大量程为 1 s . u,每片有 2 8个通道，通过 SI P总线对芯片进行参数配置。括：工作模式的选择；参考时钟的参数； T R S A T和 SO T P的使能、触发沿的选择；“校正”功能的设置； 中断的设定；通道的最大击中数；运算器的参数等等。 G 2的工作流程如图 5示，整个时间采集系 P所统的工作流程也就是围绕 G 2 P进行的。由于每次读取新的数据以前，都需要重新配置运算器的参数， 所以整个系统的计数率不可能太高。 I F在 C实验中， 每次激光打靶的时间间隔很长(一般一小时以上), 对计数

15、率的要求很低，因此不需要考虑 G 2的计数 P率的问题。图 3时间测量插件的硬件结构框图F g 3 Ha d r o fg r t n o E TDC i. r waec n u ai f i o VM图 4 G 2的工作原理图。由起始 S r信号是 P tt a通过延时反馈的方法产生高频周期信号，计数器 (or o n r C us cu t ) e e计数周期信号；周期信号之间内插入延时门， t t Sa经过一定时间的周期信号延时后和 rt信号通过门延时相符合， o准确计数信号符合时所经过的延时门数目，以及周期计数器的/doc/e91ab46f293de21a5584cb48计数值，从而可

16、以精确地确定 So t p和 S r之间的时间问 tt a 。 而芯片内部的门延时受到核心电压和芯片温度的直接影响，为了消除其影响， P G 2提供了一种“校正” 功能，并可以通过设置内部的功能寄存器来打开或者关闭该功能。在“校正”模式时，G 2自 P动测量 1 2个周期的参考时钟(时间精度很高)获得校正数，据；在输出最终延时数据时，处理器自动根据校正数据来修正最终结果。由于 n O T F系统非常强调稳定性，因此在设计时这个校正功能通常是处于开启状态，这也是选择 G 2作为 T C芯片的一个重要 P D原因。图5 P G 2的工作流程F g 5 Me s e n ow h r f DC GP

17、 i. a u me t r l f c at o T 2时间测量插件的性能测试及最终结果我们研制了一个 V ME插件的时间测量插件作为原型样机，组装了四个通道 T C两片 G 2和时 D ( P)间测量插件的框图( 3所示)图中的其它单元，因而很容易扩展成 l通道的插件。 6设置 G 2“ P为校正” 开启模式，进行了电子学性能测试。 信号源送出的信号分成 2,一路作为开始信路号 S r另一路经过 O T C公司的 D 4 3 tt a, RE B 6型延时箱延时后，作为停止信号 S p t送到时间测量插件。 o 设置延时箱不同的延时量(即时间间隔，在一个固定延时值下，测量得到了 1万次数据

18、，得到一个统计分布的直方图，用软件 O in r7 ri o. g P 0拟合高斯曲线，确定峰值的道位置(对应 T C测到的延时值 D D t和半高宽， a) a以测试时间分辨；变更时间间隔， 共测量了 10 2个点，得到不同的延时量 T a对 - t D a应数据，从而拟合得到 TD t直线， -a a以测试线性和变换斜率；抽取其中的 1个点， 0每半小时测量一次， 保持系统开机，连续测量 1,以测试插件的稳定 2 h性；抽取了 2个点，每次测量获取 1万次数据，重复 10以判断统计误差对峰值和半高宽的影响。 0次，一图 4 GP 2的工作原理F g 4 P i cp eo DC 2/doc

19、/e91ab46f293de21a5584cb48 i . r i l f n T GP2的接口是 4 S I P线 P,因此在 F G P A里对每片G 2 P都编写了一个 S I P控制器。 P还提供了 G2 些其他功能的信号线，常用的有 R T S N,可以让 G 2重启；以及 I T P N N,作为中断时信号输出，触发 SI P控制器采取相应的工作。 在每次重上电以后，需要对 G 2进行参数配 P置，向写寄存器写入一些基本参数。主要的参数包一一此处图片未下载成功维普资讯 核技术第3 0卷验证统计误差对峰值和半高宽影响的实验表明，每个 1万次采集时获得的峰值和半高宽，和采集 1万次、1

20、0 0 0万次时一样。统计误差带进的影响可以忽略，因此每个点测量 1万次，经处理得到峰的室温有 3 c左右的变化，4C测量结果表明峰值的移动非常小，只有 7 s . p( 6相当于 T C一道) D,保证了整个模块的稳定性。 根据 G 2 P的原理和实际的测试情况，最终需要做并道处理，把 8道并作 1,因此最终的时间分道辨应该是 6 .p,小于 6 s 08 s 1,达到预期设计目标。 p值和半高宽的结果是可靠的。 在所有测量的点中(同的延时量)不，半高宽均小于 12p,方差、 5 p。 2 s于 2 s在开启“校正”时， G 2从 P读取上来的数据是总结I F的最终目 C标是实现高温高密度热

21、核点火。 因此，研究聚变燃料离子温度和 (R是极其重要 p)的。而大阵列中子探测器系统目前几乎是国际上测量 (R的唯一探测手段， p)已成为 IF诊断 ( ) C 的标准技术。为了准确地测得中子飞行时间(O ), T F谱 从而得到中子能谱，整个 n O T F的时间分辨期望能达到纳秒或者亚纳秒。为了给探测器系统预留足够的设计空间，电子学系统的时间分辨期望达到 lO s级别。经过最初的原型设计论证，我们采用 Op了 A A公司 G 2芯片作为时间测量子系统的核 C /doc/e91ab46f293de21a5584cb48M P心芯片。最终的设计指标达到了预期目标，时间分辨小于 6 s 2 1

22、,1h内测量偏差小于 1 p%。参考文献1 C r nR E R vS i n t m, 9 7 6 ( )6 4 h i , e c Is u 1 9, 8 1: 1 1 e r 7T DC 2 d ts e t h t: www.c m .e GP aa h e, t/ p/ aa d位格式。时间和数据 D t的关系为： 4 a aTa 22 0n/ 5 3 = t 5 s 6 5 6因而可以计算得到 TD t直线的理论斜率， -a a理论斜率是 0 0 6 s . 73n。性能测试时，根据前面得到 0的延时量一峰值对应数据，可以拟合出测量得到的 T a直线： - t DaT=A 曰Da

23、a t表1 4是个通道的测试结果。表 1通道性能的测试结果T b e1 P r o m a c s e u t o h n es a l e f r n et t s l r4 c a n l e r f一从表 1可看出，由于各个通道斜率曰的差异非常小，有利于数据的离线修正，以保证各个通道的致性，而且和理论值(. 7 3 s 0 0 6 ) 0 n非常接近。 在 1 2 h内的稳定性测试中，时间测量插件附近l nM, al D. e c Is u 19, 31) es B C beM R vSi t m, 9 2 6 (0: o r n4 7 8 6 84 47TDC m o u eu e T

24、oF f CF d l s di n n o IZHANG Yu h a L F n J N Ge YU Xi o i JAN G Xi o eu I eg I a q I a(h K yL b rtr o hs a Eet nc oA hi rv c, nvri o Sine n eh o g o hn, e i3 06 C i /doc/e91ab46f293de21a5584cb48) T e e-a oaoyfP yi l l r i f n uP i e U iesy f c c adTcn l yfC i Hf 202, hn c co s o n t e o a e ata t

25、Ne to meo- ih TOF a r vd mp ra tn o ma o b u h u l o u tmp rtr n sr c ur n t f g t( i l f )c n po iei otn f r t n a o t ef e n b m e eauei i i t ir u e io f e n - s n ( n r e d s n . h e s v e t n d t trary i u e o ice s a o si r a c n me t i I i n tl i n u f o C t g t ei s T e sn i en u o e co ra s

26、 sd t n ra e a g i t r es n i v t i i ti i g g o mer s l t n f rl w i l r es I h sb e tn a d tc n q et i g o e e st i wh l man an i y e n o d o u o o i e i o y e d t g t. t a e n a s d e h i u o d a a a r n sae g esy a u r utp ) w i e ipr n pr e r nIF epr et 11 t e t vr edn t r isp dc(R . h hi avr m