慣性約束核聚變中子飛行時(shí)間譜儀的時(shí)間測量插件-免費(fèi)文檔

1、本文檔下載自HYPERLINK /文檔下載網(wǎng)，內(nèi)容可能不完整，您可以點(diǎn)擊以下網(wǎng)址繼續(xù)閱讀或下載：HYPERLINK /doc/e91ab46f293de21a5584cb48/doc/e91ab46f293de21a5584cb48慣性約束核聚變實(shí)驗(yàn)中子飛行時(shí)間譜儀的時(shí)間測量插件大型的慣性約束核聚變(ICF)設(shè)施都采用中子飛行時(shí)間(nTOF)探測系統(tǒng)測量離子溫度。大陣列中子探測器系統(tǒng)作為國際上使用的最主要探測手段,已成為ICF診斷平均密度半徑積(R)的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。用于“神光”原型及主機(jī)的靈敏中子探測器陣列的時(shí)間分辨期望達(dá)到1ns,為此探測器后的電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨期望達(dá)到100ps。采用ACAM

2、公司的GP2作為時(shí)間測量插件的核心芯片,我們研制了基維普資訊 第3 0卷第 3期20 0 7年 3月核技術(shù)N o. _ . 3L A E HN Q S UC E RT C I UEac 0 7 rh2 o慣性約束核聚變實(shí)驗(yàn)中子飛行時(shí)間譜儀的時(shí)間測量插件張?jiān)廊A李鋒金革虞孝麒江曉合肥 202) 306 (安徽省物理電子學(xué)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)摘要大型的慣性約束核聚變( F設(shè)施都采用中子飛行時(shí)間(T F探測系統(tǒng)測量離子溫度。大陣列中子探測 I ) C nO )器系統(tǒng)作為國際上使用的最主要探測手段，已成為 IF C診斷平均密度半徑積 (R的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。于“ p)用神光” 原型及主機(jī)的靈敏中子探測器

3、陣列的時(shí)間分辨期望達(dá)到 1n, s為此探測器后的電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨期望達(dá)到 10 s采用 A A公司的 G 2 0。 p CM P作為時(shí)間測量插件的核心芯片，我們研制了基于 V ME總線的多通道 T C D時(shí)間測量插件，其時(shí)間分辨小于 6 p。 1s 關(guān)鍵詞慣性約束聚變，中子飛行時(shí)間，G 2 D P,T C,V ME總線T 2 42 P 7. 中圖分類號C I F實(shí)驗(yàn)中的 n O t T F】由強(qiáng)激光引起的慣性約束核聚變( F實(shí)驗(yàn)中， I ) C 反應(yīng)物(燃料)離子溫度和平均密度半徑積 ( ) 是兩個(gè)重要參量。實(shí)驗(yàn)中聚變產(chǎn)生單能的中子(D反 D應(yīng)產(chǎn)生的中子能量為 2 5 V;D反應(yīng)產(chǎn)生的中

4、. 4 Me T 子能量為 1. Me ) 41 V,燃料離子熱運(yùn)動會造成單能 中子的能量離散，測量到離散大小就可以得到離子溫度u J。一個(gè)大型 IF C激光聚變/doc/e91ab46f293de21a5584cb48設(shè)施，如 N V O A、 O G ME A等，通常采用中子飛行時(shí)間( O ) n F探測系 T統(tǒng)測量中子產(chǎn)額和中子能譜。因?yàn)?IF C靶核在空間上可以近似看成點(diǎn)源，在時(shí)間上可以看作同時(shí)產(chǎn)生， 中子飛越到探測器過程中基本上不發(fā)生碰撞，因而可以用飛行時(shí)間技術(shù)來測量中子能譜。中子到達(dá)探測器的時(shí)間與中子的能量相對應(yīng)，中子到達(dá)探測器的時(shí)間離散與燃料離子溫度之間的關(guān)系可由下 f面的公式給

5、出：由快塑料閃爍體、快光電倍加管和高帶寬瞬態(tài)數(shù)字化儀(或高帶寬示波器)等組成。但是在低中子產(chǎn)額條件下，傳統(tǒng)的電流模式 n o T F探測器系統(tǒng)由于受到探測器中子接收面積的限制，很難測量得到精確的飛行時(shí)間譜，因而給離子溫度診斷帶來很大誤差。 用單中子作用探測器陣列測量飛行時(shí)間譜，可以在低產(chǎn)額情況下保持好的時(shí)間分辨又具有高的靈敏度。單中子作用探測器陣列又稱為靈敏中子譜儀 (N ) S S。例如大型閃爍體陣列 L N A就是一個(gè)單中 aS 子作用探測器陣列的中子譜儀【, 3安裝在美國u L的N V O A裝置靶室下部凹坑中，由 90它 6個(gè)中子探測器單元陣列組成，每一個(gè)單元有一個(gè) 1c 0m 1c

6、0m1c大小的中子靈敏液體閃爍體，光信號 0m耦合到光電倍加管。光電倍加管輸出電信號分成兩路，一路輸入到前沿定時(shí)甄別器，產(chǎn)生定時(shí)邏輯信號；另一路是模擬信號。定時(shí)邏輯信號輸入 T C; D 模擬信號輸入到電荷積分 A C, D可以用來進(jìn)行幅度時(shí)間游動校正。最后由數(shù)據(jù)獲取系統(tǒng)記錄各通道的 T C和 A C數(shù)據(jù)。LN A能夠測量低到 2 x 0 D D aS . 31中子產(chǎn)額的中子飛行時(shí)間譜( 距離，10個(gè)擊 2 m 0 0中),裝置中采用的鉛屏蔽和準(zhǔn)直措施保證低的 x 射線和 Y射線本底，允許測量次級和第三代中子譜， 不僅能診斷燃料的離子溫度，而且是 I F C診斷中測量重要參數(shù)平均密度半徑積 (

7、 ) 的一種新的先進(jìn)方法。0 7d/ ( t . 8 T= 7 a/對應(yīng)D D反應(yīng))A= . 2 x i ( D t01 d/對應(yīng) T反應(yīng)) - 2 T 其中為中子飛行時(shí)間的半高全寬 F Mr/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 s, f WH o n) d為靶核到探測器的距離( )為離子溫度( V。 m, k ) e如果離子溫度為 4kV、距離為 1 A分別為 e 0m, t1 . sD和 24 sD ) 55 n( D) . n( T。 6 4記錄和分析探測器輸出的電流波形就可以得到值，從而求得離子溫度，因而稱其為電流模式 f (ur t o e。 C r n m d

8、 )基于電流模式的 n O e T F探測器系統(tǒng)博士點(diǎn)基金項(xiàng)目 ( 05 384 20 0 507)資助第一作者：張?jiān)廊A，男，17年出生，現(xiàn)為中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系物理電子學(xué)博士研究生，研究方向?yàn)槲锢韺?shí)驗(yàn)中的前端電子學(xué) 98收稿日 0 61.5胡：20 -21,修回日期：20 .11 07O .7此處圖片未下載成功維普資訊 核技術(shù)第3 O卷用于“神光 I I I原型及主機(jī)的大面積中子探測器陣列I F的最終目 C標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高溫高密度熱核點(diǎn)火。 因此，研究聚變?nèi)剂想x子溫度和平均密度半徑積 ( ) 是極其重要的。無論是目國際上進(jìn)行的內(nèi)爆前實(shí)驗(yàn)還是在將來的“神光”原型及主機(jī)上進(jìn)行的內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)，估計(jì)次級

9、 D T中子產(chǎn)額為 15O。通 O_。 _1過測量次級中子能譜，可以給出高密度壓縮狀態(tài)下的( )而大陣列中子探測器系統(tǒng)目前幾乎是國際 。上使用的唯一探測手段，已成為 IF C診斷( 的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。 為了使測量系統(tǒng)誤差減到最小，每次實(shí)驗(yàn)需要盡可能多地記錄中子事件，因此，探測器的面積應(yīng)盡可能的大，同時(shí)又需要避免單個(gè)探測器的多次擊中，因此，大面積中子探測器陣列由 90 6個(gè)獨(dú)立的閃爍體.光電倍增管組成。具體實(shí)驗(yàn)布局如圖 1所示，采用鉛屏蔽和準(zhǔn)直措施保證低的 x射線和 1,射線本底。每個(gè)探測器只測量第一個(gè)到達(dá)探測器的中子。每道探測器的輸出信號經(jīng)過 T C和 A C進(jìn)入 D D計(jì)算機(jī)。典型的情況下，平均每

10、個(gè)探測器有 00 . . 1 5個(gè)擊中，即有 10/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 0個(gè)探測器各自 050測到 1個(gè)擊中， 將這 10_0 0 _ 50個(gè)粒子數(shù)組成一條中子飛行時(shí)間譜圖 1實(shí)驗(yàn)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圖2為大面積中子探測器陣列的電子學(xué)系統(tǒng)框圖。為了使系統(tǒng)具有較高的可靠性、較強(qiáng)的互換性和可維護(hù)性，同時(shí)也便于批量生產(chǎn)和能與 IF C綜合實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)采集和處理系統(tǒng)無縫對接，原型系統(tǒng)將采用國際上流行的 V ME標(biāo)準(zhǔn)。電子學(xué)系統(tǒng)中各功能模塊都是基于 V ME總

11、線系統(tǒng)的，其中 V D ME T C即是時(shí)間測量插件，用于測量中子飛行時(shí)間。它將探測器輸出的信號與激光打靶時(shí)同步觸發(fā)信號之間 的時(shí)間間隔(中子飛行時(shí)間)進(jìn)行數(shù)字編碼，通過 V ME總線送到計(jì)算機(jī)。數(shù)碼值正比于時(shí)間間隔，從而可以得到中子飛行時(shí)間。圖 2大面積中子探測器的電子學(xué)系統(tǒng)框圖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時(shí)間測量插件的性能指標(biāo)要求根據(jù) IF C實(shí)驗(yàn)的物理目標(biāo)和大面積中子探測器的批量生產(chǎn)需求，整個(gè)系統(tǒng)的主

12、要技術(shù)指標(biāo)要求總的時(shí)間測量范圍為 1 10,時(shí)間分辨為 1 。 00 s a .a 0s為了盡可能地給探測器系統(tǒng)預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)余地， 提出的電子學(xué)總體時(shí)間分辨為 10p,其中時(shí)間測 0 s量插件 T C的時(shí)間分辨要求小于 6。 D 5s p時(shí)間測量插件的設(shè)計(jì)圖3是時(shí)間測量插件的框圖。時(shí)間測量插件的起始信號 S A T由激光打靶時(shí)同步觸發(fā)信號提供， TR 探測器系統(tǒng)中光電倍加管 P T的信號經(jīng)過定時(shí)甄 M別插件(參看圖 2, )產(chǎn)生 S O T P信號(V C L E L電平邏輯)以差分傳輸?shù)姆绞剑?用扁平電纜送到時(shí)間測量插件，經(jīng)過電平邏輯轉(zhuǎn)換以后，以 L T L的方式 V T送到 F G。 P

13、 A公共信號 T S E T和 S O/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 T P信號在 F G PA內(nèi)部經(jīng)過或門后，送到 T C單元。公共信號 T S D ET提供一個(gè)檢測端口，供未來組建整個(gè)系統(tǒng)時(shí)調(diào)試和檢測使用。V T E O信號作為備用的屏蔽信號，可以 用來屏蔽 T C通道。 D F G內(nèi)部分成三個(gè)部分：公共信號 T S PA E T和 SO T P信號的輸入輸出邏輯組合部分；G 2組件的 P SI P總線控制部分；V ME總線接口控制部分。 在原型設(shè)計(jì)時(shí)，選擇了 AC M公司的 G 2作 A P為 T C芯片，它的主要指標(biāo)：時(shí)間分辨為 5 s D 0p,此處圖片未

14、下載成功維普資訊 第3期張?jiān)廊A等：慣性約束核聚變實(shí)驗(yàn)中子飛行時(shí)間譜儀的時(shí)間測量插件時(shí)間測量最大量程為 1 s . u,每片有 2 8個(gè)通道，通過 SI P總線對芯片進(jìn)行參數(shù)配置。括：工作模式的選擇；參考時(shí)鐘的參數(shù)； T R S A T和 SO T P的使能、觸發(fā)沿的選擇；“校正”功能的設(shè)置； 中斷的設(shè)定；通道的最大擊中數(shù)；運(yùn)算器的參數(shù)等等。 G 2的工作流程如圖 5示，整個(gè)時(shí)間采集系 P所統(tǒng)的工作流程也就是圍繞 G 2 P進(jìn)行的。由于每次讀取新的數(shù)據(jù)以前，都需要重新配置運(yùn)算器的參數(shù)， 所以整個(gè)系統(tǒng)的計(jì)數(shù)率不可能太高。 I F在 C實(shí)驗(yàn)中， 每次激光打靶的時(shí)間間隔很長(一般一小時(shí)以上), 對計(jì)數(shù)

15、率的要求很低，因此不需要考慮 G 2的計(jì)數(shù) P率的問題。圖 3時(shí)間測量插件的硬件結(jié)構(gòu)框圖F g 3 Ha d r o fg r t n o E TDC i. r waec n u ai f i o VM圖 4 G 2的工作原理圖。由起始 S r信號是 P tt a通過延時(shí)反饋的方法產(chǎn)生高頻周期信號，計(jì)數(shù)器 (or o n r C us cu t ) e e計(jì)數(shù)周期信號；周期信號之間內(nèi)插入延時(shí)門， t t Sa經(jīng)過一定時(shí)間的周期信號延時(shí)后和 rt信號通過門延時(shí)相符合， o準(zhǔn)確計(jì)數(shù)信號符合時(shí)所經(jīng)過的延時(shí)門數(shù)目，以及周期計(jì)數(shù)器的/doc/e91ab46f293de21a5584cb48計(jì)數(shù)值，從而可

16、以精確地確定 So t p和 S r之間的時(shí)間問 tt a 。 而芯片內(nèi)部的門延時(shí)受到核心電壓和芯片溫度的直接影響，為了消除其影響， P G 2提供了一種“校正” 功能，并可以通過設(shè)置內(nèi)部的功能寄存器來打開或者關(guān)閉該功能。在“校正”模式時(shí)，G 2自 P動測量 1 2個(gè)周期的參考時(shí)鐘(時(shí)間精度很高)獲得校正數(shù)，據(jù)；在輸出最終延時(shí)數(shù)據(jù)時(shí)，處理器自動根據(jù)校正數(shù)據(jù)來修正最終結(jié)果。由于 n O T F系統(tǒng)非常強(qiáng)調(diào)穩(wěn)定性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)這個(gè)校正功能通常是處于開啟狀態(tài)，這也是選擇 G 2作為 T C芯片的一個(gè)重要 P D原因。圖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時(shí)間測量插件的性能測試及最終結(jié)果我們研制了一個(gè) V ME插件的時(shí)間測量插件作為原型樣機(jī)，組裝了四個(gè)通道 T C兩片 G 2和時(shí) D ( P)間測量插件的框圖( 3所示)圖中的其它單元，因而很容易擴(kuò)展成 l通道的插件。 6設(shè)置 G 2“ P為校正” 開啟模式，進(jìn)行了電子學(xué)性能測試。 信號源送出的信號分成 2,一路作為開始信路號 S r另一路經(jīng)過 O T C公司的 D 4 3 tt a, RE B 6型延時(shí)箱延時(shí)后，作為停止信號 S p t送到時(shí)間測量插件。 o 設(shè)置延時(shí)箱不同的延時(shí)量(即時(shí)間間隔，在一個(gè)固定延時(shí)值下，測量得到了 1萬次數(shù)據(jù)

18、，得到一個(gè)統(tǒng)計(jì)分布的直方圖，用軟件 O in r7 ri o. g P 0擬合高斯曲線，確定峰值的道位置(對應(yīng) T C測到的延時(shí)值 D D t和半高寬， a) a以測試時(shí)間分辨；變更時(shí)間間隔， 共測量了 10 2個(gè)點(diǎn)，得到不同的延時(shí)量 T a對 - t D a應(yīng)數(shù)據(jù)，從而擬合得到 TD t直線， -a a以測試線性和變換斜率；抽取其中的 1個(gè)點(diǎn)， 0每半小時(shí)測量一次， 保持系統(tǒng)開機(jī)，連續(xù)測量 1,以測試插件的穩(wěn)定 2 h性；抽取了 2個(gè)點(diǎn)，每次測量獲取 1萬次數(shù)據(jù)，重復(fù) 10以判斷統(tǒng)計(jì)誤差對峰值和半高寬的影響。 0次，一圖 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線 P,因此在 F G P A里對每片G 2 P都編寫了一個(gè) S I P控制器。 P還提供了 G2 些其他功能的信號線，常用的有 R T S N,可以讓 G 2重啟；以及 I T P N N,作為中斷時(shí)信號輸出，觸發(fā) SI P控制器采取相應(yīng)的工作。 在每次重上電以后，需要對 G 2進(jìn)行參數(shù)配 P置，向?qū)懠拇嫫鲗懭胍恍┗緟?shù)。主要的參數(shù)包一一此處圖片未下載成功維普資訊 核技術(shù)第3 0卷驗(yàn)證統(tǒng)計(jì)誤差對峰值和半高寬影響的實(shí)驗(yàn)表明，每個(gè) 1萬次采集時(shí)獲得的峰值和半高寬，和采集 1萬次、1

20、0 0 0萬次時(shí)一樣。統(tǒng)計(jì)誤差帶進(jìn)的影響可以忽略，因此每個(gè)點(diǎn)測量 1萬次，經(jīng)處理得到峰的室溫有 3 c左右的變化，4C測量結(jié)果表明峰值的移動非常小，只有 7 s . p( 6相當(dāng)于 T C一道) D,保證了整個(gè)模塊的穩(wěn)定性。 根據(jù) G 2 P的原理和實(shí)際的測試情況，最終需要做并道處理，把 8道并作 1,因此最終的時(shí)間分道辨應(yīng)該是 6 .p,小于 6 s 08 s 1,達(dá)到預(yù)期設(shè)計(jì)目標(biāo)。 p值和半高寬的結(jié)果是可靠的。 在所有測量的點(diǎn)中(同的延時(shí)量)不，半高寬均小于 12p,方差、 5 p。 2 s于 2 s在開啟“校正”時(shí)， G 2從 P讀取上來的數(shù)據(jù)是總結(jié)I F的最終目 C標(biāo)是實(shí)現(xiàn)高溫高密度熱

21、核點(diǎn)火。 因此，研究聚變?nèi)剂想x子溫度和 (R是極其重要 p)的。而大陣列中子探測器系統(tǒng)目前幾乎是國際上測量 (R的唯一探測手段， p)已成為 IF診斷 ( ) C 的標(biāo)準(zhǔn)技術(shù)。為了準(zhǔn)確地測得中子飛行時(shí)間(O ), T F譜 從而得到中子能譜，整個(gè) n O T F的時(shí)間分辨期望能達(dá)到納秒或者亞納秒。為了給探測器系統(tǒng)預(yù)留足夠的設(shè)計(jì)空間，電子學(xué)系統(tǒng)的時(shí)間分辨期望達(dá)到 lO s級別。經(jīng)過最初的原型設(shè)計(jì)論證，我們采用 Op了 A A公司 G 2芯片作為時(shí)間測量子系統(tǒng)的核 C /doc/e91ab46f293de21a5584cb48M P心芯片。最終的設(shè)計(jì)指標(biāo)達(dá)到了預(yù)期目標(biāo)，時(shí)間分辨小于 6 s 2 1

22、,1h內(nèi)測量偏差小于 1 p%。參考文獻(xiàn)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。時(shí)間和數(shù)據(jù) D t的關(guān)系為： 4 a aTa 22 0n/ 5 3 = t 5 s 6 5 6因而可以計(jì)算得到 TD t直線的理論斜率， -a a理論斜率是 0 0 6 s . 73n。性能測試時(shí)，根據(jù)前面得到 0的延時(shí)量一峰值對應(yīng)數(shù)據(jù)，可以擬合出測量得到的 T a直線： - t DaT=A 曰Da

23、a t表1 4是個(gè)通道的測試結(jié)果。表 1通道性能的測試結(jié)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一從表 1可看出，由于各個(gè)通道斜率曰的差異非常小，有利于數(shù)據(jù)的離線修正，以保證各個(gè)通道的致性，而且和理論值(. 7 3 s 0 0 6 ) 0 n非常接近。 在 1 2 h內(nèi)的穩(wěn)定性測試中，時(shí)間測量插件附近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