緊湊型磁質子反沖譜儀磁分析系統的能量刻度

祁建敏，周 林，蔣世倫，彭太平

（1.清華大學 工程物理系，北京 100084；2.中國工程物理研究院 核物理與化學研究所，四川 綿陽 621900）

聚變反應產生的中子能譜攜帶等離子體中心區域的重要信息，如離子溫度和聚變功率等［1－3］。中子能譜診斷方法作為聚變等離子體診斷和研究的一種重要工具，需具有高能量分辨率、高探測效率、高信噪比（SNR）等性能的中子譜儀［4］。

磁質子反沖（MPR）譜儀是測量ICF裝置和高功率托卡馬克裝置聚變中子能譜的一種新型高性能診斷儀器，能夠以高能量分辨率、高計數率和很高的信噪比精確測量中子能譜，也可進行中子產額的絕對測量。JET于1996年建成世界上第1臺MPR譜儀，對氘氚（DT）中子的能量分辨率達到2.5%，探測效率約為5×10－5［5－6］。目前，該譜儀已進一步升級，大幅提高了譜儀的信噪比，并可同時測量DT和DD中子能譜。OMEGA和NIF共同設計和建造的磁反沖譜儀（MRS）也已投入使用［7－8］，能量分辨率約為3%，探測效率在10－9量級。

目前，一種用于多種特定環境下脈沖DT聚變中子能譜研究的緊湊型MPR譜儀正在研制中，期望能在給定能量分辨率（對14MeV中子約為4%）和信噪比（10∶1）條件下，獲得盡可能高的探測效率（＞10－8）。磁分析系統是譜儀主體，本工作通過三維粒子輸運和蒙特卡羅模擬對磁分析系統的性能進行分析，使用CR－39徑跡探測器和單能α粒子對系統進行能量刻度。

1 磁分析系統

MPR譜儀根據其原理分為中子n－p轉換系統、磁分析系統和焦平面探測器等3部分，實現了由入射中子能譜（Sn（En））到反沖質子能譜（Sp（Ep）），再到反沖質子 空間位置分布（Ip（x′））的轉換。緊湊型 MPR譜儀的設計原理示于圖1。

圖1 緊湊型MPR譜儀設計原理Fig.1 Sketch map of compact MPR spectrometer

磁分析系統包括反沖質子光闌和分析磁鐵，如圖2所示。光闌確定反沖質子入射幾何，分析磁鐵提供用于反沖質子能量分析的均勻二極磁場。MPR譜儀利用磁分析系統將選定角度、不同能量的反沖質子分離（色散）并會聚于不同位置（聚焦）后分別測量，使譜儀能夠滿足穩態、準穩態及脈沖聚變中子能譜測量要求。

圖2 磁分析系統精確模型Fig.2 Precise model of magnetic analysis system

磁分析系統基本設計通過二維束流輸運模擬程序 TRANSPORT［9］完成，確定了系統物距、入射角、磁偏轉角、出射角、像距和束斑放大倍數等參數。采用較小的物距和像距，以及滿足譜儀性能所需的較小的磁偏轉角，以減小譜儀體積。通過對磁分析系統精確模型的仿真模擬，得到其優化設計。

分析磁鐵是磁分析系統的主要組成部分，采用高性能釹鐵硼（NdFeB）材料，使用三維電磁仿真程序完成磁鐵的設計優化。實際分析磁鐵總尺寸為42cm×26cm×29cm，氣隙高度30mm，重約190kg，使得磁分析系統整體質量不超過300kg。使用數字特斯拉計和霍爾探頭對分析磁鐵氣隙磁場進行了精確測量，中心均勻區場強0.79T，測量不確定度小于0.5%（圖3），中心區域磁場不均勻度小于1%。

質子光闌確定反沖質子束入射幾何，采用雙光闌質子準直設計（圖4）。光闌C1靠近n－p轉換靶放置，其到分析磁鐵入口的距離可等效為系統物距，準直孔尺寸等效為n－p轉換靶尺寸（橫向Lx和縱向Lz）。由雙光闌準直系統確定的磁分析系統反沖質子入射幾何Ωp為：

圖3 分析磁鐵氣隙中心平面場強分布Fig.3 Magnetic flux density distributions on central plane of bending magnet air gap

其中：AC2為光闌C2的面積，cm2；La為光闌C1與C2之間的距離。

對于現有的分析磁鐵氣隙尺寸和磁分析系統參數，Ωp在0.3～0.9msr之間。

圖4 雙光闌質子準直示意圖Fig.4 Proton collimation with double apertures

2 磁分析系統的能量刻度

MPR譜儀對中子的能量測量建立在對反沖質子的能量分析基礎之上，可同時應用能量甄別和位置甄別，因而能提供極好的能量分辨率和測量信噪比［5］。不同能量的反沖質子被磁分析系統分離開來，并會聚于焦平面上不同位置。通過測量焦平面反沖質子空間位置分布，可得到反沖質子能量分布，進而確定入射中子能譜。因此，需精確測量磁分析系統的能量－位置響應。

系統焦平面位置通過三維粒子輸運程序和標定實驗確定。相同動能的α粒子與質子在同一磁場中徑跡相同，可利用不同能量的單能α粒子對系統進行標定。實驗使用239Pu和226Ra源發射的5.155、4.784、5.492MeV 單能α粒子對磁分析系統進行能量刻度（圖5）。為提高實驗測量的位置分辨，使用CR－39固體徑跡探測器可將測量的位置分辨提高到±0.2mm。但在α源強度較低時，使用CR－39會由于環境本底和徑跡片本身缺陷引入較為明顯的噪聲（圖5a），需對測量數據進行必要的處理。沿粒子出射方向平行移動CR－39，通過位置分布半高寬的變化分別確定不同能量粒子的焦點位置，最終確定系統焦平面。5.155MeVα粒子焦點位置的實驗測量結果如圖6所示。

圖5 不同能量α粒子在焦點處的位置分布Fig.5 Position distributions of different mono－energeticαparticles at focus point

圖6 5.155MeVα粒子焦點位置的實驗測量結果Fig.6 Experimental determination of focal point forαparticles at 5.155MeV

通過三維粒子輸運程序對磁分析系統的精確模型（圖3）進行模擬。對確定的焦平面和系統設置，反沖質子的空間分布中心x′與能量成線性關系（圖7）。通過三維粒子輸運計算和單能α粒子能量標定，確定反沖質子在磁分析系統焦平面上的能量－位置響應滿足dEp／dx′＝0.124MeV／cm。即磁分析系統沿焦平面的能量色散x′／（ΔEp／Ep）＝5.6mm／%，這為焦平面探測陣列的設計提供了重要依據。

磁分析系統對單能入射質子的能量展寬ΔEm＝FWHM（x′）·dEp／dx′，其中，FWHM（x′）為質子焦平面空間分布的半高寬，cm。

圖7 反沖質子焦平面分布中心與能量的關系Fig.7 Distribution centers of recoil protons on focal plane as a function of energy

通過改變磁分析系統入射幾何參數可改變FWHM（x′），進而調節ΔEm（圖8）。隨著光闌尺寸的減小，粒子焦平面空間位置分布變窄，能量分辨能力提高，同時峰面積減小，表明磁分析系統對帶電粒子的探測效率逐漸降低。

通過對實際磁分析系統精確模型的三維粒子輸運計算，磁分析系統測量反沖質子的能量范圍為3.3～8.6MeV。改變系統光闌尺寸，磁分析系統入射立體角約為0.3～0.9msr，對應的系統探測效率為（0.5～1.4）×10－4，相應的系統能量分辨率為1.5%～2.1%（對7MeV反沖質子），滿足緊湊型MPR譜儀的設計要求。

圖8 5.155MeVα粒子對應不同光闌設置的焦平面空間分布Fig.8 Distributions of 5.155MeVαparticles on focal plane under different aperture configurations

3 結論

本工作介紹了緊湊型磁質子反沖譜儀的設計思路，通過三維粒子輸運和蒙特卡羅模擬對譜儀主體——磁分析系統的性能進行了分析。使用CR－39固體徑跡探測器及239Pu和226Ra源發射的多個能量α粒子對系統焦平面位置進行了準確測量，結合三維粒子輸運計算得到反沖質子在磁分析系統焦平面上的能量－位置響應性能。結果表明，磁分析系統具有良好的能量離散與聚焦性能，通過改變質子光闌尺寸和間距，能夠以1.5%～2.1%的能量分辨率（對7MeV反沖質子）實現（0.5～1.4）×10－4的探測效率。磁分析系統結構緊湊，總質量小于300kg，符合緊湊型MPR譜儀的設計目標。

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