基于ICF实验的nTOF探测器阵列

nTOF探测器阵列、ICF实验、中子诊断技术、飞行时间测量技术、惯性约束核聚变（ICF）、闪烁探测器、光电倍增管（PMT）、时间分辨、激光同步、测量误差分析、离子温度、中子能谱、慢化谱。 在惯性约束核聚变（ICF）实验中，聚变反应产生的中子是极其关键的物理量，对它们的测量可以帮助研究者了解聚变过程的能量和粒子的动态。为了准确测量ICF中子，研究人员设计了基于中子飞行时间测量技术的nTOF探测器阵列。 ICF实验的目标是实现高温高密度热核点火，主要通过两种聚变反应产生中子：分别是D-D（氘-氘）和D-T（氘-氚）反应。这两种反应产生的中子具有不同的能量和速度，中子的到达时间直接关联着其能量，而时间分布则关联着离子的温度。 在nTOF探测器阵列设计中，一个重要的因素是中子探测器的时间分辨率，这直接决定了能谱的能量分辨率。为了达到更精确的测量，nTOF探测器阵列应尽量减少时间晃动。时间晃动主要来源于三个方面：探测器的固有时间晃动、激光触发信号的时间晃动以及电子学系统产生的时间晃动。其中，探测器的固有时间晃动主要由闪烁体和光电倍增管（PMT）决定。在ICF实验中，尽管产生的中子具有固定的能量，但由于探测器中路径的差异和电离过程的不同，探测器输出的幅度也会出现涨落，这种幅度游动效应也会对测量结果产生影响。 在“神光III”原型的nTOF探测器阵列设计中，使用了960个独立的闪烁体和光电倍增管组件。这些组件被放置在距离ICF靶约17米的地方，形成一个大面积的探测器阵列。在中子与闪烁体相互作用后，会产生光信号，这些光信号被耦合到光电倍增管，并转换成电信号输出。输出信号会送到放大器和定时甄别器，产生定时逻辑信号和电荷信号，分别用于时间测量和电荷测量。为了进行时间游动校正，电荷信号会被送往模数转换器（ADC），而定时逻辑信号则被送往时间数字化转换器（TDC）进行时间测量。 在测量系统的设计中，激光同步信号经过成形延迟之后，用作时间测量的起始信号。整个系统的性能对时间分辨的要求很高，以确保中子能量分辨率小于90keV，因此系统总的时间分辨必须小于1纳秒（ns）。 在文章中还提到了多套国际上已建成的大面积闪烁探测器阵列，如在Livermore Nova装置上的LaNSA、在Rochester大学Omega上的MEDUSA和在Osaka大学GEKKO XII上的MAMDALA。美国国家点火工程NIF也将建造多个nTOF探测器用于中子测量。 在进行ICF实验时，由于中子产额较高（约为10^5-10^6），探测器的计数率也相对较高，平均每个探测器可能会有0.1~0.5个计数。通过对100-500个探测器收集的数据进行分析，可以得到一条中子飞行时间谱，进而推断出中子能谱和离子温度的慢化谱。 此外，研究还涉及到了测量误差的主要原因分析。由于系统对时间分辨的要求很高，所以必须对系统的总时间分辨进行精确控制。这要求探测器固有的时间晃动（σ探）需小于0.9ns，激光触发信号时间晃动（σ激）需小于0.1ns，电子学系统时间晃动（σ电）也需小于0.1ns。通过优化探测器的选择、增强电子学系统的稳定性、以及对幅度游动效应的校正，可以显著提高nTOF探测器系统的整体性能。 整个项目得到了博士点基金项目的资助，而文中提及的实验结果和研究内容，对未来的ICF诊断装置建设和中子能量测量技术的发展具有重要的指导意义。