紧凑型磁质子反冲谱仪磁分析系统的能量刻度

祁建敏，周 林，蒋世伦，彭太平

（1.清华大学 工程物理系，北京 100084；2.中国工程物理研究院 核物理与化学研究所，四川 绵阳 621900）

聚变反应产生的中子能谱携带等离子体中心区域的重要信息，如离子温度和聚变功率等［1－3］。中子能谱诊断方法作为聚变等离子体诊断和研究的一种重要工具，需具有高能量分辨率、高探测效率、高信噪比（SNR）等性能的中子谱仪［4］。

磁质子反冲（MPR）谱仪是测量ICF装置和高功率托卡马克装置聚变中子能谱的一种新型高性能诊断仪器，能够以高能量分辨率、高计数率和很高的信噪比精确测量中子能谱，也可进行中子产额的绝对测量。JET于1996年建成世界上第1台MPR谱仪，对氘氚（DT）中子的能量分辨率达到2.5%，探测效率约为5×10－5［5－6］。目前，该谱仪已进一步升级，大幅提高了谱仪的信噪比，并可同时测量DT和DD中子能谱。OMEGA和NIF共同设计和建造的磁反冲谱仪（MRS）也已投入使用［7－8］，能量分辨率约为3%，探测效率在10－9量级。

目前，一种用于多种特定环境下脉冲DT聚变中子能谱研究的紧凑型MPR谱仪正在研制中，期望能在给定能量分辨率（对14MeV中子约为4%）和信噪比（10∶1）条件下，获得尽可能高的探测效率（＞10－8）。磁分析系统是谱仪主体，本工作通过三维粒子输运和蒙特卡罗模拟对磁分析系统的性能进行分析，使用CR－39径迹探测器和单能α粒子对系统进行能量刻度。

1 磁分析系统

MPR谱仪根据其原理分为中子n－p转换系统、磁分析系统和焦平面探测器等3部分，实现了由入射中子能谱（Sn（En））到反冲质子能谱（Sp（Ep）），再到反冲质子 空间位置分布（Ip（x′））的转换。紧凑型 MPR谱仪的设计原理示于图1。

图1 紧凑型MPR谱仪设计原理Fig.1 Sketch map of compact MPR spectrometer

磁分析系统包括反冲质子光阑和分析磁铁，如图2所示。光阑确定反冲质子入射几何，分析磁铁提供用于反冲质子能量分析的均匀二极磁场。MPR谱仪利用磁分析系统将选定角度、不同能量的反冲质子分离（色散）并会聚于不同位置（聚焦）后分别测量，使谱仪能够满足稳态、准稳态及脉冲聚变中子能谱测量要求。

图2 磁分析系统精确模型Fig.2 Precise model of magnetic analysis system

磁分析系统基本设计通过二维束流输运模拟程序 TRANSPORT［9］完成，确定了系统物距、入射角、磁偏转角、出射角、像距和束斑放大倍数等参数。采用较小的物距和像距，以及满足谱仪性能所需的较小的磁偏转角，以减小谱仪体积。通过对磁分析系统精确模型的仿真模拟，得到其优化设计。

分析磁铁是磁分析系统的主要组成部分，采用高性能钕铁硼（NdFeB）材料，使用三维电磁仿真程序完成磁铁的设计优化。实际分析磁铁总尺寸为42cm×26cm×29cm，气隙高度30mm，重约190kg，使得磁分析系统整体质量不超过300kg。使用数字特斯拉计和霍尔探头对分析磁铁气隙磁场进行了精确测量，中心均匀区场强0.79T，测量不确定度小于0.5%（图3），中心区域磁场不均匀度小于1%。

质子光阑确定反冲质子束入射几何，采用双光阑质子准直设计（图4）。光阑C1靠近n－p转换靶放置，其到分析磁铁入口的距离可等效为系统物距，准直孔尺寸等效为n－p转换靶尺寸（横向Lx和纵向Lz）。由双光阑准直系统确定的磁分析系统反冲质子入射几何Ωp为：

图3 分析磁铁气隙中心平面场强分布Fig.3 Magnetic flux density distributions on central plane of bending magnet air gap

其中：AC2为光阑C2的面积，cm2；La为光阑C1与C2之间的距离。

对于现有的分析磁铁气隙尺寸和磁分析系统参数，Ωp在0.3～0.9msr之间。

图4 双光阑质子准直示意图Fig.4 Proton collimation with double apertures

2 磁分析系统的能量刻度

MPR谱仪对中子的能量测量建立在对反冲质子的能量分析基础之上，可同时应用能量甄别和位置甄别，因而能提供极好的能量分辨率和测量信噪比［5］。不同能量的反冲质子被磁分析系统分离开来，并会聚于焦平面上不同位置。通过测量焦平面反冲质子空间位置分布，可得到反冲质子能量分布，进而确定入射中子能谱。因此，需精确测量磁分析系统的能量－位置响应。

系统焦平面位置通过三维粒子输运程序和标定实验确定。相同动能的α粒子与质子在同一磁场中径迹相同，可利用不同能量的单能α粒子对系统进行标定。实验使用239Pu和226Ra源发射的5.155、4.784、5.492MeV 单能α粒子对磁分析系统进行能量刻度（图5）。为提高实验测量的位置分辨，使用CR－39固体径迹探测器可将测量的位置分辨提高到±0.2mm。但在α源强度较低时，使用CR－39会由于环境本底和径迹片本身缺陷引入较为明显的噪声（图5a），需对测量数据进行必要的处理。沿粒子出射方向平行移动CR－39，通过位置分布半高宽的变化分别确定不同能量粒子的焦点位置，最终确定系统焦平面。5.155MeVα粒子焦点位置的实验测量结果如图6所示。

图5 不同能量α粒子在焦点处的位置分布Fig.5 Position distributions of different mono－energeticαparticles at focus point

图6 5.155MeVα粒子焦点位置的实验测量结果Fig.6 Experimental determination of focal point forαparticles at 5.155MeV

通过三维粒子输运程序对磁分析系统的精确模型（图3）进行模拟。对确定的焦平面和系统设置，反冲质子的空间分布中心x′与能量成线性关系（图7）。通过三维粒子输运计算和单能α粒子能量标定，确定反冲质子在磁分析系统焦平面上的能量－位置响应满足dEp／dx′＝0.124MeV／cm。即磁分析系统沿焦平面的能量色散x′／（ΔEp／Ep）＝5.6mm／%，这为焦平面探测阵列的设计提供了重要依据。

磁分析系统对单能入射质子的能量展宽ΔEm＝FWHM（x′）·dEp／dx′，其中，FWHM（x′）为质子焦平面空间分布的半高宽，cm。

图7 反冲质子焦平面分布中心与能量的关系Fig.7 Distribution centers of recoil protons on focal plane as a function of energy

通过改变磁分析系统入射几何参数可改变FWHM（x′），进而调节ΔEm（图8）。随着光阑尺寸的减小，粒子焦平面空间位置分布变窄，能量分辨能力提高，同时峰面积减小，表明磁分析系统对带电粒子的探测效率逐渐降低。

通过对实际磁分析系统精确模型的三维粒子输运计算，磁分析系统测量反冲质子的能量范围为3.3～8.6MeV。改变系统光阑尺寸，磁分析系统入射立体角约为0.3～0.9msr，对应的系统探测效率为（0.5～1.4）×10－4，相应的系统能量分辨率为1.5%～2.1%（对7MeV反冲质子），满足紧凑型MPR谱仪的设计要求。

图8 5.155MeVα粒子对应不同光阑设置的焦平面空间分布Fig.8 Distributions of 5.155MeVαparticles on focal plane under different aperture configurations

3 结论

本工作介绍了紧凑型磁质子反冲谱仪的设计思路，通过三维粒子输运和蒙特卡罗模拟对谱仪主体——磁分析系统的性能进行了分析。使用CR－39固体径迹探测器及239Pu和226Ra源发射的多个能量α粒子对系统焦平面位置进行了准确测量，结合三维粒子输运计算得到反冲质子在磁分析系统焦平面上的能量－位置响应性能。结果表明，磁分析系统具有良好的能量离散与聚焦性能，通过改变质子光阑尺寸和间距，能够以1.5%～2.1%的能量分辨率（对7MeV反冲质子）实现（0.5～1.4）×10－4的探测效率。磁分析系统结构紧凑，总质量小于300kg，符合紧凑型MPR谱仪的设计目标。

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