慣性約束核聚變中子飛行時間譜儀的時間測量插件-免費文檔

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慣性約束核聚變實驗中子飛行時間譜儀的時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”原型及主機的靈敏中子探測器陣列的時間分辨期望達到1ns,為此探測器后的電子學(xué)系統(tǒng)的時間分辨期望達到100ps。采用ACAM

2、公司的GP2作為時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慣性約束核聚變實驗中子飛行時間譜儀的時間測量插件張岳華李鋒金革虞孝麒江曉合肥 202) 306 (安徽省物理電子學(xué)重點實驗室，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” 原型及主機的靈敏中子探測器

3、陣列的時間分辨期望達到 1n, s為此探測器后的電子學(xué)系統(tǒng)的時間分辨期望達到 10 s采用 A A公司的 G 2 0。 p CM P作為時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時間測量插件，其時間分辨小于 6 p。 1s 關(guān)鍵詞慣性約束聚變，中子飛行時間，G 2 D P,T C,V ME總線T 2 42 P 7. 中圖分類號C I F實驗中的 n O t T F】由強激光引起的慣性約束核聚變( F實驗中， I ) C 反應(yīng)物(燃料)離子溫度和平均密度半徑積 ( ) 是兩個重要參量。實驗中聚變產(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間( O ) n F探測系 T統(tǒng)測量中子產(chǎn)額和中子能譜。因為 IF C靶核在空間上可以近似看成點源，在時間上可以看作同時產(chǎn)生， 中子飛越到探測器過程中基本上不發(fā)生碰撞，因而可以用飛行時間技術(shù)來測量中子能譜。中子到達探測器的時間與中子的能量相對應(yīng)，中子到達探測器的時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間譜，可以在低產(chǎn)額情況下保持好的時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個中子探測器單元陣列組成，每一個單元有一個 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甄別器，產(chǎn)生定時邏輯信號；另一路是模擬信號。定時邏輯信號輸入 T C; D 模擬信號輸入到電荷積分 A C, D可以用來進行幅度時間游動校正。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)額的中子飛行時間譜( 距離，10個擊 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)博士點基金項目 ( 05 384 20 0 507)資助第一作者：張岳華，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，研究方向為物理實驗中的前端電子學(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原型及主機的大面積中子探測器陣列I F的最終目 C標(biāo)是實現(xiàn)高溫高密度熱核點火。 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。無論是目國際上進行的內(nèi)爆前實驗還是在將來的“神光”原型及主機上進行的內(nèi)爆實驗，估計次級

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，每次實驗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，同時又需要避免單個探測器的多次擊中，因此，大面積中子探測器陣列由 90 6個獨立的閃爍體.光電倍增管組成。具體實驗布局如圖 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。每個探測器只測量第一個到達探測器的中子。每道探測器的輸出信號經(jīng)過 T C和 A C進入 D D計算機。典型的情況下，平均每

10、個探測器有 00 . . 1 5個擊中，即有 10/doc/e91ab46f293de21a5584cb48 0個探測器各自 050測到 1個擊中， 將這 10_0 0 _ 50個粒子數(shù)組成一條中子飛行時間譜圖 1實驗布局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、較強的互換性和可維護性，同時也便于批量生產(chǎn)和能與 IF C綜合實驗數(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即是時間測量插件，用于測量中子飛行時間。它將探測器輸出的信號與激光打靶時同步觸發(fā)信號之間 的時間間隔(中子飛行時間)進行數(shù)字編碼，通過 V ME總線送到計算機。數(shù)碼值正比于時間間隔，從而可以得到中子飛行時間。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時間測量插件的性能指標(biāo)要求根據(jù) IF C實驗的物理目標(biāo)和大面積中子探測器的批量生產(chǎn)需求，整個系統(tǒng)的主

12、要技術(shù)指標(biāo)要求總的時間測量范圍為 1 10,時間分辨為 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)計余地， 提出的電子學(xué)總體時間分辨為 10p,其中時間測 0 s量插件 T C的時間分辨要求小于 6。 D 5s p時間測量插件的設(shè)計圖3是時間測量插件的框圖。時間測量插件的起始信號 S A T由激光打靶時同步觸發(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提供一個檢測端口，供未來組建整個系統(tǒng)時調(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)計時，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期張岳華等：慣性約束核聚變實驗中子飛行時間譜儀的時間測量插件時間測量最大量程為 1 s . u,每片有 2 8個通道，通過 SI P總線對芯片進行參數(shù)配置。括：工作模式的選擇；參考時鐘的參數(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)；運算器的參數(shù)等等。 G 2的工作流程如圖 5示，整個時間采集系 P所統(tǒng)的工作流程也就是圍繞 G 2 P進行的。由于每次讀取新的數(shù)據(jù)以前，都需要重新配置運算器的參數(shù)， 所以整個系統(tǒng)的計數(shù)率不可能太高。 I F在 C實驗中， 每次激光打靶的時間間隔很長(一般一小時以上), 對計數(shù)

15、率的要求很低，因此不需要考慮 G 2的計數(shù) P率的問題。圖 3時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通過延時反饋的方法產(chǎn)生高頻周期信號，計數(shù)器 (or o n r C us cu t ) e e計數(shù)周期信號；周期信號之間內(nèi)插入延時門， t t Sa經(jīng)過一定時間的周期信號延時后和 rt信號通過門延時相符合， o準(zhǔn)確計數(shù)信號符合時所經(jīng)過的延時門數(shù)目，以及周期計數(shù)器的/doc/e91ab46f293de21a5584cb48計數(shù)值，從而可

16、以精確地確定 So t p和 S r之間的時間問 tt a 。 而芯片內(nèi)部的門延時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，G 2自 P動測量 1 2個周期的參考時鐘(時間精度很高)獲得校正數(shù)，據(jù)；在輸出最終延時數(shù)據(jù)時，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)非常強調(diào)穩(wěn)定性，因此在設(shè)計時這個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時間測量插件的性能測試及最終結(jié)果我們研制了一個 V ME插件的時間測量插件作為原型樣機，組裝了四個通道 T C兩片 G 2和時 D ( P)間測量插件的框圖( 3所示)圖中的其它單元，因而很容易擴展成 l通道的插件。 6設(shè)置 G 2“ P為校正” 開啟模式，進行了電子學(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型延時箱延時后，作為停止信號 S p t送到時間測量插件。 o 設(shè)置延時箱不同的延時量(即時間間隔，在一個固定延時值下，測量得到了 1萬次數(shù)據(jù)

18、，得到一個統(tǒng)計分布的直方圖，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測到的延時值 D D t和半高寬， a) a以測試時間分辨；變更時間間隔， 共測量了 10 2個點，得到不同的延時量 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個點， 0每半小時測量一次， 保持系統(tǒng)開機，連續(xù)測量 1,以測試插件的穩(wěn)定 2 h性；抽取了 2個點，每次測量獲取 1萬次數(shù)據(jù)，重復(fù) 10以判斷統(tǒng)計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 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卷驗證統(tǒng)計誤差對峰值和半高寬影響的實驗表明，每個 1萬次采集時獲得的峰值和半高寬，和采集 1萬次、1

20、0 0 0萬次時一樣。統(tǒng)計誤差帶進的影響可以忽略，因此每個點測量 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,保證了整個模塊的穩(wěn)定性。 根據(jù) G 2 P的原理和實際的測試情況，最終需要做并道處理，把 8道并作 1,因此最終的時間分道辨應(yīng)該是 6 .p,小于 6 s 08 s 1,達到預(yù)期設(shè)計目標(biāo)。 p值和半高寬的結(jié)果是可靠的。 在所有測量的點中(同的延時量)不，半高寬均小于 12p,方差、 5 p。 2 s于 2 s在開啟“校正”時， 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)是實現(xiàn)高溫高密度熱

21、核點火。 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間(O ), T F譜 從而得到中子能譜，整個 n O T F的時間分辨期望能達到納秒或者亞納秒。為了給探測器系統(tǒng)預(yù)留足夠的設(shè)計空間，電子學(xué)系統(tǒng)的時間分辨期望達到 lO s級別。經(jīng)過最初的原型設(shè)計論證，我們采用 Op了 A A公司 G 2芯片作為時間測量子系統(tǒng)的核 C /doc/e91ab46f293de21a5584cb48M P心芯片。最終的設(shè)計指標(biāo)達到了預(yù)期目標(biāo)，時間分辨小于 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，根據(jù)前面得到 0的延時量一峰值對應(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