一种紧凑型伽马射线探测光学系统的制作方法

[0001]
本实用新型涉及聚变历程探测技术，具体涉及一种应用于核聚变研究的紧凑型伽马射线探测光学系统。


背景技术：

[0002]
聚变能源是一种无污染的清洁能源，世界各国都竞相对相关技术的研发投入大量人力和物力。然而实现聚变的条件极为苛刻，燃料需要达到极端高温、高压，目前激光惯性约束聚变(icf)和磁约束聚变是实现这一条件两种最有前途的技术途径。
[0003]
在激光惯性约束聚变中，高能激光入射黑腔，能量在其内壁沉积，产生x光辐射；x光经过黑腔再吸收和再辐射，最终在黑腔内形成均匀辐射场；进而辐照烧蚀靶丸，使其向心内爆，聚变燃料被压缩至极端高温、高压，发生热核聚变，以中子辐射、伽马射线辐射等形式释放大量能量。
[0004]
中子、伽马射线作为聚变反应的特征产物，其辐射过程表征了聚变燃料的聚变过程。目前，在激光惯性约束聚变研究中，已经发展了基于中子发射探测的聚变历程诊断技术，并成功应用到激光聚变装置中，获得了聚变历程数据，为icf理论研究提供了关键技术支撑。
[0005]
然而，由于中子具有质量，不同能量(速度不同，能量不同)的中子其飞行速度是不一样的，即便是同一时刻辐射的中子，经过一段距离的飞行之后，也会出现大量的时间弥散，先后到达中子探测器。这样，不同时刻的辐射中子在探测器上是相互叠加的，大幅降低了聚变历程探测的时间分辨能力。在实际应用中，为了降低这种时间弥散，往往将探测器抵近聚变燃料 (2cm-20cm)，以减小飞行距离。然而，抵近探测占用了较大的立体角，严重干扰了相邻设备的观测、诊断通道。


技术实现要素：

[0006]
为了解决现有技术，存在大幅降低了聚变历程探测的时间分辨能力，以及为了降低时间弥散将探测器抵近聚变燃料，导致干扰相邻设备工作的技术问题，本实用新型提供了一种紧凑型伽马射线探测光学系统。
[0007]
为实现上述目的，本实用新型提供的技术方案是：
[0008]
一种紧凑型伽马射线探测光学系统，其特殊之处在于：包括密封壳体、转换体、主反射镜、次反射镜及探测器；
[0009]
所述密封壳体内设有密封套，且密封套的一端通过压力密封窗密封，另一端与密封壳体的后端盖连接；所述后端盖中部设有与密封套相适配的通孔，密封套密封连接在该通孔外侧的后端盖上；密封套、压力密封窗及密封壳体形成的腔体内充有高压气体；
[0010]
所述转换体、次反射镜、主反射镜沿伽马射线出射方向依次同轴设置在密封壳体内，且主反射镜套装在密封套上；所述主反射镜和次反射镜均为凹面反射镜；
[0011]
所述探测器设置在密封套内，且探测器的探测面位于主反射镜和次反射镜之间；
[0012]
伽马射线穿过密封壳体的前端盖，入射至转换体，与转换体的电子碰撞激发出高速电子，高速电子与高压气体产生切伦科夫光子，光子依次经主反射镜和次反射镜反射后，穿过压力密封窗，到达探测器的探测面；
[0013]
主反射镜和次反射镜之间的距离需满足：t1＜t＜t2；
[0014]
其中，t为伽马射线入射至转换体，产生切伦科夫光子经主反射镜、次反射镜、压力密封窗，到达探测器探测面的时间；
[0015]
t1为伽马射线依次直穿转换体、次反射镜、压力密封窗，到达探测器探测面所需时间；
[0016]
t2为伽马辐射产生的次生伽马射线，到达探测器探测面所需时间。
[0017]
进一步地，所述密封壳体内沿伽马射线出射方向设有n个挡光环，用于滤除杂光，n为正整数，且n≥2。
[0018]
进一步地，所述密封壳体内还设有屏蔽环，用于滤除大角度的切伦科夫光子；
[0019]
所述n个挡光环为沿伽马射线出射方向依次设置的第一挡光环、第二挡光环
……
第n挡光环；
[0020]
所述屏蔽环位于第一挡光环和第二挡光环之间，且与第一挡光环相邻设置。
[0021]
进一步地，所述次反射镜靠近转换体的端面设有次镜前屏蔽体；
[0022]
所述次反射镜靠近探测器的端面设有次镜空隙屏蔽体；
[0023]
所述主反射镜靠近次反射镜的端面设有探头外屏蔽体，且套装在密封套上。
[0024]
进一步地，所述主反射镜到转换体的距离为1058mm，次反射镜到转换体的距离为950mm，压力密封窗到转换体的距离为1009mm，探测器的探测面到转换体的距离为1027mm。
[0025]
进一步地，所述主反射镜的球面半径为-383.88；
[0026]
主反射镜的二次曲线系数k、二阶系数α1、四阶系数α2、六阶系数α3、八阶系数α4、十阶系数α5分别为-0.355412、-2.578422
×
10-4
、3.238440
×
10-9
、 6.868379
×
10-15
、1.380407
×
10-17
、-7.828763
×
10-22
；
[0027]
所述次反射镜的球面半径为59.55；
[0028]
次反射镜的二次曲线系数k、二阶系数α1、四阶系数α2、六阶系数α3、八阶系数α4、十阶系数α5分别为-3.023504、-8.155204
×
10-3
、1.295230
×
10-6
、
ꢀ-
3.302616
×
10-10
、8.337472
×
10-14
、-1.197747
×
10-17
；
[0029]
所述主反射镜和次反射镜的面型均为偶次非球面，面型公式如下：
[0030][0031]
式中：z为反射镜矢高；c为球面半径的倒数；r为径向变量。
[0032]
进一步地，所述转换体、主反射镜、次反射镜、压力密封窗、探测器探测面直径分别为70mm、170mm、80mm、40mm、10mm。
[0033]
进一步地，所述转换体的材质为铍，主反射镜和次反射镜的材质均为铝。
[0034]
所述压力密封窗为蓝宝石压力密封窗；
[0035]
所述高压气为co2或c2f6。
[0036]
同时，本实用新型公开了一种紧凑型伽马射线探测方法，其特殊之处在于，包括以下步骤：
[0037]
1)伽马射线穿过密封壳体入射至转换体，与转换体的电子碰撞激发出高速电子；
[0038]
2)高速电子的速度超过光在密封壳体内高压气的速度，高速电子与高压气体产生切伦科夫光子；
[0039]
3)主反射镜和次反射镜对切伦科夫光子的光路进行折转，使其穿过压力密封窗到达探测器探测面；
[0040]
主反射镜和次反射镜之间的距离需满足：t1＜t＜t2；
[0041]
其中，t为伽马射线入射至转换体，产生切伦科夫光子经主反射镜、次反射镜、压力密封窗，到达探测器探测面的时间；
[0042]
t1为伽马射线依次直穿转换体、次反射镜、压力密封窗，到达探测器探测面所需时间；
[0043]
t2为伽马辐射产生的次生伽马射线，到达探测器探测面所需时间；
[0044]
4)探测器对步骤3)中到达探测器探测面时间t的光子历程进行探测，可获得伽马射线辐射历程。
[0045]
与现有技术相比，本实用新型的优点是：
[0046]
1、本实用新型探测光学系统采用对伽马射线进行探测，由于伽马射线具有极强的穿透性，没有中子的飞行时间弥散问题，可以远距离实时探测，且具有更高的时间分辨能力。通过伽马射线入射转换体，产生高速电子，高速电子在密封壳体的高压气体中产生切伦科夫辐射光子，通过光子发射历程的探测，可以间接获得伽马射线辐射历程；采用主反射镜和次反射镜将光路折叠，使得切伦科夫辐射光子在直穿伽马到达探测器后到达，且在次生伽马到达探测器前到达，有效去除干扰信息，通过具有超快时间响应的探测器对到达探测面时间 t的光子发射历程进行探测，可以间接获得伽马射线辐射历程。
[0047]
2、本实用新型探测光学系统中主反射镜和次反射镜采用非球面反射镜，不同于常规典型的卡塞格林光路，主反射镜和次反射镜均为凹面反射镜(卡塞格林系统主反射镜为凹面，次反射镜为凸面)，本实用新型系统具有更短的像距，从而使探测器探测面置于主反射镜和次反射镜之间，避免伽马射线入射主反射镜产生的与伽马辐射方向同向的次生辐射影响测量结果。
[0048]
3、本实用新型在密封壳体内设挡光环和屏蔽环，有效滤除杂光以及杂散切伦科夫光子干扰。
[0049]
4、本实用新型的主反射镜和次反射镜材料选择铝质基底，采用金刚石数控车削进行加工，使得成本较低。
附图说明
[0050]
图1是本实用新型紧凑型伽马射线探测光学系统的结构示意图一(收集前部位置切伦科夫光子)；
[0051]
图2是本实用新型紧凑型伽马射线探测光学系统的结构示意图二(收集中部位置切伦科夫光子)；
[0052]
图3是本实用新型紧凑型伽马射线探测光学系统的结构示意图三(收集中后部位置切伦科夫光子)；
[0053]
其中，附图标记如下：
[0054]
1-转换体，2-主反射镜，3-次反射镜，4-压力密封窗，5-探测器，6-屏蔽环，7-次镜前屏蔽体，8-次镜空隙屏蔽体，9-探头外屏蔽体，10-挡光环，11
-ꢀ
密封壳体，12-前端盖，13-充气阀，14-压力计，15-后端盖，16-密封套。
具体实施方式
[0055]
以下结合附图和具体实施例对本实用新型的内容作进一步详细描述。
[0056]
由于伽马射线具有极强的穿透性，没有飞行时间弥散问题，可以远距离实时探测，且具有更高的时间分辨能力，因此，本实用新型提出了基于伽马射线探测的聚变历程诊断光学系统，在该系统中，伽马射线入射铍等转换体1，伽马射线轰击铍原子，产生高速电子，高速电子在高压气体(co2、c2f6等)中产生切伦科夫辐射光子，通过光子发射历程的探测，可以间接获得伽马射线辐射历程。
[0057]
如图1所示，一种紧凑型伽马射线探测光学系统，基于对聚变特征产物(伽马射线)辐射过程的探测，获取聚变的过程信息，该探测光学系统包括密封壳体11、密封套16以及光学元件，光学元件包括转换体1、主反射镜2、次反射镜3、探测器5；密封壳体11后端盖15中部设有与密封套16相适配的通孔，密封套16位于密封壳体11内，且密封套16的一端通过压力密封窗4密封，另一端连接于密封壳体11的通孔处；密封套16、压力密封窗4及密封壳体11 形成的密封腔体，且腔体内充有高压气体；转换体1、次反射镜3、主反射镜2 沿伽马射线出射方向依次同轴设置且位于在密封壳体11内，同时主反射镜2 套装在密封套16上，主反射镜2和次反射镜3均为凹面反射镜；转换体1靠近密封壳体11的前端盖12，探测器5设置在密封壳体11后端通孔处的密封套 16内，且探测器5的探测面位于主反射镜2和次反射镜3之间。
[0058]
伽马射线穿过密封壳体11前端盖12入射至转换体1，与转换体1的电子碰撞，激发出高速电子，高速电子与高压气体产生切伦科夫光子，光子依次经主反射镜2收集、次反射镜3反射后，穿过压力密封窗4，到达探测器5的探测面。
[0059]
本实施例光学系统中光学元件参数见下表1
[0060]
表1光学元件参数
[0061][0062]
表1中，坐标数据采用如图1所示的右手坐标系，水平向右为+z轴，垂直向里为+x轴，向上为+y轴。主反射镜2、次反射镜3的半径定义如下：若球心在镜体左侧，半径为负；若球心在镜体右侧，球面半径为正。主反射镜2、次反射镜3面型均为偶次非球面，其面型公式如下式(1)所示：
[0063]
偶次非球面面型公式：
[0064][0065]
式中：z为反射镜矢高；c为球面半径的倒数；k为二次曲线系数；α1～α5：偶次非球面系数；r为径向变量。
[0066]
本实施例光学系统能够收集密封壳体11中不同z向位置的发光信号，如图1至图3所示。因此，本实施例探测光学系统的密封壳体11中不同z向位置的切伦科夫光子都能到达探测器5，提升了信号的收集探测能力。
[0067]
本实施例光学系统中一个关键的问题是去除干扰信号。干扰信号的来源主要有三个方面：直穿伽马干扰、次生伽马干扰、杂散切伦科夫光子干扰。
[0068]
直穿伽马干扰：指的是激光聚变过程中产生的伽马辐射，依次穿过高压密封壳体11的前端盖12、转换体1、次反射镜3、压力密封窗4，到达探测器5 探测面，产生的信号干扰；
[0069]
次生伽马干扰：指的是激光聚变过程中产生的伽马辐射，遇到围绕其圆周布置的各种探测仪器，与材料原子核碰撞产生的次生伽马射线，以及与密封壳体11碰撞产生的次
生伽马射线，最终到达探测器5探测面，形成的信号干扰；
[0070]
杂散切伦科夫光子干扰：指的是密封壳体11内部产生的、没有被光学系统收集的切伦科夫光子，经过密封壳体11内部各个元件的多次散射，到达探测器5探测面，形成的信号干扰。
[0071]
针对上述三种主要干扰信号，本实施例光学系统进行了干扰滤除设计。
[0072]
首先，(直穿伽马干扰和次生伽马干扰的滤除)利用直穿伽马和次生伽马的到达时间差，进行干扰识别与滤除。直穿伽马没有经过任何折转，伽马辐射依次穿过转换体1、次反射镜3、压力密封窗4，到达探测器5探测面，是最先到达探测器5的信号；次生伽马射线由于经过500mm以上的折转(诊断设备距离聚变靶丸的常规要求)，次生伽马到达探测器5比直穿伽马滞后约16.7ns 的时间。直穿伽马到达后至次生伽马到达前，即16.7ns的时间段是没有伽马干扰的时间窗口，因此，本实施例设计主反射镜2和次反射镜3之间的距离需满足：t1＜t＜t2；
[0073]
其中，t为伽马射线入射至转换体1，产生切伦科夫光子经主反射镜2、次反射镜3、压力密封窗4，到达探测器5探测面的时间；
[0074]
t1为伽马射线依次直穿转换体1、次反射镜3、压力密封窗4，到达探测器5探测面所需时间；
[0075]
t2为伽马辐射产生的次生伽马射线，到达探测器5探测面所需时间。
[0076]
本实施例光学系统根据该16.7ns时间窗口，采用主反射镜2、次反射镜3 将光路折叠220mm(经主、次反射镜3折叠后的光程，与聚变靶点至探测器5 的直线光程相差220mm)，使切伦科夫信号在直穿伽马到达后7.3ns时刻到达，通过具有超快时间响应的探测器5进行信号识别，以便将其滤除。
[0077]
其次，(杂散切伦科夫光子干扰的滤除)采用光学多级挡光环及屏蔽单元；多级挡光环具体为：在密封壳体11内设有多个间隔设置的挡光环10，用于滤除杂光，本实施例中挡光环10的数量为5个，5个挡光环10沿伽马射线出射方向依次同轴设置，分别为第一挡光环、第二挡光环
……
第五挡光环；密封壳体11内还设有屏蔽环6，用于滤除大角度的切伦科夫光子，屏蔽环6位于第一挡光环和第二挡光环之间，且与第一挡光环相邻设置。屏蔽单元包括设置在次反射镜3前端面的次镜前屏蔽体7、设置在次反射镜3后端面的次镜空隙屏蔽体8、设置在主反射镜2前端面的探头外屏蔽体9，次镜前屏蔽体7的结构形状为实心圆锥台，且前端直径小于后端直径；次镜空隙屏蔽体8的结构形状为实心圆锥体，且圆锥体的底面设置在次反射镜后端面；探头外屏蔽体9的结构形状为外壁带有锥角的管状体，且前端外径小于后端外径。
[0078]
本实施例光学系统还包括设置在密封壳体11上的压力计14和充气阀13，分别用于测量密封壳体11内的压力和对密封壳体11进行补充高压气体。
[0079]
基于上述探测光学系统，本实施例提供一种紧凑型伽马射线探测方法，包括以下步骤：
[0080]
1)伽马射线穿过密封壳体11入射至转换体1，与转换体1的电子碰撞激发出高速电子；
[0081]
2)高速电子的速度超过光在密封壳体11内高压气的速度，高速电子与高压气体产生切伦科夫光子；
[0082]
3)切伦科夫光子经主反射镜2和次反射镜3进行光路折转，使其穿过压力密封窗4到达探测器5探测面的时间t晚于直穿伽马辐射到达探测器5探测面的时间t1，且早于次生伽马辐射到达探测器5探测面的时间t2；
[0083]
4)探测器5对到达探测器5探测面时间t的光子历程进行探测，可间接获得伽马射线辐射历程。
[0084]
以上仅是对本实用新型的优选实施方式进行了描述，并不将本实用新型的技术方案限制于此，本领域技术人员在本实用新型主要技术构思的基础上所作的任何公知变形都属于本实用新型所要保护的技术范畴。