一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器

技术领域

本发明属于一种磁约束核聚变核测量装置，具体涉及一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器，特别适用于托卡马克装置的聚变产物伽马射线能谱测量。

背景技术

在磁约束核聚变等离子体放电实验期间，等离子体内由于核聚变或高能逃逸电子导致的光核反应将产生大量的伽马射线。利用伽马射线探测器对这些射线进行测量，可以获得等离子体的重要信息，例如：等离子体内的核素，快离子速度分布，逃逸电子能量等。因此，伽马射线测量是磁约束核聚变实验的重要诊断系统之一。随着聚变实验装置尺寸和等离子体参数的不断提升，伽马射线测量的重要性日益突出。

在测量伽马射线时，伽马射线在探测器内主要发生两种效应：光电效应和康普顿效应。发生光电效应时，整个伽马光子被原子吸收，其所有能量传递给原子中的一个电子，该电子获得能量后就离开原子被发射出来成为光电子。发生光电效应时射线光子的所有能量都沉积在探测器内，从而形成全能峰。发生康普顿效应时，伽马光子与原子外层电子发生弹性碰撞只将部分能量传递给外层电子，使该电子脱离原子核的束缚从原子中射出成为康普顿电子，因此伽马光子只有部分能量沉积在探测器内，从而形成了一个连续的康普顿坪。在伽马能谱测量中，只有全能峰才能提供伽马射线的真实信息，康普顿效应导致的康普顿坪干扰和扭曲了测量结果，甚至导致测量结果完全失真。因此，抑制康普顿效应是保障伽马射线测量结果正确性的关键基础。

目前，磁约束核聚变装置的伽马射线测量系统采用的探测器是大体积半导体探测器或闪烁体探测器，不具有康普顿抑制功能。因此测量得到的伽马射线结果，特别是伽马射线能谱，不能反映出伽马射线的真实信息。针对目前伽马射线探测器存在的缺点，本发明伽马射线探测器采用主探测器和次探测器结构的符合探测器，实现了康普顿抑制功能，非常有效地解决了目前磁约束核聚变伽马射线测量遇到的康普顿效应问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器，它极大地提高磁约束核聚变伽马射线测量结果的正确性和可靠性。

本发明的技术方案如下：一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器，它包括主探测器、次探测器，主探测器和次探测器构成复合探测器，通过主探测器、次探测器构成的复合探测器和伽马射线屏蔽准直系统，实现伽马射线测量时的康普顿抑制功能。

所述的主探测器包括液氮杜瓦、液氮循环控制、冷却杆、冷指和高纯锗灵敏体；其中，液氮循环控制与液氮杜瓦相连，用于液氮杜瓦内液氮的循环，高纯锗灵敏体依次通过冷指和冷却杆与液氮杜瓦相连。

所述的液氮杜瓦容量为30L，液氮循环控制，型号堪培拉CCII-HI，功率300W；冷却杆型号堪培拉RDC-10，长度10英寸，直径1英寸；冷指型号堪培拉RDC-120A，长度2.5英寸，直径0.5英寸；高纯锗灵敏体型号堪培拉GR4520，直径80mm，高度100mm，能量探测范围0.2-10MeV。

所述的次探测器包括八支光电倍增管、一个不锈钢固定套和八块梯形锗酸铋闪烁体，每一个梯形锗酸铋闪烁体后端均与一支电倍增管相连，八套梯形锗酸铋闪烁体和光电倍增管的组合构成一个中空的圆形阵列放置于不锈钢固定套内。

所述的光电倍增管型号滨松1949-50，增益倍数107，直径2英寸；不锈钢固定套材料不锈钢304，直径145mm，高度130mm，厚度2mm；锗酸铋闪烁体横截面为梯形，上边长35mm，下边长69mm，高30mm，长度120mm，能量探测器范围0.2-6MeV。

所述的伽马屏蔽准直系统包括不锈钢包层、铅屏蔽室、和入射窗，不锈钢包层位于最外层，包裹着铅屏蔽室，入射窗位于铅屏蔽室前端中心。

所述的不锈钢包层无磁不锈钢，型号316L，厚度2mm；铅屏蔽室铅壁厚度10cm；入射窗直径3cm，厚度10cm。

所述的液氮杜瓦放置于调节机构上，调节机构位于支撑平台上，调节安装好的复合探测器和伽马屏蔽准直室内放置于支撑平台上。

所述的支撑平台材料不锈钢304，长1.5m，宽0.8m，高1m；调节机构材料不锈钢304，直径0.6m，具有前后和上下调节功能。

本发明的有益效果在于：它有效地解决了目前磁约束核聚变伽马射线测量时的康普顿效应问题，非常适用于磁约束核聚变装置伽马射线测量。

附图说明

图1为本发明所提供的一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器总体示意图；

图2为图1中伽马射线探测器剖面图。

其中，1支撑平台，2调节机构，3液氮杜瓦，4液氮循环控制，5冷却杆，6光电倍增管(PMT)，7不锈钢包层，8铅屏蔽室，9不锈钢固定套，10锗酸铋(BGO)闪烁体，11入射窗，12冷指，13高纯锗(HPGe)灵敏体。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

目前的磁约束核聚变伽马射线测量通常采用单体的半导体或闪烁体探测器，这将无法消除康普顿效应的影响，从而导致测量结果扭曲变形，甚至完全失真。为解决这一难题，本发明提供了一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器。

如图1所示，一种具有康普顿抑制功能的磁约束核聚变伽马射线探测器，它包括主探测器、次探测器，主探测器和次探测器构成复合探测器，通过主探测器、次探测器构成的复合探测器和伽马射线屏蔽准直系统，实现伽马射线测量时的康普顿抑制功能。

主探测器包括：液氮杜瓦3、液氮循环控制4、冷却杆5、冷指12和高纯锗灵敏体13；其中，液氮循环控制4与液氮杜瓦3相连，用于液氮杜瓦3内液氮的循环，高纯锗灵敏体13依次通过冷指12和冷却杆5与液氮杜瓦3相连。液氮杜瓦3安装在调节机构2上，调节机构2安装在支撑平台1上。

液氮杜瓦3的容积为30L；液氮循环控制，型号堪培拉CCII-HI，功率300W；冷却杆，型号堪培拉RDC-10，长度10英寸，直径1英寸；冷指，型号堪培拉RDC-120A，长度2.5英寸，直径0.5英寸；高纯锗灵敏体13，型号堪培拉GR4520，直径80mm，高度100mm，能量探测范围0.2-10MeV。

如图2所示，次探测器包括：八支光电倍增管6、一个不锈钢固定套9和八块梯形锗酸铋闪烁体10；每一个梯形锗酸铋闪烁体10后端均与一支电倍增管6相连。八套梯形锗酸铋闪烁体10和光电倍增管6的组合构成一个中空的圆形阵列放置于不锈钢固定套9内。

光电倍增管，型号滨松1949-50，增益倍数107，直径2英寸；不锈钢固定套，材料不锈钢304，直径145mm，高度130mm，厚度2mm；锗酸铋BGO闪烁体，横截面为梯形，上边长35mm，下边长69mm，高30mm，长度120mm，能量探测器范围0.2-6MeV。

主探测器和次探测器构成复合探测器，如图2所示，把主探测器的13高纯锗灵敏体13放置于锗酸铋闪烁体10构成的圆形阵列的中空腔内。

伽马屏蔽准直系统包括：不锈钢包层7、铅屏蔽室8、和入射窗11。八套梯形锗酸铋闪烁体10和光电倍增管6的组合构成一个中空的圆形阵列放置于不锈钢固定套9内，不锈钢固定套9外套有铅屏蔽室8，铅屏蔽室8外套有不锈钢包层7。不锈钢包层7位于最外层，包裹着铅屏蔽室8，入射窗11位于铅屏蔽室8前端中心。复合探测器放置于伽马屏蔽准直室内，因此，当发生康普顿效应时，主探测器和次探测器都会有信号产生，而没有发生康普顿效应时只有主探测器有信号产生。据此，主探测器和次探测器的信号经过反符合处理后就得到了康普顿抑制后的伽马信号。

不锈钢包层，无磁不锈钢，型号316L，厚度2mm；铅屏蔽室，铅壁厚度10cm；入射窗，直径3cm，厚度10cm。

伽马射线经入射窗进入主探测器的梯形锗酸铋闪烁体10，伽马射线在梯形锗酸铋闪烁体10内发生康普顿效应时产生的散射伽马进入锗酸铋闪烁体10。

支撑调节平台部分包括：支撑平台1和调节机构2。如图1所示，调节机构2位于支撑平台1上，液氮杜瓦3放置于调节机构2上，调节安装好的复合探测器和伽马屏蔽准直室内放置于支撑平台1上。

支撑平台，材料不锈钢304，长1.5m，宽0.8m，高1m；调节机构，材料不锈钢304，直径0.6m，具有前后和上下调节功能。

伽马射线经入射窗11进入主探测器的高纯锗灵敏体13，入射伽马射线在高纯锗灵敏体13内发生康普顿效应时产生的散射伽马射线进入次探测器的锗酸铋闪烁体10，主探测器和次探测器输出符合和反符合信号，从而得到康普顿抑制之后的伽马射线信号。