新型脉冲伽马时间谱测量方法研究

The measurement of ultra-fast pulsed gamma-ray temporal profile is one of the key difficulties and hot issues in the field of radiation detection. In order to establish a new detection technique for measuring low intensity, MeV-level ultra-fast pulsed gamma-ray temporal profile, a novel class of "Rad-Optic" detection method based on free carrier intra modulation in semiconductor laser cavity is proposed in this project. Fast time response of carriers in the semiconductor and signal gain in laser active region are the main physical processes of the detection. It is indicated to obtain high gamma sensitivity on the premise of retaining the fast time response for the detection system. The project will focus on studying the key physical problems of the detection method, optimizing and establishing the fundamental detection system, and studying the time response characteristics of the detection system, in order to explore the feasibility to solve the problem of ultra-fast (<100ps) pulsed gamma-ray temporal profile detection. The research results will provide a usefull technical choice for the ultra-fast pulsed gamma-ray temporal profile diagnosis of ICF fusion facility, inverse Compton scattering gamma source and so on.

超快脉冲伽马时间谱测量是辐射探测领域的主要难点、热点问题之一。为了探索建立用于测量低强度、MeV级超快脉冲伽马射线时间谱的新型探测技术，本项目提出了一种基于半导体激光器腔内自由载流子调制的新型“辐射-光”探测方法，半导体载流子快响应与激光器腔内增益是该方法的主要物理过程，理论上有望在保留系统快时间响应的前提下实现较高的系统伽马灵敏度。项目将通过开展探测方法的关键物理问题研究、原理型探测系统优化与建立、探测系统时间响应特性等方面的研究，探索其解决100ps以下超快脉冲伽马时间谱测量难题的可行性，研究成果将为ICF聚变装置、逆康普顿散射伽马源等装置的超快脉冲伽马时间谱诊断提供有益的技术补充。

脉冲辐射场的时间特征是体现相应辐射源动态物理过程的重要信息载体，伽马脉冲辐射粒子强度随时间的变化曲线称为伽马脉冲射线时间谱，是表征脉冲伽马射线源及其辐射场动态过程的关键数据。对于激光惯性约束核聚变(ICF)装置与逆康普顿散射伽马源等超快脉冲伽马射线源及其辐射场的诊断需求，要求时间谱探测系统具备100ps甚至ps量级的时间分辨。受限于空间电荷效应，传统的电流型探测系统难以实现100ps以下的时间分辨能力。这也使得100ps以下的超快脉冲伽马时间谱测量一直是脉冲辐射场诊断方法与技术发展中的重难点问题之一。. 理论上阐述了脉冲伽马射线向激光信号的保真转换问题，重点分析了基于该探测方法的系统灵敏度及时间响应特性，开展了探测方法相关的理论分析与计算工作，采用Monte Carlo方法理论估计了MeV级伽马射线的相对探测灵敏度数值，基于探理论分析结论完成了原理型探测系统的建立与优化。通过优化激光二极管器件选型和激光测量器件参数，建立了具备超快时间响应能力的伽马时间谱探测系统，基于双层一维闪烁体阵列端面成像方法设计研制了一套小束斑伽马位置灵敏探测系统，解决了小束斑电子束/伽马束与激光二极管的空间对准难题，位置分辨＜500μm，解决了超快脉冲电子束微束斑与半导体激光芯片的小尺度空间对准实验难题，通过半导体激光脉冲化解决了半导体激光焦斑与超快光电二极管灵敏区的光路准直问题。. 重点完成了探测系统时间响应特性和MeV伽马灵敏度考核实验研究。时间特性实验研究方面，采用ps级超快电子直线加速器完成了系统时间响应能力评估，实验证明基于激光二极管腔内载流子调制的新型MeV级伽马时间谱测量方法系统具备100ps以下的时间分辨水平；MeV级强流脉冲伽马射线系统考核方面，先后利用不同两种原理型探测系统，基于“强光一号”强流伽马射线源开展了系统强脉冲响应和灵敏度考核实验研究，优化后的系统灵敏度约为2.3E-21C•cm2，实验证明了在确保系统具有超快时间响应的前提下，系统优化显著提升了伽马探测灵敏度，证明了方法的先进性和有效性。. 研究成果将为ICF聚变装置、逆康普顿散射伽马源等超快脉冲伽马射线时间谱测量提供有益的技术补充，同时课题研究中设计研制的微束斑伽马位置灵敏探测系统为解决自由电子激光、逆康普顿散射源等准直型伽马射线微束斑位置监测与离线瞄准提供了可靠手段。