核电子学技术原理 陈 炼 近代物理系419, 63607152 Email: chenlian@ustc.edu.cn.

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1 核电子学技术原理 陈 炼 近代物理系419,

2 课件地址： 主要参考书： http://staff.ustc.edu.cn/~chenlian/核电子技术原理
[1]、核电子学方法，虞孝麒编，科大自编讲义 [2]、核电子学原理，王芝英等，原子能出版社 [3]、核电子学，王经谨等，原子能出版社 [4]、粒子探测器与数据获取,谢一冈等,科学出版社 [5]、粒子探测技术,汪晓莲等,中国科学技术大学出版社

3 核电子学研究对象 通过观测微观粒子相互作用过程中产生的各种辐射，获得作用过程中的各种信息，从而揭示出微观世界的奥秘
辐射粒子的类型 粒子的能量动量 各种辐射粒子间的时间关系 辐射粒子在空间穿越的径迹等 核电子学研究的是如何处理和分析核辐射探测器给出的电信号

4 微观粒子的探测过程 辐射源：放射源、对撞机、激光束、固定靶 . . . 探测器：电离室、正比管、闪烁体 . . .
电信号：电信号检出、前置放大、阻抗变换 模拟处理：放大、成形、滤波 . . . 数字化：ADC、TDC、甄别器、计数器 . . . 数据获取系统：数据处理、在线分析、数据存储 . . .

5 核电子学应用领域 随着实验物理的不断发展，核电子学技术也渗透到其他应用领域中，并不断促进着电子技术的发展 原子核物理和粒子物理 等离子体物理
天文物理 量子光学 核技术应用等

6 核电子学应用：ICF实验 ICF（惯性约束聚变，Inertial Confinement Fusion）是实现受控热核聚变很有希望的途径
在60年代初，我国物理学家王淦昌教授和美、苏科学家几乎同时提出利用高功率脉冲激光束辐照聚变燃料靶丸产生高温高密度等离子体，在极短时间和惯性约束状态下引发热核聚变 ICF的长远目标和MCF（磁约束聚变）一样，是实现经济、干净的聚变能源

7 核电子学应用：ICF实验 ICF实验物理过程示意图

8 核电子学应用：ICF实验 我国的ICF实验研究装置： “神光-I”激光装置（1986年完成） “神光-II”激光装置（2001年完成）

9 核电子学应用：ICF实验 ICF实验物理诊断
为研究ICF物理实验过程，需要建立一系列的诊断设备，对X光、可见光、粒子等进行能谱、时间、空间的全面诊断，以提供充分的物理信息 ICF诊断技术几乎包含了所有的辐射和粒子诊断技术

10 核电子学应用：ICF实验 神光III原型实验中靶室诊断设备布局：

11 核电子学应用：ICF实验 ICF时间同步机
时间同步机的作用就是根据不同测量设备所需要的不同延时量和时间精度来给出正确的触发信号，去触发相应的数据采集设备获取待测信号

12 核电子学应用：ICF实验 ICF时间同步机
按照数据采集设备对同步的时间精度、输出脉冲前沿和输出脉冲幅度要求可以分为快同步机、主同步机、副同步机和终端同步机四类 快同步机的延时精度为30ps，输出脉冲前沿小于200ps，幅度在10~15V ，用于触发超高速数据采集设备，如条纹相机、分幅幅机等 主同步机的延时精度为30ps，输出脉冲前沿小于200ps，幅度在5V，用于触发带宽10GHz以上的超高速数字化示波器等

13 核电子学应用：ICF实验 ICF时间同步机
副同步机的延时精度为50ps，输出脉冲前沿小于200ps，幅度约5V，用于触发高速数字化设备，如输入模拟带宽在1GHz的高速数字化示波器等 终端同步机的延时精度为5ns，输出脉冲前沿小于20ns，幅度和极性可根据不同设备变化，用于触发低速数字化示波器、数据采集板卡、模块、积分类测量等设备

14 核电子学应用：ICF实验 ICF时间同步机
快同步机和主同步机信号前沿小于200p，而幅度在10~15V 左右，因此产生信号的摆率需要达到5*104V/us，要达到这么大的信号摆率，一般的电路是无法实现的，只有雪崩电路才可能产生 利用时钟扇出方法，对来自主同步机的高速脉冲进行扇出，可作为副同步机的输出信号 终端同步机属于低精度同步机，其触发信号输入来自副同步机，输出信号一般用于触发中、低速设备 中、低速设备对触发信号的幅度、极性、延时量和宽度等要求种类繁多，因此终端同步机需要具备能够程控输出脉冲幅度、正负极性、延时、脉冲宽度的调节能力

15 核电子学应用：ICF实验 ICF时间同步机

16 核电子学应用：ICF实验 劳森判据与<ρR>诊断
要实现可控热核聚变点火，必须满足劳森判据，其中n为氘氚燃料原子数密度，τ为核反应的持续时间： 在ICF研究中，劳森判据通常简化为压缩靶丸密度ρ和半径R的简单关系： <ρR>是表针ICF靶丸质量和厚度的特征量，严重影响着点火靶的关键方面，如靶自持燃烧程度、燃烧份额、增益等，因此是ICF实验诊断中的重要课题

17 核电子学应用：ICF实验 <ρR>诊断
ICF实验在内爆燃烧时刻会产生大量中子，其能量达几~几十MeV，能轻松的从内爆核心区域逃逸出来 通过测量ICF内爆产生的次级中子，甚至三次中子能谱，就可给出<ρR>的实验值 建立大阵列中子探测器，利用飞行时间法（TOF）来测量产额极低的次级中子能谱，几乎是目前国际上进行<ρR>诊断的唯一手段，已成为当前ICF领域内的标准技术

18 核电子学应用：ICF实验 飞行时间探测器阵列
神光-Ⅲ原型上的中子飞行时间探测器阵列（nTOF）有960个独立通道，每个通道都有各自独立的闪烁体探测器、光电倍增管和电子学系统，阵列距靶室中心16.67米

19 核电子学应用：ICF实验 飞行时间探测器阵列 16通道原型系统结构框图

20 核电子学应用：ICF实验 飞行时间探测器阵列 80通道原型系统

21 核电子学应用：天文技术 我国的大型望远镜 大型天文望远镜的发展 郭守敬望远镜（LAMOST） 500米口径球面射电望远镜（FAST）
口径大，结构复杂 观测数据量大 设备平台多样化 空间跨度大，运行时间长

22 核电子学应用：天文技术 国际主要的光学望远镜 口径 国家 建成 E-ELT 39.4米 欧南台 计划中 TMT 30米 美加日中印巴 GMT
名称 口径 国家 建成 E-ELT 39.4米 欧南台 计划中 TMT 30米 美加日中印巴 GMT 21.4米 美澳 LBT 11.4米 美国 2004 GTC 10.4米 西班牙 2006 LAMOST 4.9米 中国 2008

23 核电子学应用：天文技术 国际主要的射电望远镜 口径 国家 建成 ALMA 12米*66 国际合作 在建 FAST 500米 中国 GBT
名称 口径 国家 建成 ALMA 12米*66 国际合作 在建 FAST 500米 中国 GBT 110米 美国 2000 Arecibo 305米 1963 Parkes 64米 澳大利亚 1961 Lovell 76米 1957

24 核电子学应用：天文技术 科学级成像系统 CCD系统 数据获取系统 大容量高速数据的获取和传输 设备级的控制系统 望远镜管控系统
控制系统领域模型 系统架构

25 核电子学应用：天文技术 科学级成像系统 CCD于1969年发明，目前已经成为地面和空间望远镜探测器的首选
在天文学、高能物理、核物理等领域，越来越多的物理实验和大型科学仪器平台需要使用各种成像系统，如CCD成像天文观测、软X射线CCD成像、红外相机、基于CCD的暗物质搜索等 成像系统主要使用CCD，而科学级的CCD要求有更高的性能，如高的量子效率（在可见光和红外波段大于90%）、大的光子动态范围（超过100k电子）、更小的像素尺寸（10um左右）

26 核电子学应用：天文技术 成像系统：

27 核电子学应用：天文技术 CCD相机系统：

28 核电子学应用：天文技术 TEC（Thermoelectric Cooler）温度控制系统： 热电杜瓦设计 TEC驱动电路 温度控制系统

29 核电子学应用：天文技术 数据获取和传输： 基于光纤和USB的CCD前端集成系统

30 核电子学应用：天文技术 数据获取和传输： 基于光纤的远距离传输和集成

31 核电子学应用：天文技术 设备级控制系统： CCD数据获取中心控制系统

32 核电子学应用：天文技术 望远镜管控系统： 望远镜控制系统的设计、集成 远程观测和维护平台

33 核电子学应用：天文技术 FAST总控系统：

34 核电子学应用：天文技术 FAST总控系统：

35 核电子学应用：天文技术 天文技术中应用的核电子学关键技术： CCD前端低噪声读出 高速高精度ADC采样系统 高速数据读出与传输
低温低压条件下的电子学研究 控制节点的控制和处理 软件架构设计 控制流程研究 软硬件的集成 数据获取系统状态监控 故障诊断和处理

36 核电子学应用：量子光学 传统的RSA密码系统 量子计算机 其安全性建立在经典计算机分解大数因数的十分困难的基础之上
是目前最广泛被采用的公钥密码系统 量子计算机 量子Shor算法，将大数因子分解的计算复杂度从指数关系转 为多项式关系 RSA公钥加密术将不再安全

37 核电子学应用：量子光学 量子保密通信：基于量子力学的基本原理，而非计算的复杂性，来实现量子密钥的产生与分发，以保证信息的绝对安全
量子测量原理 不可克隆原理 量子不可分割 一次一密，完全随机

38 核电子学应用：量子光学 量子保密通信的基本方案 BB84协议：基于两种共轭基的四态方案，利用单光子量子信道中的测不准原理
B92协议：基于两个非正交量子态性质的Bennett方案，利用非正交量子态不能同时精确测量的原理 E91协议：基于量子纠缠ERP关联光子对的Ekert方案，利用ERP（Einstein-Podolsky-Rosen）效应

39 核电子学应用：量子光学 基于QKD（Quantum Key Distribution）的量子保密通信

40 核电子学应用：量子光学 基于QKD的量子保密通信

41 核电子学应用：量子光学 基于QKD的量子保密通信 真正意义上的单光子源还无法实现，一个脉冲中有一定概率会发射多个光子
如果从多光子态中分出一个光子，就可窃听到信息并不被通信方发现 Decoy（诱骗态）方案：在信号态中参杂部分Decoy态，其光强与信号光成一定比例，如果第三方用分光子的方法窃听，将导致接收方的信号态与Decoy态比值发生变化

42 核电子学应用：量子光学 基于QKD的量子保密通信

43 核电子学应用：量子光学 量子保密通讯中的核电子学： 单光子源 高精度同步系统 单光子探测器 脉冲宽度窄 工作频率高 波长、线宽、功率稳定
时间晃动小 同步激光的发送与探测 单光子探测器 探测效率高 暗计数小

44 核电子学应用：量子光学 量子保密通讯中的核电子学： 控制逻辑 密钥提取 通讯管理 . . . 同步 数据获取 身份认证 基矢对比 纠错
密钥管理 加密/解密逻辑 通讯控制 . . .

45 核电子学应用：量子光学 单光子探测方式 光电倍增管 超导单光子探测器 半导体单光子探测器 高灵敏度、高增益、响应快、成本低
需要工作高压，感光波段截止于1050nm，不适用光纤通讯 超导单光子探测器 暗计数低、重复频率高、后脉冲概率低 工艺复杂、生产成本高、需要制冷和真空环境，体积庞大 半导体单光子探测器 体积小、性能适中、功耗低 封装方便、生产运营成本低 是实用化量子保密通讯中理想的单光子探测设备

46 核电子学应用：量子光学 半导体单光子探测器 工作状态：盖革模式
Si-APD（ nm）、Ge-APD（ nm）、InGaAs/InP-APD（ nm） 在光纤通讯中，一般使用1310nm和1550nm两个波段，多采用InGaAs/InP-APD探测器 在自由空间通讯应用中，多采用Si-APD探测器 工作状态：盖革模式 自由模式：无同步信号、光子到达时触发雪崩 门模式：有同步信号、雪崩信号在门内被触发 由于材料工艺限制，暗计数和后脉冲较高，一般采用门模式

47 核电子学应用：量子光学 自主研发的单光子探测器 下一代单光子探测器 计数频率：100MHz-1GHz 弱雪崩 采用门控模式
探测效率：大于20% 暗计数：小于10-6/门 多通道、小型化、抗攻击 . . .

48 核电子学应用：核技术应用 工业物料成分的实时在线检测技术 瞬发伽玛射线中子活化分析（PGNAA）技术 X荧光分析技术 红外分析技术
瞬发伽玛射线中子活化分析技术 瞬发伽玛射线中子活化分析（PGNAA）技术 中子与物料中核素发生辐射俘获、非弹性散射等反应时，会发射特征伽玛射线 通过检测特征伽玛射线的能谱，可辨别物料中元素的种类及其含量 已成为满足工业大块物料成分检测需求的最佳选择

49 核电子学应用：核技术应用 PGNAA技术的应用 煤炭、水泥、钢铁等资源密集消耗型行业

50 核电子学应用：核技术应用 PGNAA技术中的关键技术 DD/DT中子源 大块物料核信息探测与采集 能谱修正及信息一体化处理 高产额 长寿命
小型化 大块物料核信息探测与采集 探测效率高 抗噪能力强 实时性强 能谱修正及信息一体化处理 多元耦合修正 快速信息处理