一種基于激光腔內(nèi)調(diào)制的輻射光探測方法及裝置的制造方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明屬于輻射探測方法及裝置，具體涉及一種可用于于脈沖電子、質(zhì)子、中子、 伽馬等電離輻射脈沖強(qiáng)度、時(shí)間譜測量的基于激光腔內(nèi)調(diào)制輻射-光探測器。 技術(shù)背景
[0002] 脈沖輻射探測技術(shù)是實(shí)驗(yàn)核物理學(xué)研宄領(lǐng)域中一個(gè)重要的技術(shù)分支。依據(jù)不同的 工作原理、具備不同的參數(shù)性能以及瞄準(zhǔn)不同的應(yīng)用目標(biāo)，已成功研發(fā)出多種不同的新型 核輻射探測器。目前常見的輻射探測器主要有徑跡型輻射探測器、電信號型輻射探測器以 及閃爍探測器等類型。
[0003] 脈沖輻射粒子（量子）在真空或介質(zhì)中的時(shí)空分布，稱為脈沖輻射場，其中時(shí)間特 征參數(shù)是描述脈沖輻射場時(shí)間分布的重要參數(shù)，具體包括脈沖上升時(shí)間與脈沖時(shí)間寬度。 脈沖強(qiáng)度以及時(shí)間譜測量的主流探測器基本都是電流型探測器，主要特點(diǎn)是探測器輸出信 號為電流信號、信號以同軸電纜傳輸并配備數(shù)字示波器以及電流計(jì)等記錄設(shè)備。
[0004] 電流型輻射探測器用于時(shí)間譜測量的脈沖時(shí)間響應(yīng)在ns量級，脈沖前沿可以到 亞ns，難以實(shí)現(xiàn)lOOps以下輻射脈沖的測量。而聚變過程如慣性約束核聚變過程時(shí)間尺度 在80-200ps，對探測器的時(shí)間響應(yīng)要求在10ps以下，目前沒有任何一種電流型探測器可以 實(shí)現(xiàn)這一指標(biāo)。
[0005] 由于激光脈沖可以采用高帶寬的光纖傳輸，且激光脈沖時(shí)間寬度可以通過變像管 條紋相機(jī)直接進(jìn)行測量，因此基于激光信號的新型輻射探測技術(shù)是近年來研宄的熱點(diǎn)課 題。
[0006] 美國勞倫斯.利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室首先提出基于激光方法的輻射-光探測器，并由實(shí) 驗(yàn)驗(yàn)證系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)小于l〇ps，完全可以實(shí)現(xiàn)超快X射線脈沖的時(shí)間譜測量目標(biāo)。
[0007] 根據(jù)已有的文獻(xiàn)資料報(bào)道的研宄成果，基于激光器件的核輻射探測方法具有以下 幾個(gè)特點(diǎn)：
[0008] (1)迄今為止，就可查閱的文獻(xiàn)來看，采用激光方法進(jìn)行核輻射探測都集中在外光 路（腔外），且大多是用于快脈沖的時(shí)間譜測量；
[0009] (2)基于半導(dǎo)體激光器的輻射探測方法并未涉及激光器件本身的設(shè)計(jì)，核心探測 前端仍是目前主流的電流型探測器；
[0010] (3)目前激光方法測量時(shí)間譜的測量系統(tǒng)時(shí)間響應(yīng)能力均可小于1ns，響應(yīng)時(shí)間 最小的為LLNL實(shí)驗(yàn)室提出的基于外光路折射率調(diào)制的探測技術(shù)，系統(tǒng)響應(yīng)時(shí)間實(shí)驗(yàn)結(jié)果 均小于10ps ;
[0011] ⑷就測量對象來看，主要以脈沖X射線或者脈沖Y射線，很少有用于電子與質(zhì)子 等帶電粒子測量的探測方法；
[0012] (5)目前最為前沿時(shí)間響應(yīng)也最小的外光路折射率調(diào)制方法，其實(shí)驗(yàn)方案細(xì)節(jié)并 未公布，晶體的關(guān)鍵設(shè)計(jì)參數(shù)也未知，系統(tǒng)靈敏度比較低，對實(shí)驗(yàn)條件及后端記錄設(shè)備指標(biāo) 要求很高。
[0013] 從上述特點(diǎn)不難看出，基于激光器件的核輻射探測技術(shù)研宄需求明確，利于實(shí)現(xiàn) 超快輻射脈沖時(shí)間譜的測量，但目前僅有少數(shù)實(shí)驗(yàn)室具備系統(tǒng)整體研制能力，基于激光方 法需要不斷創(chuàng)新思路，關(guān)鍵技術(shù)仍需進(jìn)一步探索研宄。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0014] 本發(fā)明提出一種基于激光器腔內(nèi)核輻射調(diào)制的輻射-光脈沖輻射探測器，針對不 同輻射粒子該探測器可以實(shí)現(xiàn)對電子與質(zhì)子等帶電粒子以及伽馬與中子等中性粒子脈沖 的測量。突出特點(diǎn)是采用激光內(nèi)調(diào)制方式的技術(shù)思路，具有較高的探測效率，探測器輸出信 號為激光信號（可以直接采用光纖進(jìn)行遠(yuǎn)距離傳輸）等優(yōu)點(diǎn)。
[0015] 本發(fā)明的解決方案為：
[0016] 該基于激光腔內(nèi)調(diào)制的輻射-光探測器，包括至少一個(gè)激光諧振腔，所述激光依 次經(jīng)輻射作用介質(zhì)和激光腔輸出鏡后輸出；所述激光進(jìn)入輻射作用介質(zhì)時(shí)，待測粒子同時(shí) 進(jìn)入輻射作用介質(zhì)對激光的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行擾動(dòng)，擾動(dòng)主要有兩種方式產(chǎn)生：一是通過吸收 或散射引入腔內(nèi)損耗，二是通過改變輻射作用介質(zhì)折射率張量實(shí)現(xiàn)腔內(nèi)輻射_光調(diào)制，兩 類方式產(chǎn)生的擾動(dòng)均可反映為激光輸出功率的改變。
[0017] 上述激光諧振腔為多級級聯(lián)時(shí)，激光泵浦源輸出的激光依次經(jīng)諧振腔全反鏡、激 光增益介質(zhì)、多級復(fù)合腔激光出射鏡和復(fù)合腔激光入射鏡、輻射增益介質(zhì)、激光諧振腔輸出 鏡后出射；待測粒子經(jīng)置于激光諧振腔內(nèi)的輻射增益介質(zhì)（類似于激光放大晶體）進(jìn)入光 路對激光的光學(xué)性質(zhì)進(jìn)行擾動(dòng)，該擾動(dòng)主要通過影響增益介質(zhì)的粒子數(shù)密度產(chǎn)生，所述復(fù) 合腔內(nèi)的輻射增益介質(zhì)與激光增益介質(zhì)為同種材料。
[0018] 上述輻射作用介質(zhì)包括固體介質(zhì)、氣體介質(zhì)或液體介質(zhì)，具體需要根據(jù)待測輻射 粒子類型做選擇，例如當(dāng)待測粒子為中子時(shí)，可采用石英封裝的中子反應(yīng)截面較高的 3He混 合氣體或者甲烷氣體；待測粒子為Y或者X射線時(shí)，可采用電子水合液，通過改變電子水 合液的透過率，影響激光腔內(nèi)吸收損耗，進(jìn)而改變激光功率輸出；待測粒子為質(zhì)子等帶電粒 子，可選用半導(dǎo)體如Si、ZnO、GaAs晶體，光學(xué)晶體如KDP (磷酸二氫鉀KH2P04)、Nd3+:YV04、 Cr 3+:Al203、Nd:YAG等（應(yīng)具體一點(diǎn)，比如固體包括哪些，上述限定方式相當(dāng)于未進(jìn)行限定）。
[0019] 上述輻射作用介質(zhì)應(yīng)在激光輸出波段透明，輻射作用介質(zhì)入射與出射端面（介 質(zhì)為氣體或液體時(shí)可采用石英封裝）需要鍍增透膜，輻射作用介質(zhì)若為液體時(shí)，在諧振腔 內(nèi)引入的插入損耗要小，數(shù)值上插入損耗與諧振腔其他腔內(nèi)損耗之和不得大于激光腔內(nèi)增 益。
[0020] 上述激光諧振腔是F-P諧振腔、環(huán)形諧振腔或復(fù)合諧振腔。
[0021] 上述經(jīng)激光腔輸出鏡的激光為連續(xù)激光或脈沖激光。
[0022] 該基于激光腔內(nèi)調(diào)制的輻射光探測方法包括以下步驟：
[0023] 1]激光泵浦源輸出的激光在激光諧振腔內(nèi)經(jīng)諧振腔全反鏡輸出至輻射作用介質(zhì)， 并記錄激光泵浦原輸出的激光參數(shù)；
[0024] 2]待測粒子輸入至輻射作用介質(zhì)；
[0025] 3]待測粒子在輻射作用介質(zhì)內(nèi)對激光產(chǎn)生擾動(dòng)；
[0026] 4]記錄被擾動(dòng)的激光經(jīng)輸出鏡或出射鏡后測量輸出的激光參數(shù)；
[0027] 5]通過步驟1和步驟4中激光參數(shù)的變化量確定待測粒子的輻射脈沖強(qiáng)度。
[0028] 上述步驟4中，記錄激光參數(shù)具體是包括用于記錄波形的示波器或者條紋相機(jī)， 用于記錄強(qiáng)度的光電轉(zhuǎn)換器，光電轉(zhuǎn)化器將激光信號轉(zhuǎn)換為電信號進(jìn)行記錄。
[0029] 上述步驟1中，激光泵浦源輸出的激光先經(jīng)激光增益介質(zhì)后經(jīng)諧振腔全反鏡輸 出；若步驟1中激光先經(jīng)激光增益介質(zhì)后輸出，則步驟2中待測粒子可以直接輸入至輻射作 用介質(zhì)，或待測粒子同時(shí)輸入至激光增益介質(zhì)和輻射作用介質(zhì)。
[0030] 本發(fā)明的優(yōu)點(diǎn)是：
[0031] 1、本發(fā)明基于激光腔內(nèi)調(diào)制方法，將輻射作用介質(zhì)設(shè)置在光學(xué)諧振腔內(nèi)，利用諧 振腔對激光擾動(dòng)的放大作用，使輻射作用介質(zhì)對激光強(qiáng)度的調(diào)制作用較現(xiàn)有激光方法更加 明顯，因此相對于相比于基于激光外調(diào)制方法的輻射-光探測器（如利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室的探 測方法）靈敏度更高。
[0032] 2、本發(fā)明提出的探測方法及裝置從原理上可以實(shí)現(xiàn)不同輻射粒子的測量，通常只 需要根據(jù)待測輻射類型更換不同激光介質(zhì)以及輻射作用介質(zhì)，就可以實(shí)現(xiàn)不同粒子的探 測，因此，本發(fā)明具有很強(qiáng)的通用性。
[0033] 3、本發(fā)明提出的