張 璐 賀朝會(huì) 陳 亮 張忠兵 劉金良 任曉堂

1（西安交通大學(xué) 西安 710049）

2（西北核技術(shù)研究所 西安 710024）

3（北京大學(xué)重離子加速器實(shí)驗(yàn)室 北京 100871）

質(zhì)子是空間輻射環(huán)境中的主要輻射，質(zhì)子引發(fā)的單粒子效應(yīng)會(huì)嚴(yán)重影響在軌航天器電子系統(tǒng)的可靠性。在質(zhì)子單粒子效應(yīng)的模擬實(shí)驗(yàn)中，質(zhì)子束流強(qiáng)度的準(zhǔn)確性關(guān)系著實(shí)驗(yàn)結(jié)果的可靠性。同樣，質(zhì)子束流的準(zhǔn)確測(cè)量也在加速器產(chǎn)氚、ADS(加速器驅(qū)動(dòng)次臨界系統(tǒng))研究中起著關(guān)鍵作用[1,2]。常規(guī)的束流測(cè)量方法以法拉第筒、氣體電離室以及半導(dǎo)體探測(cè)器為主，測(cè)量原理是對(duì)束流進(jìn)行收集轉(zhuǎn)化，得到束流強(qiáng)度。法拉第筒、金硅面壘探測(cè)器、金剛石探測(cè)器等探測(cè)方法均屬攔截式測(cè)量，難以反映束流強(qiáng)度的瞬時(shí)波動(dòng)。塑料薄膜閃爍體的特點(diǎn)，是發(fā)光效率高、耐輻照、易加工和經(jīng)濟(jì)性，在劑量學(xué)中應(yīng)用極為廣泛。用其進(jìn)行質(zhì)子束流強(qiáng)的實(shí)時(shí)側(cè)臉量，可減小束流強(qiáng)度的不穩(wěn)定性對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。

1 閃爍體薄膜探測(cè)系統(tǒng)及測(cè)量原理

閃爍體薄膜探測(cè)器的原理為[3]：帶電粒子或射線通過(guò)閃爍體時(shí)，會(huì)使閃爍體電離和激發(fā)，受激發(fā)分子和原子退激發(fā)時(shí)發(fā)出熒光，用光電倍增管收集這些光信號(hào)，經(jīng)成形和放大就得到束流信號(hào)。經(jīng)比較，我們選擇美國(guó)ELJEN公司的EJ-212塑料閃爍體，用其設(shè)計(jì)了圖1所示的測(cè)量系統(tǒng)。準(zhǔn)直質(zhì)子束射入橢球形反射罩中，打在薄膜閃爍體上，產(chǎn)生光信號(hào)，經(jīng)光電倍增管轉(zhuǎn)化，在小電流儀P中輸出電流信號(hào)Ip，為探測(cè)系統(tǒng)輸出的電流信號(hào)，代表質(zhì)子在閃爍體薄膜中沉積的能量。穿透閃爍體的束流進(jìn)入法拉第筒，經(jīng)轉(zhuǎn)換，給出單位時(shí)間收集的電荷，即電流IF。閃爍體薄膜只是減小了入射質(zhì)子的能量(散射而致的束流強(qiáng)度減小可忽略)，對(duì)電荷影響很小，所以IF即表征束流源的強(qiáng)度。為確保內(nèi)橢球反射罩不受外界光照的干擾，故其窗口貼鋁箔以避光。光電倍增管置于內(nèi)橢球焦面上，以確保光收集。

圖1 閃爍體薄膜探測(cè)系統(tǒng)Fig.1 The scintillator film detection system.

粒子束或射線在閃爍體中損失的能量轉(zhuǎn)化成光信號(hào)，閃爍體材料的光能產(chǎn)額Y表征閃爍體發(fā)光效率。設(shè)一個(gè)入射質(zhì)子在閃爍體中消耗的能量為E，所產(chǎn)生的閃爍光子總數(shù)為N，則光能產(chǎn)額為[3]：

該質(zhì)子給光電倍增管后的小電流儀P上接受的電荷為：

其中h1為光電倍增管對(duì)光的收集效率，h2為光電倍增管的量子效率，M1為光電倍增管的放大倍數(shù)，Sa為光電倍增管的陽(yáng)極靈敏度，M2為前置放大器和主放對(duì)信號(hào)的放大倍數(shù)。

質(zhì)子所帶電荷為元電荷，法拉第筒探測(cè)的束流源源強(qiáng)。IFt個(gè)質(zhì)子入射閃爍體上產(chǎn)生的信號(hào)為：

則

2 質(zhì)子束與閃爍體材料的作用及響應(yīng)

2.1 質(zhì)子在閃爍體材料中的能量沉積

質(zhì)子與閃爍體材料的作用過(guò)程中，核反應(yīng)發(fā)生的概率相當(dāng)小，對(duì)于小于400 MeV的質(zhì)子束流不予考慮。在輻射探測(cè)學(xué)中，1 GeV以下的質(zhì)子作用時(shí)，由軔致輻射引起的輻射能損也可忽略不計(jì)[4]。因此，只考慮其非彈性碰撞（與靶物質(zhì)的核外電子的作用）和與原子核的庫(kù)侖散射作用。

用TRIM計(jì)算 3–40 MeV質(zhì)子在0.1 mm厚的EJ-212閃爍體中能損，用數(shù)值積分得到的能量沉積見(jiàn)圖2。其次級(jí)電子能量為20–400 eV，與質(zhì)子在該閃爍體中的能量沉積(>100 keV)相比可忽略。

圖2 3?40 MeV質(zhì)子束在0.1 mm EJ-212閃爍體中能量沉積的TRIM計(jì)算結(jié)果Fig.2 Energy deposition of proton beams at 3?40 MeV in 0.1-mm EJ-212 scintillators, calculated TRIM code.

對(duì)上述數(shù)據(jù)用Origin 軟件擬合，可得到質(zhì)子入射在EJ-212閃爍體材料上的能量沉積公式，

其偏差<1%，由此引起的光輸出偏差<0.2%，可忽略不計(jì)，即式(6)可視為能量沉積函數(shù)。

(1)在含沙量≤3.0 kg/m3且滴灌帶為一年用條件下，可采用新型泵前一級(jí)過(guò)濾與滴頭抗堵新技術(shù)模式。在滴灌首部泵前安裝低壓旋轉(zhuǎn)網(wǎng)式過(guò)濾器，過(guò)濾大顆粒泥沙與雜質(zhì)。通過(guò)篩選出的適宜灌水器，將大部分細(xì)顆粒泥沙隨滴頭出水排入到田間。沉積在毛管內(nèi)泥沙通過(guò)毛管尾端的輔助沖洗支管進(jìn)行定時(shí)沖洗。該新技術(shù)模式改變了傳統(tǒng)的泵后過(guò)濾器易堵塞、反沖洗頻繁用水量大、壓損較高的缺點(diǎn)。避免了因過(guò)濾而使黃河水中大量營(yíng)養(yǎng)物質(zhì)流失。運(yùn)行管理維護(hù)費(fèi)用低，占地面積較少，可大幅節(jié)約成本。

2.2 質(zhì)子能量全沉積時(shí)EJ-212的相對(duì)光輸出

描述粒子作用于閃爍體材料導(dǎo)致發(fā)光的很多理論都基于一個(gè)假設(shè)：粒子在物質(zhì)中傳輸時(shí)，若電離能損較高會(huì)導(dǎo)致熒光過(guò)程的焠滅，使發(fā)光效率降低。而B(niǎo)irks[5]提出一種機(jī)制：作用過(guò)程中，若分子被破壞，就不會(huì)產(chǎn)生光信號(hào)，而被破壞的分子數(shù)與電離能損相關(guān)，則有：

其中S為電子照射時(shí)的絕對(duì)發(fā)光效率；KB為Briks常數(shù)，需要實(shí)驗(yàn)確定；dE/dx為能量損失。

對(duì)于EJ-212閃爍體，S10000/MeV；其KB值[6]可取 0.009、 0.010和 0.011 g/MeV·cm2。下文對(duì)不同KB值進(jìn)行了驗(yàn)證，發(fā)現(xiàn)KB0.009 g/MeV·cm2時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差最小。

同時(shí)考慮電子能損和核能損，用 TIRM 計(jì)算dE/dx，對(duì)式(7)進(jìn)行數(shù)值積分，可得到不同能量的質(zhì)子全部沉積在EJ-212閃爍體上時(shí)，其光子產(chǎn)額的響應(yīng)曲線見(jiàn)圖3。

圖3 全沉積時(shí)EJ-212的光輸出的曲線Fig.3 The curve of light output when the whole energy deposited in EJ-212.

對(duì)圖3曲線進(jìn)行多項(xiàng)式擬合，得

在3–40 MeV能區(qū)，由此函數(shù)計(jì)算得相對(duì)光輸出的值得偏差小于 1%，由擬合曲線與實(shí)際曲線比較中偏差較大的三點(diǎn)(5、6、11 MeV)，這些偏差導(dǎo)致的在薄閃爍體部分能量沉積偏差僅為0.35%、0.36%、0.39%，所以可用此函數(shù)代替全沉積函數(shù)。

2.3 穿過(guò)閃爍體，能量部分沉積時(shí)的相對(duì)光輸出

對(duì)于薄膜閃爍體，能量只是部分沉積在閃爍體內(nèi)。設(shè)能量為E1的質(zhì)子，穿過(guò)閃爍體薄膜后能量為E2，那么其光輸出可以表示為：

E2值由式(6)得出，按式(9)計(jì)算3–40 MeV質(zhì)子在閃爍體膜中沉積部分能量的相對(duì)光輸出，結(jié)果見(jiàn)圖4。

圖4 部分沉積時(shí)EJ-212的相對(duì)光輸出Fig.4 Relative light output when energy deposited partly.

擬合得到的函數(shù)為:

其偏差小于 1.12%。公式(5)與(10)結(jié)合，即可在測(cè)得IP的時(shí)候得到質(zhì)子束流強(qiáng)度IF。在某一能量點(diǎn)，測(cè)量出IP和IF，即可標(biāo)定出K值。

3 實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證

3.1 相對(duì)光輸出的驗(yàn)證

EJ-212閃爍體的探測(cè)靈敏度驗(yàn)證（用相對(duì)光輸出表征）在北京學(xué)2′6 MeV串列加速器上進(jìn)行，質(zhì)子束能量3–8 MeV，并用金靶散射，以將轟擊閃爍體的質(zhì)子數(shù)控制在1000/s以內(nèi)。實(shí)驗(yàn)裝置見(jiàn)圖5。

圖5 脈沖信號(hào)的測(cè)量系統(tǒng)Fig.5 Detection system of pulse signal.

閃爍體探測(cè)系統(tǒng)軸心線與束流入射方向成30°角，測(cè)量時(shí)，該散射角處的束流強(qiáng)度視為不變。先用小電流儀測(cè)出由光電倍增管輸出的5 min的電荷量，表征閃爍體探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的電流IP。再用多道分析器測(cè)出總計(jì)數(shù)，其數(shù)值相當(dāng)于5 min內(nèi)打在閃爍體上的質(zhì)子數(shù)的總和，表征束流強(qiáng)度IF。再對(duì)所得譜數(shù)據(jù)和電流數(shù)據(jù)進(jìn)行去噪聲處理。

對(duì)比每個(gè)能量點(diǎn)所測(cè)得的數(shù)據(jù)，即得到在該點(diǎn)的探測(cè)靈敏度，最終得到變化趨勢(shì)。以E5.881 MeV處的相對(duì)光輸出為基準(zhǔn)，得到其變化規(guī)律如圖6所示。比較圖6(a)、(b)、(c)，當(dāng)KB=0.009 g/MeV·cm2時(shí)，實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)與理論數(shù)據(jù)的偏差最小，符合得最好。

圖6 BJ-212薄膜閃爍體相對(duì)光輸出的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和TRIM計(jì)算結(jié)果(KB= 0.009, 0.010 或 0.011 g/MeV·cm2)Fig.6 The relative light output measured and calculated by TRIM, at KB = 0.009, 0.010 or 0.011 g/MeV·cm2.

3.2 由薄膜閃爍體探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的束流源強(qiáng)度

法拉第筒由西北核技術(shù)研究所研制[7]，其即時(shí)探測(cè)誤差<1%。對(duì)給定的加速器束流源，測(cè)量了多組數(shù)據(jù)，取偏差較小的一組(表1)進(jìn)行計(jì)算，表中的If為法拉第筒上測(cè)得的電流，用于標(biāo)定和比較。結(jié)合式(5)和(10)，以其中偏差最小的8 MeV的數(shù)據(jù)為基準(zhǔn)，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行標(biāo)定。得式(5)的K值為23.7415。

表1 不同能量下測(cè)得的IP 和IFTable 1 The value of IP and IF measured under differentenergy

當(dāng)K取23.7415時(shí)，結(jié)合式(10)得到的束流源強(qiáng)度見(jiàn)表2。

表2 由IP而得到的束流源強(qiáng)度IFTable 2 Intensity of proton beam(IF) calculated from the Ip

表2的IF和If表明，有閃爍體薄膜探測(cè)系統(tǒng)測(cè)得的束流強(qiáng)度與實(shí)際束流源強(qiáng)度相比，不確定度在5%以內(nèi)。而式(10)計(jì)算的偏差在 1.12%以內(nèi)。表2的法拉第筒測(cè)得的束流源強(qiáng)度有約為 4%的不穩(wěn)定性，所以最后導(dǎo)致實(shí)驗(yàn)結(jié)果與理論結(jié)果偏差的主要原因是由束流源的不穩(wěn)定性和光電倍增管的噪聲。

4 結(jié)論

用閃爍體薄膜探測(cè)系統(tǒng)對(duì)質(zhì)子束流強(qiáng)度進(jìn)行實(shí)時(shí)在線監(jiān)測(cè)，其理論探測(cè)誤差在 1.12%以內(nèi)，實(shí)驗(yàn)偏差為 5%。由于其實(shí)時(shí)在線探測(cè)的性能，束流源的波動(dòng)性可以在單粒子效應(yīng)等實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，觀察并記錄到。因此，特別在束流源不穩(wěn)定時(shí)，閃爍體探測(cè)系統(tǒng)比攔截式測(cè)量方法能更好更真實(shí)的測(cè)出束流大小，而且其測(cè)量精確性可靠，故有廣泛應(yīng)用前景。

1 賀朝會(huì), 李國(guó)政, 劉恩科, 等. 北京正負(fù)電子對(duì)撞機(jī)次級(jí)束模擬單粒子效應(yīng)分析[J]. 原子能科學(xué)技術(shù), 1999,33(2): 175–181 HE Chaohui, LI Guozheng, LIU Enke. Analysis of using protons in secondary beam on BEPC as a particle source in single event effects experiment study[J]. Atomic Energy Science and Technology, 1999, 33(2):175–181

2 郭文. 中能強(qiáng)流質(zhì)子直線加速器束流損失引起的輻射劑量問(wèn)題研究[D]. 中國(guó)原子能科學(xué)研究院. 2007 Guo Wen. Research On Radiation Dosimetry Problems Caused By Beam-Loss In intermedaite-enegry High Intensity Proton Linacs[D].China Institute Of Atomic Energy, 2007

3 陳顯達(dá). 核輻射物理及探測(cè)學(xué)[M]. 北京: 清華大學(xué)工程物理系. 2004. 276–280 Chen XianDa. Nuclear Radiation Physics and Detection[M]. Beijing: Department of Engineering Physics.2004.276–280

4 Tang H K, Srinivasan G R, Azziz N. Cascade statistical model for nucleon induced reactions on light nuclei in the energy range 50MeV–1GeV[J]. Phys Rev, 1990,C42:1598–1622

5 Birks J B, The Theory and Practice of Scintillation Counting[M], Oxford: Perga-mon Press, 1967. 68–90

6 Evans H C, Bellamy E H. The response of plastic scintillators to protons[J]. Proc Phys Soc, 1959, 74:483–485

7 張忠兵, 歐陽(yáng)曉平, 夏海鴻, 等. 高能質(zhì)子束流強(qiáng)度絕對(duì)測(cè)量的二次電子補(bǔ)償原理研究[J]. 物理學(xué)報(bào), 2010,59(8): 5369–5373 ZHANG Zhongbing, OUYANG Xiaoping, XIA Honghai,et al. Accurate measurements of high energy proton beam by secondary electron compensation[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(8):5369–5373