CN102621578B

CN102621578B - 带电粒子束能量的光学测量方法

Info

Publication number: CN102621578B
Application number: CN 201110034579
Authority: CN
Inventors: 欧阳晓平; 刘金良; 张忠兵; 陈亮; 韩长才
Original assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Current assignee: Northwest Institute of Nuclear Technology
Priority date: 2011-02-01
Filing date: 2011-02-01
Publication date: 2013-05-08
Anticipated expiration: 2031-02-01
Also published as: CN102621578A

Abstract

本发明涉及一种带电粒子束能量的光学测量方法，包括以下步骤：带电的粒子束经过准直后进入填充有气体闪烁体的密封的闪烁发光腔体中，使得气体闪烁体发光，用设置在闪烁发光腔体上的至少一个成像组件记录粒子束在发光的气体闪烁体中的空间分布图像信息；对所记录的信息进行后处理，获得入射粒子束的能量信息。本发明解决了现有的带电粒子束能量测量方法结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术问题，能同时应用于稳态和脉冲辐射场，具有测量直观、能量分辨好、适用于多种带电粒子束能量测量、量程范围宽且简单方便可调的优点。

Description

带电粒子束能量的光学测量方法

技术领域

本发明涉及一种粒子束能谱的光学测量方法。

背景技术

能谱是表征辐射场特性的主要参数指标，是核物理研究、核技术应用时不可或缺的重要参数。入射粒子能量决定了核反应的过程和性质、截面、反应出射道等，因此核物理研究中需要知道粒子数目随能量的变化即粒子能谱。在离子治疗中为准确计算受照区域的剂量，也需要准确的知道入射离子的能量及其沉积分布的信息。例如在质子(重离子)治疗癌症案例中，质子的辐射剂量当量在10.0keV～1.0MeV能量区间变化非常陡，该区间内的质子剂量当量转换因子最大值是最小值的40多倍。又如在聚变能研究中，D-T聚变能谱分布指示了许多的聚变反应信息：14.1MeV初级中子能谱的多普勒展宽反应了聚变区燃料的温度，三次中子(大于20.0MeV)与向下散射中子(6.0MeV-10.0MeV)产额与初级中子产额的比值反映了D-T聚变区燃料面密度信息。

测量单个粒子或者单能粒子束能量是辐射场能谱测量的基础。在核物理与辐射探测领域，测量粒子能量常见的方法是将粒子部分或全部的能量沉积在探测器灵敏体积内，测量与所沉积能量对应的电信号或光信号来获得入射粒子能量信息，常见的谱仪可分为电离室类型、半导体探测器类型、光电探测器类型等。飞行时间方法和磁谱仪装置则主要是依据粒子速度的不同来区分不同能量的粒子，并根据速度与粒子能量关系获得粒子的能量信息。除以上两种方法外，径迹探测器也可应用于粒子探测与粒子能量测量。固体径迹探测器(如云母片、各种玻璃、高分子聚合物等)、核乳胶径迹探测器、汽泡室、流光室等都曾应用于辐射探测与粒子能量测量，特别是核乳胶仍然是当今高能物理、宇宙射线研究中仍大规模使用的粒子探测器。粒子径迹探测器探测粒子非常直观，其面积可以做得很大，且与一般的光电探测器相比其探测不存在死时间，可以在强辐射场中工作。历史上，核乳胶径迹探测器也曾用于粒子能量测量，只是需要预先对所使用的乳胶的能量-射程曲线作刻度标定。然而，固体径迹探测器和核乳胶需要繁琐的乳胶生产过程，苛刻的、高度依赖操作人经验的腐蚀条件和腐蚀过程，需要利用显微镜逐个视野范围的扫描、极为费时费力的判读程序及其工作的非实时的能谱获取方式，是核乳胶径迹探测器测量粒子能量的固有缺点，限制了其进一步的应用拓展。如果能将径迹探测器直观的、能应用于脉冲辐射场的特点与现代成像组件实时方便的图像信息采集和处理的优势结合起来，则能够发展一种新的粒子图像探测器，并用于粒子能量测量。

传统带电粒子能量和能谱(粒子数量随能量的分布)测量有射程法、能量灵敏探测器测量方法和磁分析等方法。通常采用探测器、前置放大器和主放大器构成的多道分析(计数)测量系统及磁分析计数测量系统进行测量。核乳胶等径迹探测器能提供单个粒子径迹信息，但胶片处理、径迹判读过程较为复杂，且无法提供粒子束的能量-空间-时间分布信息。

现有的测量方法存在以下缺陷：

1)现有的测量方法只能提供粒子束与探测器作用产生的输出电信号，不能提供粒子束空间分布的图像信息。对强度较弱的辐射场，采用单粒子计数多道测量模式，提供粒子数目随能量分布(能谱)信息，即不同能量粒子对应不同计数，但无法提供粒子束的时间-空间分布信息；

2)现有的测量方法对于强辐射场和脉冲辐射场，以“数个数”的计数测量模式不再适用，需要采用电流型测量模式，提供时间-强度输出信号供分析、使用；

3)现有的测量方法为电信号测量模式，不能同时获得空间-时间-能量信息和图像信号来分析粒子束的时空特性。

4)现有的测量方法采用核乳胶等径迹探测器，虽然能够提供单个粒子的径迹，但不适用于强流粒子束测量，也无法给出所记录粒子的时间分布信息。

对于脉冲束流或强流粒(离)子束，传统能量测量方法存在很大局限。由于单位时间内发射大量粒子，即使现代最快的多道测量分析系统也无法给出单个粒子的能量及其分布，探测系统记录通道将被大量粒子的堆积效应堵塞，形成电流型工作模式，无法提供准确的能量信息。

发明内容

为了解决现有的带电粒子束能量测量方法及装置结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术间题，本发明提供一种能同时应用于稳态和脉冲辐射场、能量分辨好、量程范围宽且简单方便可调的带电粒子束能量的光学测量方法。

本发明的技术解决方案是：

一种带电粒子束能量的光学测量方法，包括以下步骤：

1】带电的粒子束经过准直后进入填充有气体闪烁体的密封的闪烁发光腔体中，使得气体闪烁体发光，所述闪烁发光腔体上设置有入射窗口和光学窗口；

2】用设置在闪烁发光腔体上的至少一个成像组件记录粒子束在发光的气体闪烁体中的空间分布图像信息；所述成像组件包括套接在光学窗口上的遮光筒、设置在遮光筒内部的镜头以及设置在遮光筒另一端的成像装置，所述成像组件与光学窗口数量一致、位置一一对应；

3】对所记录的信息进行后处理，获得入射粒子束的能量信息。

上述成像组件为一组，设置在闪烁发光腔体的侧面。

上述成像组件还可为两组，所述两组成像组件设置在闪烁发光腔体的侧面且光轴相互垂直。

上述成像组件还可为两组，其中一组成像组件设置在闪烁发光腔体侧面，另一组成像组件设置在闪烁发光腔体端面，且两组成像组件光轴相互垂直。

上述成像组件还可为三组，三组成像组件光轴两两垂直且其中一组成像组件与闪烁发光腔体中心线共轴。

上述闪烁发光腔体为长方体。

上述入射窗口由厚度0.5-100μm的金属钛膜组成，所述光学窗口材料为合成石英玻璃。

上述气体闪烁体为惰性气体和/或发光产额高的CF₄或TEA；所述惰性气体为高纯度的He、Ar、Ne、Kr或Xe；所述气体闪烁体气压为0.001～1000个大气压。

上述气体闪烁体为CF₄(10％)+Ar(90％)，压力为100kPa。

上述闪烁发光腔体上设置有用于充放气体闪烁体的充气孔。

本发明的优点是：

1、测量带电粒子束能量十分直观。带电粒子束能量和其在气体闪烁体中径迹的空间分布存在一一对应关系，不同能量的带电粒子在气体闪烁体中的径迹长度及射程径向岐离都不同，以成像方式记录离子径迹上气体闪烁体分子发光的空间分布，测量带电粒子束能量十分直观。

2、能量分辨率高。不同能量带电粒子在气体闪烁体中的径迹长度(射程)不同，只要选择合适的气体闪烁体和气压可以将能量相差很小的两束带电粒子在径迹上区分开。该方法的能量分辨理论上可以做得很小，方法自身不存在限制。

3、可用于稳态和脉冲辐射场带电粒子束能量测量。该方法测量带电粒子束能量既可应用于稳态辐射场，又可应用于脉冲辐射场。对于稳态辐射场，成像装置工作在积分模式，调节相机曝光积分时间即可获得不同束流强度下理想的带电粒子束径迹图像。脉冲状态下，将相机快门开门时刻与带电粒子束脉冲到达时刻同步即可拍摄脉冲状态下的带电粒子束径迹图像。该方法可以解决高强度脉冲束粒子束能量测量问题。

4、适用于多种带电粒子束能量测量，量程范围灵活可调。在不改变装置结构前提下，测量不同带电粒子束能量可通过改变气体种类、调节气体压力轻易实现。选用不同组分的气体闪烁体，可以改变带电粒子束径迹附近气体分子发光的强度；对于能量范围差别很大的粒子束，可以调节气体压力改变气体密度使带电粒子束径迹末端或关心的径迹的重要部分落入成像组件视野范围内。在能量分辨要求高、带电粒子束流强的辐射场中，亦可以将腔体延长，保持气体组分和状态不变前提下，使粒子束径迹加长，获取全径迹或径迹末端的图像。

附图说明

图1是本发明所使用的测量带电粒子束能量的光学装置示意图；其中a是俯视图，b是主视图；

图2是本发明的带电粒子束与气体闪烁体作用示意图；

图3是本发明所使用的测量带电粒子束能量的光学装置的一种实施例示意图；

图4是本发明所使用的测量带电粒子束能量的光学装置的另一种实施例示意图；其中a是俯视图，b是主视图；

图5是本发明Geant4模拟的6.30MeV质子在1.0atm Ar(90％)+CF4(10％)中径迹分布末端图像；

图6是本发明6.30MeV质子束径迹末端分布图像；

附图标记为：1-准直屏蔽体，2-入射窗口，3-闪烁发光腔体，4-气体闪烁体，5-石英玻璃窗，6-成像组件，7-抽真空装置，8-混气充气装置，10-束流管道，11-带电粒子束，61-遮光筒，62-镜头，63-成像装置，64-荧光。

具体实施方式

本发明方法所使用装置包括发光组件和成像组件两部分。发光组件由闪烁发光腔体、准直屏蔽体、入射窗口、光学窗口及闪烁发光腔体里的气体闪烁体组成，腔体可以是圆筒体，最好为长方体，入射窗口由很薄的金属膜组成，位于闪烁发光腔体前端外侧，准直屏蔽体设置在入射窗口前方，准直屏蔽体中间留有准直小孔，闪烁发光腔体设置有至少一个光学窗口，光学窗口为石英玻璃窗。准直屏蔽体的准直小孔、入射窗口中心都位于闪烁发光腔体轴向中心线上。成像组件在光学窗口外侧，主要由遮光筒、镜头和成像装置构成，成像组件中心线通过光学窗口中心点，与气体闪烁体闪烁发光腔体中心线同轴或垂直并处在同一个水平面内，成像装置可以是CCD、CMOS、光学胶片或照相干板。在腔体侧壁上开有充气孔，可与抽气系统和混气充气系统连接。

本发明方法包括以下步骤：

1】带电的粒子束经过准直后进入填充有气体闪烁体的密封的闪烁发光腔体中，使得气体闪烁体发光，闪烁发光腔体上设置有入射窗口和光学窗口；

2】用设置在闪烁发光腔体上的至少一个成像组件记录粒子束在发光的气体闪烁体中的空间分布图像信息；成像组件包括套接在光学窗口上的遮光筒、设置在遮光筒内部的镜头以及设置在遮光筒另一端的成像装置，成像组件与光学窗口数量一致、位置一一对应；

本发明方法所使用装置的工作原理是：经过屏蔽准直的带电粒子束穿过入射窗口进入气体闪烁体的闪烁发光腔体，带电粒子束在气体闪烁体中运动，不断与气体分子碰撞并损失能量，气体分子被电离激发，发出荧光。用成像组件记录带电粒子束径迹图像，根据图像信息，判断入射粒子束的能量。

本发明以气体闪烁体作为探测介质，气体闪烁体可以选用He、Ar、Ne、Kr、Xe等惰性气体，或者CF4、TEA(三乙胺)等其他发光产额高的气体，或者是惰性气体与上述发光产额高的气体组成的混合气体。针对不同种类、不同能量的带电粒子束，可以选择不同组分、不同状态的气体闪烁体作为探测介质，使带电粒子束径迹末端或重点关心段位于光学窗口的视野范围内。

本发明选用一组成像组件，从腔体一侧拍摄带电粒子束径迹图像，经改进也可以选用两组或多组成像组件从腔体相互垂直的两个侧面及腔体后端面拍摄带电粒子束径迹图像，获取在粒子径迹三维方向上的图像信息。

下面结合附图对本发明进一步描述：

图1是测量带电粒子束能量的光学装置示意图，其中图1a是俯视图，图1b是主视图。参考图1a，气体闪烁体腔体3为长方体型，腔体3前端壁开有小孔。入射窗口2是很薄的钛金属膜，厚度为0.5μm-100μm，依据腔体压力及入射窗口直径选择满足要求的厚度，入射窗口2通过O型橡胶圈与腔体3前端外壁紧密连接。准直屏蔽体1位于入射窗口2前，其中间开有准直小孔。腔体3侧面开有光学窗口5，光学窗口5为石英玻璃窗，通过O型橡胶圈与闪烁发光腔体3侧面外壁紧密接触。闪烁发光腔体3内充满气体闪烁体4。闪烁发光腔体3内壁进行喷砂和发蓝处理，用以减小气体闪烁体荧光在内壁上的多次反射和散射。成像组件6正对石英玻璃窗5，以成像方式记录气体闪烁体4荧光的强度的空间分布。光学窗口5选用在紫外波段透过率高的合成石英。在腔体另一侧面壁上开有至少一个充气孔，通过管道分别与排气装置7和混气充气装置8相连。参考图1b，准直屏蔽体1的准直小孔、入射窗口2的中心位于闪烁发光腔体3的轴向延长线上，并且与光学窗口的中心处于同一水平面内。

图2是带电粒子束与气体闪烁体作用示意图。带电粒子束(离子)11从离子源的束流管道10中透过窗口穿出，经过准直屏蔽体1中心准直小孔，穿过入射窗口2，进入闪烁发光腔体3内。带电粒子束向前运动，不断的与气体闪烁体4发生碰撞并损失能量，气体闪烁体4的分子被电离激发，发出荧光。由于带电粒子束11能量主要沉积在沿径迹附近很小范围内，只有径迹附近的气体分子才能被激发发光，因此气体荧光强度的空间分布反映了入射带电粒子束径迹的空间分布。

图3是测量粒子束能量的光学装置的一种实施例示意图，此时选用一套成像组件从侧面获取粒子束径迹图像。成像组件6主要由遮光筒61、镜头62和成像装置(相机)63构成。遮光筒61由铝材料做成，通过螺纹与光学窗口5外的法兰盘连接。遮光筒61表面进行发蓝处理，用于减小闪烁荧光8在其内侧壁的反射与散射，遮光筒61亦可由黑色尼龙、深色塑料或其他不透光、密度较轻的材料构成。带电粒子束在气体闪烁体4中损失能量，使气体闪烁体4发出荧光64。在临近射程末端，带电粒子束单位距离上损失的能量最大，因此气体发光最强。荧光64穿过石英玻璃窗5，经过镜头62的汇聚作用，在相机63感光面上成气体闪烁体发光图像。镜头62和相机63可根据石英玻璃窗5大小和粒子束11在气体闪烁体4中射程末端附近的横向展宽来选择。选择合适的镜头62和相机63配合，使相机的视野和玻璃窗口大小相近，成像的景深与带电粒子束径迹末端横向展宽接近。

图4是测量粒子束能量的光学装置的另一种实施例示意图，图4a是俯视图，图4b是主视图。利用三套成像组件6从闪烁发光腔体3相互垂直的两个侧面和径迹末端端面方向同时拍摄带电粒子束径迹发光的空间分布。

实施例：

发光组件的闪烁发光腔体3大小为400mm×150mm×150mm，闪烁发光腔体3由A3钢板焊接而成，其前端壁孔为入射窗口2为5μm钛膜，直径

准直屏蔽体1外径

内孔为

厚度为20mm。质子束流从加速器束流管道10窗口穿出，通过准直屏蔽体1内孔，穿过入射窗口2进入气体闪烁体4。束流管道10窗口与闪烁发光腔体3前端面外侧距离为50mm。石英玻璃窗5大小为

厚度10mm，石英玻璃窗中心距离闪烁发光腔体3前端面260mm。石英玻璃窗5材料为合成石英(JGS1)，其在185nm处透过率大于80％，200nm-2500nm波长范围内透过率大于93％，透过率曲线平坦无吸收峰。遮光筒61为内径壁厚5mm、长度300mm的铝制圆筒。镜头62和相机63配合，成像组件焦平面在通过闪烁发光腔体3轴向中心线的垂直面上，焦平面前后各40mm范围内能获得清晰图像。闪烁发光腔体3内壁、遮光筒61表面均进行发蓝工艺处理，减小闪烁发光腔体3内壁和遮光筒61内壁荧光反射和散射对成像组件6的影响。用抽真空系统7将闪烁发光腔体3内空气抽取干净，用混气充气装置充入比例为CF₄(10％)+Ar(90％)的气体闪烁体4，使闪烁发光腔体3内气体闪烁体4压力保持在100kPa，为进一步减小杂质气体影响，一段时间后将闪烁发光腔体3内气体闪烁体4抽取干净，重新充入比例为CF₄(10％)+Ar(90％)的气体闪烁体4到闪烁发光腔体3内，保持压力为100kPa。串列加速器提供的稳态质子束流进入闪烁发光腔体3使气体闪烁体4发光，用成像组件获取发光强度分布图像。图5是基于以上组件和布局，利用蒙特卡罗程序Geant4模拟计算的6.30MeV质子径迹分布末端的分布。图6成像组件获取的6.30MeV质子束入射时的发光强度分布的灰度图。

Claims

1.一种带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：包括以下步骤：

2】用设置在闪烁发光腔体上的至少一个成像组件记录粒子束在发光的气体闪烁体中发光强度的空间分布图像信息；所述成像组件包括套接在光学窗口上的遮光筒、设置在遮光筒内部的镜头以及设置在遮光筒另一端的成像装置，所述成像组件与光学窗口数量一致、位置一一对应；

2.根据权利要求1所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述成像组件为一组，设置在闪烁发光腔体的侧面。

3.根据权利要求1所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述成像组件为两组，所述两组成像组件设置在闪烁发光腔体的侧面且光轴相互垂直。

4.根据权利要求1所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述成像组件为两组，其中一组成像组件设置在闪烁发光腔体侧面，另一组成像组件设置在闪烁发光腔体端面，且两组成像组件光轴相互垂直。

5.根据权利要求1所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述成像组件为三组，三组成像组件光轴两两垂直且其中一组成像组件与闪烁发光腔体中心线共轴。

6.根据权利要求书1或2或3或4或5所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述闪烁发光腔体为长方体。

7.根据权利要求6所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述入射窗口由厚度0.5-100μm的金属钛膜组成，所述光学窗口材料为合成石英玻璃。

8.据权利要求6的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述气体闪烁体为惰性气体和/或发光产额高的CF₄或TEA；所述惰性气体为高纯度的He、Ar、Ne、Kr或Xe；所述气体闪烁体气压为0.001～1000个大气压。

9.根据权利要求6所述的带电粒子束能量的光学测量方法，其特征在于：所述闪烁发光腔体上设置有用于充放气体闪烁体的充气孔。