CN114509802A - 用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法 - Google Patents
用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法 Download PDFInfo
- Publication number
- CN114509802A CN114509802A CN202210151804.6A CN202210151804A CN114509802A CN 114509802 A CN114509802 A CN 114509802A CN 202210151804 A CN202210151804 A CN 202210151804A CN 114509802 A CN114509802 A CN 114509802A
- Authority
- CN
- China
- Prior art keywords
- gas
- proton
- optical imaging
- sensitivity calibration
- fluorescence
- Prior art date
- Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
- Granted
Links
- 230000035945 sensitivity Effects 0.000 title claims abstract description 114
- 238000012634 optical imaging Methods 0.000 title claims abstract description 76
- 238000005259 measurement Methods 0.000 title claims abstract description 73
- 238000001228 spectrum Methods 0.000 title claims abstract description 71
- 238000000034 method Methods 0.000 title claims abstract description 64
- 230000003287 optical effect Effects 0.000 claims abstract description 60
- 230000005540 biological transmission Effects 0.000 claims abstract description 25
- 230000033001 locomotion Effects 0.000 claims abstract description 15
- 238000012544 monitoring process Methods 0.000 claims abstract description 15
- 239000007789 gas Substances 0.000 claims description 243
- 230000008021 deposition Effects 0.000 claims description 29
- 238000002073 fluorescence micrograph Methods 0.000 claims description 27
- 230000004044 response Effects 0.000 claims description 27
- 238000000799 fluorescence microscopy Methods 0.000 claims description 25
- 238000004611 spectroscopical analysis Methods 0.000 claims description 23
- 229910052751 metal Inorganic materials 0.000 claims description 22
- 239000002184 metal Substances 0.000 claims description 22
- 238000009826 distribution Methods 0.000 claims description 16
- 238000004364 calculation method Methods 0.000 claims description 11
- RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N Titanium Chemical compound [Ti] RTAQQCXQSZGOHL-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 8
- 239000000463 material Substances 0.000 claims description 8
- XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N Argon Chemical compound [Ar] XKRFYHLGVUSROY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 6
- 229910052786 argon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052734 helium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 238000013139 quantization Methods 0.000 claims description 6
- 239000010935 stainless steel Substances 0.000 claims description 6
- 229910001220 stainless steel Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 239000010936 titanium Substances 0.000 claims description 6
- 229910052719 titanium Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 229910052724 xenon Inorganic materials 0.000 claims description 6
- 230000008859 change Effects 0.000 claims description 5
- TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N tetrafluoromethane Chemical group FC(F)(F)F TXEYQDLBPFQVAA-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 5
- 229910052782 aluminium Inorganic materials 0.000 claims description 4
- XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N aluminium Chemical compound [Al] XAGFODPZIPBFFR-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 4
- 229910001369 Brass Inorganic materials 0.000 claims description 3
- VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N Silicium dioxide Chemical compound O=[Si]=O VYPSYNLAJGMNEJ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910045601 alloy Inorganic materials 0.000 claims description 3
- 239000000956 alloy Substances 0.000 claims description 3
- 239000010951 brass Substances 0.000 claims description 3
- 239000001307 helium Substances 0.000 claims description 3
- SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N helium atom Chemical compound [He] SWQJXJOGLNCZEY-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N xenon atom Chemical compound [Xe] FHNFHKCVQCLJFQ-UHFFFAOYSA-N 0.000 claims description 3
- 229910000838 Al alloy Inorganic materials 0.000 claims description 2
- 239000000853 adhesive Substances 0.000 claims description 2
- 230000001070 adhesive effect Effects 0.000 claims description 2
- 230000031700 light absorption Effects 0.000 claims description 2
- 230000001360 synchronised effect Effects 0.000 claims description 2
- 239000002245 particle Substances 0.000 abstract description 45
- 230000001133 acceleration Effects 0.000 abstract description 14
- 238000002474 experimental method Methods 0.000 abstract description 10
- 230000003993 interaction Effects 0.000 abstract description 2
- 230000005855 radiation Effects 0.000 description 33
- 238000001514 detection method Methods 0.000 description 15
- 238000003384 imaging method Methods 0.000 description 11
- 230000008569 process Effects 0.000 description 8
- 238000004088 simulation Methods 0.000 description 7
- 238000006243 chemical reaction Methods 0.000 description 6
- 230000004927 fusion Effects 0.000 description 6
- 238000011160 research Methods 0.000 description 6
- 230000009471 action Effects 0.000 description 5
- 230000003321 amplification Effects 0.000 description 5
- 238000010586 diagram Methods 0.000 description 5
- 238000004020 luminiscence type Methods 0.000 description 5
- 238000003199 nucleic acid amplification method Methods 0.000 description 5
- 238000007789 sealing Methods 0.000 description 5
- 239000006185 dispersion Substances 0.000 description 4
- 230000005251 gamma ray Effects 0.000 description 4
- 238000004458 analytical method Methods 0.000 description 3
- 230000005284 excitation Effects 0.000 description 3
- 239000001257 hydrogen Substances 0.000 description 3
- 229910052739 hydrogen Inorganic materials 0.000 description 3
- 238000000691 measurement method Methods 0.000 description 3
- UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N Hydrogen Chemical compound [H][H] UFHFLCQGNIYNRP-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N Phosphorus Chemical compound [P] OAICVXFJPJFONN-UHFFFAOYSA-N 0.000 description 2
- 238000010521 absorption reaction Methods 0.000 description 2
- 230000008901 benefit Effects 0.000 description 2
- 230000000694 effects Effects 0.000 description 2
- 239000003623 enhancer Substances 0.000 description 2
- 239000000446 fuel Substances 0.000 description 2
- 230000001965 increasing effect Effects 0.000 description 2
- 239000011261 inert gas Substances 0.000 description 2
- 230000007246 mechanism Effects 0.000 description 2
- 238000012545 processing Methods 0.000 description 2
- 230000003595 spectral effect Effects 0.000 description 2
- 238000000342 Monte Carlo simulation Methods 0.000 description 1
- 239000004698 Polyethylene Substances 0.000 description 1
- 230000004913 activation Effects 0.000 description 1
- 238000003491 array Methods 0.000 description 1
- 230000009286 beneficial effect Effects 0.000 description 1
- 238000013461 design Methods 0.000 description 1
- 238000011161 development Methods 0.000 description 1
- 238000003745 diagnosis Methods 0.000 description 1
- 238000009792 diffusion process Methods 0.000 description 1
- 230000005684 electric field Effects 0.000 description 1
- 238000005516 engineering process Methods 0.000 description 1
- 230000002708 enhancing effect Effects 0.000 description 1
- 238000009532 heart rate measurement Methods 0.000 description 1
- 150000002431 hydrogen Chemical class 0.000 description 1
- 230000006872 improvement Effects 0.000 description 1
- 230000010354 integration Effects 0.000 description 1
- 238000012986 modification Methods 0.000 description 1
- 230000004048 modification Effects 0.000 description 1
- 238000005025 nuclear technology Methods 0.000 description 1
- 238000011275 oncology therapy Methods 0.000 description 1
- -1 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 229920000573 polyethylene Polymers 0.000 description 1
- 238000012216 screening Methods 0.000 description 1
- 239000004065 semiconductor Substances 0.000 description 1
- 239000000126 substance Substances 0.000 description 1
- 238000006467 substitution reaction Methods 0.000 description 1
- 239000013077 target material Substances 0.000 description 1
Images
Classifications
-
- G—PHYSICS
- G01—MEASURING; TESTING
- G01T—MEASUREMENT OF NUCLEAR OR X-RADIATION
- G01T1/00—Measuring X-radiation, gamma radiation, corpuscular radiation, or cosmic radiation
- G01T1/36—Measuring spectral distribution of X-rays or of nuclear radiation spectrometry
-
- Y—GENERAL TAGGING OF NEW TECHNOLOGICAL DEVELOPMENTS; GENERAL TAGGING OF CROSS-SECTIONAL TECHNOLOGIES SPANNING OVER SEVERAL SECTIONS OF THE IPC; TECHNICAL SUBJECTS COVERED BY FORMER USPC CROSS-REFERENCE ART COLLECTIONS [XRACs] AND DIGESTS
- Y02—TECHNOLOGIES OR APPLICATIONS FOR MITIGATION OR ADAPTATION AGAINST CLIMATE CHANGE
- Y02E—REDUCTION OF GREENHOUSE GAS [GHG] EMISSIONS, RELATED TO ENERGY GENERATION, TRANSMISSION OR DISTRIBUTION
- Y02E30/00—Energy generation of nuclear origin
- Y02E30/10—Nuclear fusion reactors
Landscapes
- Physics & Mathematics (AREA)
- Spectroscopy & Molecular Physics (AREA)
- Health & Medical Sciences (AREA)
- Life Sciences & Earth Sciences (AREA)
- General Physics & Mathematics (AREA)
- High Energy & Nuclear Physics (AREA)
- Molecular Biology (AREA)
- Measurement Of Radiation (AREA)
Abstract
本发明为解决质子束灵敏度刻度实验中，不影响质子束与气体闪烁体相互作用前提下，对质子束强度实时准确在线测量的技术问题，而提出了一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法。该装置包括灵敏度刻度单元、加速单元和光学成像单元；所述灵敏度刻度单元与加速单元共轴；所述敏度刻度单元质子束入射窗口与加速单元质子束出射窗口均密封；所述灵敏度刻度单元上与质子束运动方向垂直的方向预留有气体荧光传输通道，且气体荧光传输通道密封；所述光学成像单元位于灵敏度刻度单元上其中一个气体荧光传输通道口的一侧。本发明提出的质子灵敏度刻度方法为实现光学方法脉冲中子能谱测量和应用于带电粒子束能谱及注量监测提供技术支撑。
Description
技术领域
本发明属于射线测量技术，具体涉及一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法，可用于光学方法对中子束、带电粒子束能谱测量系统灵敏度刻度和基于光学成像系统的辐射场粒子注量测量。
背景技术
能谱是表征辐射场特征的重要参数，准确测量辐射场粒子束能谱分布对诊断核辐射产生、发展过程具有重要意义。《Nuclear diagnostics for Inertial ConfinementFusion(ICF)Plasma》(Plasma Physics and Controlled Fusion,2020(62):023001)中指出，准确测量聚变辐射场初级中子能谱、向下/向上散射能谱、超高能中子的能谱，能够诊断出聚变反应区的离子温度、燃料面密度等核心参数，因此中子能谱是聚变物理研究的核心诊断量。在质子/重离子治癌、材料及电子器件辐照机理与效应研究、以及其他核技术应用中，也都需要获得准确的辐射场粒子能量信息或能谱分布。
不同辐射场的粒子能谱测量方法和技术路线不同。在要求实时给出能谱测量结果的场合，根据辐射场强度不同，能谱测量大致可分为单粒子计数法和电流型法两类。对于强度较低的稳态或准稳态辐射场，一般采用单粒子计数法测量。单粒子计数法获取单个辐射粒子在核辐射探测器中激发的电信号或光信号，给出单个粒子的时间、能量、电荷等信息。如对注量率为1×103proton.cm-2.s-1质子辐射，可采用Si-PIN半导体探测器测量，探测器输出电信号经前置放大器、主放大器处理，获得与质子能量成正比的电压脉冲波形，然后利用多道分析器记录，最后统计获得反映辐射场粒子束能谱信息的脉冲幅度谱。受探测器响应时间、核电子学信号处理固有的死时间以及辐射粒子作用特性等限制，单粒子计数法无法应用于注量率很高(如大于1×107particle.cm-2.s-1)的辐射场粒子能谱测量。
对于高注量率辐射场中，辐射粒子在探测器中激发信号在时间上相互堆叠，无法获得探测器对单粒子的响应信息，探测器输出的是反映辐射场群体粒子平均特征的电流信号，可以是脉冲电流也可以直流电流信号。对于强脉冲辐射场，结合辐射粒子能量变化转换成时间、空间信息的相对变化，获取不同时间、空间的测量探测器电流信号也能提供一定的辐射场粒子能谱信息。比如，在美国国家点火装置NIF(National Ignition Facility)上，采用了磁反冲质子谱仪MRS(Magnetic Recoil Spectrometer)、中子飞行时间谱仪nTOF(neutron Time-of-Flight)测量ICF聚变中子能谱，其中MRS利用了不同能量中子产生的反冲质子或反冲氘核在磁场中偏转半径的差异，在空间分辨上进行中子能谱测量；nTOF则利用不同能量中子的飞行速度差异，在时间分辨上进行中子能谱测量。在不要求实时测量的场合，还可以采用中子活化法、固体径迹探测法、衰减吸收法等测量高强度辐射场的粒子束能谱。
在脉冲中子能谱测量方面，我们研究团队建立了反冲质子磁分析系统(Recoil-proton Magnetic Spectrometer)，也开展了基于中子飞行时间(nTOF)的中子能谱测量方法研究。对强度有限或持续时间较长的脉冲中子源，上述方法在此类中子源能谱测量中存在一定的局限性。所谓强度有限带来的局限性是指因为反冲质子磁分析系统探测效率较低，脉冲中子引起的磁分析系统探测器信号输出幅度太小不足以有效记录；所谓持续时间较长带来的局限性是指源脉冲宽度与测点中子飞行时间弥散相当，甚至其脉冲宽度比飞行时间弥散更大，无法通过测点中子飞行时间谱反推源脉冲中子能谱信息。针对此难题，我们创新提出了基于气体荧光成像的能谱测量方法。例如中国专利CN102621578A，专利名称为：带电粒子束能量的光学测量方法，与中国专利CN102621575A，专利名称为：利用光学方法测量带电粒子束能量的装置。其中测量方法和装置的原理是：记录带电粒子束在气体闪烁体中沿其运动径迹上沉积能量并激发气体闪烁体发出的荧光图像，根据荧光图像的强度-空间分布，结合系统对不同能量粒子的响应进行数学反演计算，获得入射带电粒子束的能谱分布。该方法可用于脉冲和稳态的中子束、带电粒子束能谱测量，其中中子束能谱需转化为带电的反冲质子束进行测量。上述两个专利中所述方法和对应装置的响应灵敏度较低，只适用于粒子注量率较高的辐射场。
针对上述方法和系统响应灵敏度较低和只适用于粒子注量率较高的辐射场测量的问题，又提出了通过正比放大增强气体荧光信号，实现了对单个带电粒子径迹成像的方法和装置，用于低强度的辐射场粒子能谱测量。例如中国专利CN105093263A，专利名称为：基于气体正比室的单粒子径迹成像装置，中国专利CN106094004A，专利名称为：一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法，以及中国专利CN106707328A，专利名称为：一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置及测量方法。这几个专利所述方法和装置，通过气体电离室的正比放大机制，实现对气体荧光光子数的倍增放大，使得装置具备对单个带电粒子径迹成像记录并测量其能量等信息的能力。
将上述基于气体荧光成像的粒子束能谱测量装置，不论是用于脉冲中子束还是用于单个中子能量测量，实现从气体荧光图像到入射粒子束能谱测量，核心在于四个“对应”：反冲质子能量与入射中子能量对应、质子的近似直线运动特性且其在物质中射程与质子能量对应、气体发光线性特性即气体区域发光强度与该区域内质子能量沉积对应、成像系统线性响应即相机传感器输出信号灰度值与接收到的气体荧光光子数对应。中子与含氢靶材(如聚乙烯)的氢原子核发生n-p弹性散射，出射的反冲质子能量Ep与入射中子能量En有严格的对应关系Ep＝Encos2θ，其中θ为实验室坐标系中出射反冲质子相对入射中子运动方向的夹角。质子在气体中近似成直线运动，射程与能量对应；气体闪烁体具有良好的发光线性特性，气体的荧光输出与对应区域的能量沉积成正比；相机的响应线性则可以通过对相机筛选和性能调控来保证。
我们将上述的基于气体荧光成像方法和装置的对中子束和带电粒子束能谱测量的方法称为光学方法。光学方法用于脉冲中子能谱测量时，必须对整个光学方法测量装置即气体荧光成像探测系统进行准确的灵敏度刻度，确保系统响应灵敏度与脉冲辐射场预期强度相匹配。受相机线性和动态范围限制，如果气体荧光成像系统灵敏度太低则无法获得具有足够灰度值的有效图像，灵敏度太高则图像传感器会因信号饱而散失线性关系。这两种情况下都无法从气体图像中正确反演出入射粒子束的能谱。
国内现有的中子源因产额低、能点少，不能满足使用中子束直接对气体荧光成像系统进行灵敏度刻度的需要。国内能够用于灵敏度刻度的单能中子源主要有中国原子能科学研究院CPNG-400高压倍加器，中国工程物理研究院K-400、Pd-300中子发生器，这些中子源能够提供带有绝对注量监测的14.1MeV(DT)和2.45MeV(DD)能点附近单能中子。但是综合考虑中子到反冲质子转换效率、气体荧光成像效率以及辐射屏蔽等因素，这几个加速器提供的中子束流都不能满足光学成像能谱测量系统中子灵敏度直接刻度的需要。因此，脉冲中子束能谱测量中的气体荧光成像探测系统中子的响应灵敏度刻度是当前亟需解决的技术难题。
针对气体荧光成像探测系统中子灵敏度难以直接刻度标定的难题，提出采用模拟计算与实验刻度系统对质子束响应灵敏度相结合的方法，实现对系统中子响应灵敏度间接刻度。中子与氢n-p弹性散射过程模型简单，作用截面测量精度很高，采用Geant4、MCNP等蒙特卡罗程序可以准确地模拟出中子作用的反冲质子束在气体闪烁体中能量沉积及其空间分布。实验测量得到不同能量质子沉积与气体荧光成像探测系统图像灰度值ADU的对应关系，进一步结合蒙特卡罗计算可以获得气体荧光成像探测系统对不同能量中子的响应灵敏度。当前，国内北京大学EN-6串列加速器、中国原子能科学研究院HI-13串列加速器，都能够提供能量连续精确可调的单能质子束，可以满足气体荧光成像探测系统对2-20MeV质子响应灵敏度刻度需要。
光学方法中的能谱测量系统对质子响应灵敏度S，可以定义为气体荧光图像灰度值NADU与对应区域质子能量沉积Edep比值S＝NADU/Edep。图像灰度值即为图像量化灰度数值，可选择图像一小块区域内积分平均得到，而质子束能量沉积则可通过蒙卡模拟计算得到。获取质子束径迹末端气体荧光图像，选择一小块区域内图像积分统计灰度值平均结果，该灰度值与气体发光强度、镜头参数、相机增益、积分时间等都有关系。对于光学成像能谱测量系统，对荧光图像灰度值有贡献的是相机快门时间Tw内入射的质子数Np沉积的能量，即对应区域内质子束总能量沉积Ed-total。用于脉冲中子能谱测量的相机快门时间设置得很短，一般为数十纳秒至几百微秒；且如果在质子束灵敏度刻度时对质子束进行直接测量必然改变入射到气体中质子束方向或能量，最终会影响气体闪烁体中质子能量沉积的空间分布，这样就无法准确地开展质子束灵敏度刻度工作。因此即使提出质子束代替中子束并结合蒙卡计算进行系统中子响应灵敏度的间接标定，又面临着另一个难题，那就是灵敏度刻度实验中的质子束强度实时准确监测的问题。
中国专利CN102156290A，专利名称为：用于图像诊断的射线绝对测量装置及方法，其中提到了对于针孔成像系统通过图像可测量X/γ辐射场绝对强度，主要是通过射线强度的绝对测量获取源区图像每个像素点对应射线的绝对强度，根据图像数据和产生图像的射线绝对强度，将像面上的每个像素根据其灰度值换算为该处对应的射线的绝对强度。该方法在应用前，必须首先标定获得探测器对X/γ灵敏度、以及X/γ射线绝对强度与相机图像灰度值对应关系。其应用目标和场景是期望通过获取针孔成像系统对X/γ辐射场的响应图像，测量得到辐射场X/γ射线束的绝对注量，解决以往图像测量系统只能用于相对测量，不能用于绝对测量的难题。但是，该方法和系统并不能应用于解决光学成像能谱测量系统的中子和质子灵敏度刻度的技术问题。
发明内容
本发明为现有技术受限于国内单能中子源能点少、强度低，无法直接对气体荧光成像探测系统进行中子灵敏度刻度的技术难题，使质子束灵敏度刻度实验中，不影响质子束与气体闪烁体相互作用前提下，对质子束强度实时准确在线测量，而提出了一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法。
本发明的设计思路是：利用不同于成像区域的质子束激发的气体荧光作一个间接的在线测量，以此获得成像时入射到气体中的质子数。质子束在气体闪烁体中射程较长，沿整个径迹沉积能量，在质子束路径上各处发光。一定能量的质子与一定状态下的气体闪烁体相互作用，气体各处荧光强度(与能量沉积密度相关)的相对比例保持不变。在获取气体荧光图像同时，选择远离质子射程末端Bragg峰的一小块区域，同步监测该区域内气体荧光强度。再建立气体荧光强度与入射质子数之间对应关系，就可以实现对光学成像能谱测量系统质子灵敏度刻度。气体荧光强度可采用光电探测器实时在线测量，质子注量监测可以采用法拉第探测器实现。
同时将本发明基于加速器质子束实验刻度和蒙卡模拟计算结合，应用其原理可获得气体荧光成像探测系统对中子灵敏度的刻度方法，解决现有技术受限于国内单能中子源能点少、强度低，无法直接对气体荧光成像探测系统进行中子灵敏度刻度的技术难题。为达到上述目的，本发明采用的技术方案为：
一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特殊之处在于：包括依次共轴设置的加速单元和灵敏度刻度单元，以及设置在灵敏度刻度单元一侧的光学成像单元；
所述加速单元包括加速器靶站和设置在加速器靶站中的法拉第探测器；所述加速器靶站用于提供聚焦模式和扫描模式的质子束；所述灵敏度刻度单元包括与加速器靶站共轴设置的气体腔体，以及荧光准直器、光电探测器和限束准直器；所述气体腔体上在与质子束运动方向垂直的方向设置有密封的第一气体荧光传输通道和第二气体荧光传输通道；
所述光学成像单元位于第一气体荧光传输通道的一侧；
所述荧光准直器、光电探测器沿光路依次设置在第二气体荧光传输通道一侧，气体腔体中的气体闪烁体的产生的荧光经过荧光准直器出射后被光电探测器接收；
所述荧光准直器与气体腔体的轴线的垂直距离大于30mm；
所述限束准直器设置在加速器靶站与气体腔体之间；
所述光学成像单元包括光学暗箱以及光学暗箱内沿光路方向依次设置的镜头、像增强器和光学相机，镜头、像增强器和光学相机一起组成ICMOS相机；
所述镜头、像增强器和光学相机共同置于一块可调节的支撑板上，且其中心均在同一轴线上；所述镜头可前后移动，用于调节荧光成像系统视场和景深；
所述像增强器用于对接收的荧光增强放大，其快门宽度从2纳秒至百毫秒可调；
所述光学相机输出的快门同步脉冲波形用于驱动像增强器开门及快门宽度监测。
进一步地，所述气体腔体主体为不锈钢材质的长方形腔体，紧贴气体腔体的内壁设有内衬；所述内衬与气体腔体相对应的位置也预留气体荧光传输通道；
所述光学暗箱为双层屏蔽结构箱体，外箱体为合金铝，内箱体为黄铜，在内箱体内壁贴有粘性黑绒布。
进一步地，所述加速器靶站和气体腔体分立设置；所述加速器靶站的后端密封设置有质子束的出射窗口，所述气体腔体的前端密封设置有与出射窗口对应的入射窗口；所述限束准直器设置在质子束的出射窗口与入射窗口之间；所述入射窗口与出射窗口之间的距离小于质子在空气中的射程；
或者，所述加速器靶站通过金属靶管与气体腔体连接，限束准直器置于金属靶管内，所述限束准直器的前端密封设置有质子束的入射窗口。
进一步地，气体腔体出射窗口处设有真空与气体接口，用于对气体腔体抽真空或充入高纯度的气体闪烁体；
所述气体腔体质子束的入射窗口采用薄金属窗密封；
所述加速器靶站质子束的出射窗口采用薄金属窗密封；
所述气体腔体上的两个体荧光传输通道出口均采用石英玻璃窗口密封。
进一步地，所述荧光准直器采用一片平面镜组成L型90度反射光路，或者采用两片相互平行的平面镜组成Z型反射光路；所述荧光准直器在光路的入口和出口分别设置有光阑，且在通路侧壁上贴有黑色吸光材料。
进一步地，所述内衬的厚度2mm，采用发蓝处理的黑色铝合金板材拼接而成，有效降低荧光漫反射；
所述薄金属窗为中心厚度10μm、直径25mm的钛窗，钛箔厚度小于质子在其中的射程；
所述限束准直器为厚度5mm、中心孔径15mm的不锈钢结构。
进一步地，所述镜头选用佳能EF50F1.2L USM或EF85F1.2L II USM大光圈定焦镜头；
所述像增强器选用P47材质荧光屏的像增强器；
所述光学相机分辨率为最低为512×512，最大为2048×2048，12bits量化，对应图像灰度值变化范围0～4095；
所述ICMOS相机的增益电压调节范围为2.0～5.0V。
本发明还提供了一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度方法，采用上述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、搭建用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置
1.1)根据加速器靶站建立对心光轴，将气体腔体与加速器靶站对心，保证质子束垂直入射到灵敏度刻度单元且入射方向与气体腔体的中心轴线重合；
1.2)在气体腔体内的中心垂直面上放置刻度板，将光学成像单元对准气体腔体的第一气体荧光传输通道，调节光学成像单元中的镜头，满足视场、景深的要求；
步骤2)、根据光学成像单元获取的带有反映质子在气体中运动距离刻线的划线板图像，读取图像刻度像素位置及对应距离，得到像素位置与质子在气体中运动距离对应关系；
步骤3)、去掉刻度板，在气体腔体内安装内衬，对气体腔体抽真空后充满气体闪烁体，并记录气体闪烁体的温度和压强；
步骤4)、获取聚焦模式下的气体荧光图像，同步记录光电探测器电流IPD1和相机快门脉冲宽度Tw；
步骤5)、保持质子能量Ep不变，切换加速靶站为扫描模式，获取扫描模式下法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2；
保持步骤4)中光电探测器工作参数不变，保证出射质子束空间分布宽度大于限束准直器的内径，并覆盖加速器靶站中质子束流监测的法拉第探测器整个灵敏区，同步测量法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2；
步骤6)、计算能量为Ep质子束在气体中能量沉积分布，获得单个质子入射气体荧光图像对应区域内的能量沉积密度Ed；
步骤7)、计算相机快门TW时间内入射到气体中的质子数Np：
根据法拉第探测器灵敏面积AFC和限束准直器光栏孔面积AOP，光电探测器输出电流IPD1、IPD2，法拉第探测器电流IFC，计算出在聚焦模式下光电探测器输出电流IPD1时，相机快门TW时间内入射到气体中的质子总数Np为：
其中，e为电子元电荷，e＝1.602×10-19C；
步骤8)、计算系统对质子响应灵敏度S
8.1)选择质子射程末端一窄的区域对图像灰度值进行积分，该区域与步骤6)中计算Ed的区域对应，得到图像灰度值平均NADU；
8.2)相机快门时间Tw内质子束沉积的总的能量沉积密度Ed-total为：
Ed-total＝NpEd；
气体荧光成像能谱测量系统对能量为Ep质子束的响应灵敏度S为：
完成光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度。
进一步地，步骤4)具体为：
加速器靶站在聚焦模式出射能量为Ep单能质子束，激发气体闪烁体发光，改变光学相机的快门宽度和增益，调节质子束流强度，使气体荧光图像灰度值处于线性范围内且使得荧光图像灰度值具有10倍以上的信噪比；获取聚焦模式下的气体荧光图像，并且记录此时光电探测器电流IPD1和相机快门脉冲宽度Tw。
进一步地，步骤3)中，所述气体闪烁体为四氟化碳(CF4)、氦(He)、氩(Ar)、氙(Xe)气体的一种气体或几种气体组合；
步骤5)中，探测扫描模式下法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2时，法拉第探测器外加偏置高压，抑制二次电子发射，提高质子束流强度测量的准确度。
本发明的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度方法，是在加速器质子聚焦模式下，获取质子束激发气体荧光图像，利用带有荧光准直光路的光电探测器同步监测气体荧光强度，记录光电探测器信号强度、光学相机快门时间宽度、气体荧光图像质子射程末端区域对应灰度值；然后，在加速器质子束扫描模式下，采用法拉第探测器监测质子注量率，同步测量光电探测器信号强度，获得光电探测器信号与质子注量率的对应关系；最后，结合能蒙特卡罗模拟的气体中质子能量沉积密度和实验数据，获得气体荧光成像探测系统对质子的响应灵敏度，为实现光学方法脉冲中子能谱测量和光学方法应用于带电粒子束能谱及注量监测提供技术支撑。
本发明比现有技术的有益效果是：
1、本发明提出的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法，采用光电探测器实时同步监测远离质子射程末端的气体闪烁体发出的经过准直的荧光，再获得光电探测器信号与质子束流强度对应关系，能够实时准确在线监测质子束流强度而不引起质子束流能量和方向的变化，确保不影响灵敏度刻度实验时质子在气体闪烁体中的能量沉积空间分布，结合蒙卡模拟计算得到设定参数下图像灰度值与对应区域气体中质子能量沉积密度的关系，实现了对气体荧光成像探测系统的质子灵敏度准确刻度。
2、本发明提出的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法，结合蒙卡模拟和质子束实验计算结果，能够实现对光学方法脉冲中子能谱测量系统的中子响应灵敏度转换标定，解决了光学方法脉冲中子能谱测量系统受国内现有中子源强度低、能点少的限制无法直接进行中子灵敏度标定的难题。
3、本发明提出的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法，能够建立粒子束在气体中能量沉积与图像灰度值的对应关系。经过此方法刻度的装置，可以通过测量辐射场粒子束激发的图像灰度值推断入射质子束或其他带电粒子束的绝对强度。
附图说明
图1为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例1的沿质子束入射方向轴向的结构剖视图，图中看不到光学成像单元；
图2为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例1的沿质子束入射方向水平方向的结构剖视图，图中看不到法拉第探测器、荧光准直器和光电探测器；
图3为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例1中荧光准直器结构示意图；其中，(a)为L型，(b)为Z型；
图4为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例2的沿质子束入射方向轴向的结构剖视图，图中看不到光学成像单元；
图5为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例2的沿质子束入射方向水平方向的结构剖视图，图中看不到法拉第探测器、荧光准直器和光电探测器；
图6为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例1实验获取的8.56MeV质子束激发CF4气体发光图像；
图7为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例1蒙卡模拟计算的8.56MeV质子在CF4气体能量二维沉积分布；
图8为本发明用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置实施例1蒙卡模拟计算的8.56MeV质子在CF4中能量沉积Bragg曲线。
附图标记：
1-气体腔体，2-内衬，3-真空与气体接口，4-荧光准直器、41-反射镜、42-光阑，5-光电探测器，6-限束准直器，7-加速器靶站，8-法拉第探测器，9-光学暗箱，10-镜头，11-像增强器，12-光学相机。
具体实施方式
为使本发明的目的、优点和特征更加清楚，以下结合附图和具体实施例对本发明提出的一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置作进一步详细说明。
实施例1
参照图1和图2所示，本实施例所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，包括灵敏度刻度单元、加速单元和光学成像单元。所述灵敏度刻度单元上预留有两个气体荧光传输通道，通道的出口采用石英玻璃窗口密封。灵敏度刻度单元与加速单元共轴，光学成像单元位于灵敏度刻度单元其中一个气体荧光传输通道口侧方。
所述灵敏度刻度单元包括气体腔体1、荧光准直器4、光电探测器5和限束准直器6。
气体腔体1主体为不锈钢材质，内部净尺寸500mm(长)×150mm(宽)×150mm(高)的长方形腔体，紧贴气体腔体1的内壁设有内衬2，内衬2为厚度2mm铝板拼接而成，内衬2的表面黑色采用电化学发蓝工艺处理，可以降低荧光漫反射影响。内衬2与气体腔体1相对应的位置也预留气体荧光传输通道。
气体腔体1上质子束的入射窗口处采用薄金属窗密封，薄金属窗为中心厚度10μm、直径25mm的钛窗，钛箔厚度远小于质子在其中的射程。气体腔体1上质子束的出射窗口处设有真空与气体接口3。气体腔体1和内衬2上的其中一个气体荧光传输通道面向光学成像单元，在气体腔体1的对应位置设置有成像窗口；另一个气体荧光传输通道面向荧光准直器4，在气体腔体1对应位置设有光电测量窗口。
荧光准直器4设置于气体腔体1顶部靠近质子束的入射窗口一侧，远离质子在气体中射程末端的区域，且不影响光学成像系统的荧光收集。荧光准直器4与质子束的入射窗口的垂直距离至少大于30mm，以降低密封窗上二次电子发光的影响，本实施例中设置的距离为80mm。
光电探测器5设置在荧光准直器4上方，荧光准直器4正下方的气体闪烁体的产生的荧光透过光电测量窗口，经过荧光准直器4出射后被光电探测器5接收测量。
在用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度时，在气体腔体1内充满高纯度的气体闪烁体，气体闪烁为四氟化碳(CF4)、氦(He)、氩(Ar)、氙(Xe)等气体的一种或是这些气体组合的混合气体。
本实施例中选用纯度为99.999％的CF4作为气体闪烁体，工作时充满气体腔体1，气体温度变化范围15℃～30℃，压强变化范围60～400kPa。选用CF4作为气体闪烁体，其一，He、Ar、Xe等惰性气体在辐射粒子激发下，发光峰值波长主要位于真空紫外波段(<200nm)，可见光波段成份很少，空气和一般的光学窗口材料对真空紫外波段强烈吸收，成像系统对真空紫外光的响应灵敏度也比较低，而CF4的发光涵盖紫外-可见-红外波段，在200-350nm和500-750nm波段还有两个发光峰，其荧光传输不需要特殊处理，且多数相机对其光谱都能有很好的响应能力。其二，CF4气体光产额高，同样的能量沉积该气体的荧光输出强度比He、Ar、Xe等要高。其三，CF4的原子序数低，CF4用于中子测量时对脉冲中子辐射场伴随的伽马射线响应灵敏度较低，有利于提高测量系统的中子/伽马本征分辨能力；其四，CF4的价格相对于He、Ar、Xe等惰性气体价格更便宜。
参照图3所示，带箭头短横线状虚线表示气体荧光，箭头指示气体荧光传输方向。荧光准直器4在光路的出入口的两侧均分别设置有光阑42，并在通路侧壁上贴有粘性黑绒布吸光，降低荧光在内壁上的反射，荧光经过反射镜反射，从荧光准直器4出射出来最终被光电探测器5接收测量。荧光准直器4能够限制光电探测器5的测量视场，只有其正下方区域内气体闪烁体向上发出的荧光经过荧光准直器4的反射光路才能够到达光电探测器5。
荧光准直器4有两种形式，图3a为采用一片平面镜组成L型90度反射光路，平面反射镜41与光路中心线成45度夹角，荧光准直器4下方区域的气体闪烁体发出的荧光，经过平面反射镜41反射，相对原来入射方向偏转了90度。
图3b为采用两片相互平行的平面镜组成Z型反射光路，两片平面反射镜41与光路中心线各成45度夹角。荧光准直器4下方区域的气体闪烁体发出的荧光，经过平面反射镜41的两次反射，相对原来入射方向平行。
荧光准直器4的荧光入口和出口尺寸与质子束流强度、能量等有关，本实施例中荧光准直器4的荧光入口和出口尺寸均为20mm×40mm。
无论L型反射结构还是Z型反射结构，都选用平面镜作为反射镜，平面镜加工简单，反射效率高。也可以采用更复杂的抛物面实现对荧光的偏转折返。
两种结构比较，各有优缺点：在L型反射结构中，气体荧光只被反射了一次就能到达光电探测器5，传输效率高，但是对下方气体发光的区域范围的限制不如Z型反射结构好，限定区域之外的散射荧光也有可能通过荧光准直光路4。而Z型结构经过两次反射，能够更有效的降低限定区域之外的散射荧光影响，但是两次反射后也会降低限定区域之内荧光的传输效率，平面镜的反射效率达不到100％，每反射一次剩余荧光的强度就会降低一些。
从理论上，还可以设置更多层级的折转光路结构，比如三次反射、四次反射等，根据实际需要在反射效率与对气体发光区域限定之间折中选择。需要指出的是，两次反射以后再增加反射镜数量，对区域范围的限定效果改进提高不明显。
所述加速单元包括加速器靶站7和在其中的法拉第探测器8。加速单元与灵敏度刻度单元分立设置，即气体腔体1和加速器靶站7分立设置。加速器靶站7在能谱测量系统中质子灵敏度刻度时为高真空状态，其质子束出射窗口也采用薄金属窗密封，加速器靶站7质子束出射窗口与气体腔体1上质子束的入射窗口对齐。
加速器靶站7具备提供聚焦和扫描两种模式的质子束，聚焦模式下质子的束斑小于限束准直器6内孔尺寸，全部入射到气体闪烁体中；扫描模式下，质子束在扫描空间内均匀分布，且扫描空间覆盖质子束出射窗口和法拉第探测器8的灵敏区。
限束准直器6位于气体腔体1的质子束的入射窗口和加速器靶站7质子束出射窗口之间，限束准直器6为厚度5mm、中心孔径15mm的不锈钢结构。此时气体腔体1上质子束的入射窗口与加速器靶站7质子束出射窗口之间的距离小于对应能量质子在空气(标准大气压)中射程。
所述光学成像单元包括光学暗箱9以及光学暗箱9内安装的镜头10、像增强器11和光学相机12。
光学暗箱9为双层屏蔽结构箱体，外箱体为合金铝，内箱体为黄铜，在内箱体内壁贴有粘性黑绒布。镜头10、像增强器11和光学相机12共同置于一块可调节的支撑板上，镜头10、像增强器11和光学相机12一起组成ICMOS相机。镜头10、像增强器11以及光学相机12的传感器中心在同一轴线上，确保光学相机图像正确反映真实物体形状，无畸变。镜头10可前后移动，用于调节荧光成像系统视场和景深。相增强器11的快门宽度从2纳秒至百毫秒可调。光学相机12输出的快门同步脉冲波形用于驱动像增强器开门，且可用于快门宽度监测。
像增强器11主要由光阴极、MCP倍增器和荧光屏组成，实现对接收的荧光增强放大。基本原理是，入射的光子与光阴极发生光电作用，产生光电子；光电子在MCP倍增器的毛细管中运动，在MCP两端电场作用下加速，不断与MCP毛细管壁碰撞生成更多的次级电子，实现对电子数目的倍增；荧光屏被MCP倍增器倍增后的电子轰击发出荧光。整个过程完成了“荧光-电子-荧光”的转换，在转换过程中荧光强度可实现上万倍甚至上百万倍的增强。像增强器11是光学成像系统测量微弱荧光信号的重要工具。
本实施例中，光学成像单元的镜头10选用佳能EF50F1.2L USM或EF85F1.2L IIUSM大光圈定焦镜头。一般情况下，具体选用的镜头型号是根据镜头焦距、光圈大下、需要拍摄的气体荧光成像区域尺寸、相机与气体闪烁体的位置确定。本次实验中，综合考虑选用了EF50F1.2L SUM镜头。
像增强器11为P47荧光屏材料的像增强器，用于快脉冲测量时，选用发光余辉时间更短的P47荧光屏更有优势，图像的分辨率会更好一些。也可选用P43、P46或其他荧光屏的像增强器产品，不同产品主要差别的对荧光的放大增益和荧光屏的余辉时间不同。
选用光学相机12分辨率为最低为512×512，最大为2048×2048，12bits量化的CMOS相机，12bits量化对应图像灰度值变化范围0～4095。根据需要也可选择像素阵列更多、量化位更高的相机。
三者组成的ICMOS相机的增益电压调节范围为2.0～5.0V，光学成像单元增益系数与电压之间近似成指数变化关系。调节增益电压，可以改变像增强器的荧光放大倍数。
实施例2
参照图4和图5所示，与实施例1的不同之处在于，灵敏度刻度单元和加速单元为一体设置，加速器靶站7通过金属靶管与气体腔体1连接，采用一个薄金属窗密封隔离两侧腔体的高真空与气体腔体1的充气状态，限束准直器6置于金属靶管内，位于薄金属窗靠近气体腔体1上质子束的入射窗口一侧。
当灵敏度刻度单元和加速单元一体设置时，入射到气体闪烁体中的质子束只穿透一次薄金属密封窗，能量损失和能量弥散小，但是薄金属密封窗意外受损时，加速器靶站7真空环境会被立刻破坏，加速器靶站7及其所属的加速器设备损坏的风险增大；当灵敏度刻度单元和加速单元分立设置，加速器靶站7和气体腔体1相互独立，加速器靶站7真空环境安全更有保障，但是这种情况下质子束要穿透两层薄金属密封窗和其间的空气，入射到气体闪烁体的质子束能量损失和能量弥散更大。
图1、图2和图4、图5中，带箭头粗的黑色点状虚线表示质子束，箭头指示质子运动方向，灵敏度刻度单元与加速单元共轴，质子束垂直入射到气体腔体1中并且运动方向与气体腔体1的中心轴线重合。加速器工作在聚焦模式下，质子束斑小于3mm，能够全部入射到气体闪烁体中；加速器工作在扫描模式下，加速器靶站7内的质子束在空间均匀分布，扫描空间覆盖质子束出射窗口和法拉第探测器8的灵敏区。
本实施例采用上述用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，对基于光学成像的能谱测量系统中质子灵敏度刻度方法，具体实验在北京大学EN-6质子串列加速器上进行，加速单元与灵敏度刻度单元分立设置。
实验步骤如下：
步骤1)、搭建用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置
1.1)根据加速器靶站7建立对心光轴，将灵敏度刻度单元与加速单元对心，保证质子束垂直入射到灵敏度刻度单元且运动方向与气体腔体1和内衬2的中心轴线重合；
加速单元与灵敏度刻度单元分立设置时，气体腔体1和加速器靶站7不连接，气体腔体1的质子束的入射窗口和加速器靶站7质子束出射窗口均采用厚度10μm的金属钛窗密封，限束准直器6置两个密封窗口之间；
1.2)在气体腔体1内的中心垂直面上设置刻度板，将光学成像单元对准气体腔体侧方气体荧光传输通道，调节光学成像单元中的镜头10，设置像增强器11和光学相机12的参数，确保其置于正确位置并且获取刻度板图像的视场、景深满足实验需求。
步骤2)、根据光学相机12获取的带有反映质子在气体中运动距离刻线的划线板图像，读取图像刻度像素位置及对应距离，得到像素位置与质子在气体中运动距离对应关系。
步骤3)、去掉刻度板，在气体腔体1内安装内衬2，通过真空气体接口10对气体腔体1抽真空后充入高纯度(99.999％)CF4充作为气体闪烁体，直至充满气体腔体1，记录记录气体闪烁体的温度和压强；
本实施例中，重复两次步骤3)，测量气体温度和压强分别为28.217℃和130.94kPa。
步骤4)、获取聚焦模式下的气体荧光图像，记录光电探测器电流IPD1和相机快门脉冲宽度Tw；
加速器靶站7在聚焦模式出射能量为Ep单能质子束，激发气体闪烁体发光，改变光学相机的快门宽度和增益，调节质子束流强度，使气体荧光图像灰度值处于线性范围内且使得荧光图像灰度值具有10倍以上的信噪比；获取聚焦模式下的气体荧光图像，并且记录此时光电探测器电流IPD1和相机快门脉冲宽度Tw；
本实施例中，选用EN-6加速器实验站作为加速器靶站7，出射的质子能量为8.56MeV，设定像增强器11的增益电压为3.50V，快门宽度为405.4μs；
光电探测器5选用GD-40型光电管，设定工作电压+1800V，此时光电探测器的暗电流小于1pA；在光学相机14获取气体荧光图像的同时，用Keithley6517A皮安电流计同步测量光电探测器5信号。
重复上述图像和光电探测器信号采集过程20次，选择质子束射程末端8×12mm2区域对应像素统计图像灰度值，其中8mm长度对应质子入射方向，12mm宽度为质子径迹横向扩散方向。
对20组实验图像处理得到质子射程末端区域内气体荧光图像灰度平均值为3449.07，标准偏差为1.4％，减去相机固有读出本底灰度平均值188.35，荧光图像净信号灰度值NADU＝3260.72，像增强器13快门宽度Tw＝405.4μs，对应光电探测器5输出电流平均值为IPD1＝901.2pA。
步骤5)、保持质子能量Ep不变，使加速靶站7的工作模式改为扫描模式，获取扫描模式下法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2；
切换时保证出射质子束空间分布宽度大于限束准直器6的内径，并覆盖加速器靶站中质子束流监测的法拉第探测器整个灵敏区；保持步骤4)中光电探测器工作参数不变，同时测量法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2；
连接Keithley 6517A皮安电流计(其他能够测量到pA级微弱电流的仪器也能满足使用要求)，用于实时监测光电探测器5和法拉第探测器8的电流信号。其中，光电探测器5选用北京核仪器厂的GD40光电管，工作电压设置+1800V。
从法拉第探测器8灵敏区外周涂抹的荧光材料发光，可以确认扫描模式下质子束空间分布宽度大于法拉第探测器8的灵敏面30mm×10mm(灵敏区面积AFC＝3.0cm2)。在法拉第探测器8上加+2000V偏置高压，可以抑制二次电子发射，提高质子束流强度测量的准确度；限束准直器6的光栏孔的内径15mm，对应面积AOP＝1.767cm2。
用Keithley 6517A皮安电流计同步记录法拉第探测8和光电探测器5信号，此时光电探测器5的参数、气体闪烁体3的参数与步骤2中一样，测量得IFC＝728.8pA，IPD2＝18.0pA。
步骤6)、计算能量为Ep质子束在气体中能量沉积分布，获得单个质子入射气体荧光图像对应区域内的能量沉积密度Ed；
采用Geant4模拟质子束在对应密度的CF4气体中能量沉积一维和二维分布，设定气体温度、气压以及计算的密度与步骤1中一致。
蒙卡模拟程序也可以采用其他程序框架，比如MCNP、Fluka等。图7为8.56MeV质子束在气体中二维能量沉积图，图8为对应的沿质子入射方向一维Bragg曲线图。
选择质子射程末端8×12mm2区域统计，得到质子能量沉积密度为Ed＝2.052keV/mm2。
步骤7)、计算相机快门TW时间内入射到气体中的质子数Np；
扫描模式下，根据法拉第探测器灵敏面积AFC、限束准直器6的光栏孔面积AOP、法拉第探测器电流IFC，可以得到入射到气体闪烁中质子束流强度np2为：
其中e为电子电荷，e＝1.602×10-19C，此时光电探测器5的电流为IPD2。
由此，计算出在聚焦模式下光电探测器5输出电流IPD1时，相机快门TW时间内入射到气体中的质子总数Np为：
其中，电子元电荷e＝1.602×10-19C，计算NP＝5.44×107proton。
步骤8)、计算系统对质子响应灵敏度S
8.1)选择质子射程末端一窄的区域对图像灰度值进行积分，该区域与蒙特卡罗计算Ed的区域对应，得到图像灰度值平均NADU；
8.2)相机快门时间Tw内质子束沉积的总的能量沉积密度Ed-total为：
Ed-total＝NpEd；
确定的气体荧光成像探测系统参数下，光学方法气体荧光成像能谱测量系统对能量为Ep质子束的响应灵敏度S为：
本实施例，计算得S＝2.40×10-5ADU/(keV.mm-2)，即设定质子能量、气体的温度气压、相增强器11增益电压、镜头10和气体中心到相机传感器之间的距离等参数条件下，光学相机12一个像素输出1ADU灰度值要求对应的气体区域内能量沉积密度达到4.17×104keV.mm-2。
经过上述步骤，即完成了对基于光学成像的能谱测量系统的质子灵敏度刻度，为在脉冲中子能谱测量中的应用奠定了基础。
最后应说明的是：以上实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；尽管参照前述实施例对本发明进行了详细的说明，本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施例所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本发明技术方案的范围。
Claims (10)
1.一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：包括依次共轴设置的加速单元和灵敏度刻度单元，以及设置在灵敏度刻度单元一侧的光学成像单元；
所述加速单元包括加速器靶站(7)和设置在加速器靶站(7)中的法拉第探测器(8)；所述加速器靶站(7)用于提供聚焦模式和扫描模式的质子束；所述灵敏度刻度单元包括与加速器靶站(7)共轴设置的气体腔体(1)，以及荧光准直器(4)、光电探测器(5)和限束准直器(6)；所述气体腔体(1)上在与质子束运动方向垂直的方向设置有密封的第一气体荧光传输通道和第二气体荧光传输通道；
所述光学成像单元位于第一气体荧光传输通道的一侧；
所述荧光准直器(4)、光电探测器(5)沿光路依次设置在第二气体荧光传输通道一侧，气体腔体(1)中的气体闪烁体的产生的荧光经过荧光准直器(4)出射后被光电探测器(5)接收；
所述荧光准直器(4)与气体腔体(1)的轴线的垂直距离大于30mm；
所述限束准直器(6)设置在加速器靶站(7)与气体腔体(1)之间；
所述光学成像单元包括光学暗箱(9)以及光学暗箱(9)内沿光路方向依次设置的镜头(10)、像增强器(11)和光学相机(12)，镜头(10)、像增强器(11)和光学相机(12)一起组成ICMOS相机；
所述镜头(10)、像增强器(11)和光学相机(12)共同置于一块可调节的支撑板上；所述镜头(10)可前后移动，用于调节荧光成像系统视场和景深；
所述像增强器(11)用于对接收的荧光增强放大，其快门宽度从2纳秒至百毫秒可调；
所述光学相机(12)输出的快门同步脉冲波形用于驱动像增强器开门及快门宽度监测。
2.根据权利要求1所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：
所述气体腔体(1)主体为不锈钢材质的长方形腔体，紧贴气体腔体(1)的内壁设有内衬(2)；
所述光学暗箱(9)为双层屏蔽结构箱体，外箱体为合金铝，内箱体为黄铜，在内箱体内壁贴有粘性黑绒布。
3.根据权利要求2所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：
所述加速器靶站(7)和气体腔体(1)分立设置；所述加速器靶站(7)的后端密封设置有质子束的出射窗口，所述气体腔体(1)的前端密封设置有与出射窗口对应的入射窗口；所述限束准直器(6)设置在质子束的出射窗口与入射窗口之间；所述入射窗口与出射窗口之间的距离小于质子在空气中的射程；
或者，所述加速器靶站(7)通过金属靶管与气体腔体(1)连接，限束准直器(6)置于金属靶管内，所述限束准直器(6)的前端密封设置有质子束的入射窗口。
4.根据权利要求3所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：
气体腔体(1)出射窗口处设有真空与气体接口(3)，用于对气体腔体(1)抽真空或充入高纯度的气体闪烁体；
所述气体腔体(1)质子束的入射窗口采用薄金属窗密封；
所述加速器靶站(7)质子束的出射窗口采用薄金属窗密封；
所述气体腔体(1)上的两个体荧光传输通道出口均采用石英玻璃窗口密封。
5.根据权利要求4所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：
所述荧光准直器(4)采用一片平面镜(41)组成L型90度反射光路，或者采用两片相互平行的平面镜(41)组成Z型反射光路；所述荧光准直器(4)在光路的入口和出口分别设置有光阑(42)，且在通路侧壁上贴有黑色吸光材料。
6.根据权利要求5所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：
所述内衬(2)的厚度2mm，采用发蓝处理的黑色铝合金板材拼接而成；
所述薄金属窗为中心厚度10μm、直径25mm的钛窗；
所述限束准直器(6)为厚度5mm、中心孔径15mm的不锈钢结构。
7.根据权利要求1-6任一所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于：
所述镜头(10)选用佳能EF50F1.2L USM或EF85F1.2L II USM大光圈定焦镜头；
所述像增强器(11)选用P47材质荧光屏的像增强器；
所述光学相机(12)分辨率为最低为512×512，最大为2048×2048，12bits量化，对应图像灰度值变化范围0～4095；
所述ICMOS相机的增益电压调节范围为2.0～5.0V。
8.一种用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度方法，采用如权利要求1-7任一所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1)、搭建用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置
1.1)根据加速器靶站建立对心光轴，将气体腔体与加速器靶站对心，保证质子束垂直入射到灵敏度刻度单元且入射方向与气体腔体的中心轴线重合；
1.2)在气体腔体内的中心垂直面上放置刻度板，将光学成像单元对准气体腔体的第一气体荧光传输通道，调节光学成像单元中的镜头，满足视场、景深的要求；
步骤2)、根据光学成像单元获取的带有反映质子在气体中运动距离刻线的划线板图像，读取图像刻度像素位置及对应距离，得到像素位置与质子在气体中运动距离对应关系；
步骤3)、去掉刻度板，在气体腔体内安装内衬，对气体腔体抽真空后充满气体闪烁体，并记录气体闪烁体的温度和压强；
步骤4)、获取聚焦模式下的气体荧光图像，同步记录光电探测器电流IPD1和相机快门脉冲宽度Tw；
步骤5)、保持质子能量Ep不变，切换加速靶站为扫描模式，获取扫描模式下法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2；
保持步骤4)中光电探测器工作参数不变，保证出射质子束空间分布宽度大于限束准直器的内径，并覆盖加速器靶站中质子束流监测的法拉第探测器整个灵敏区，同步测量法拉第探测器信号IFC和光电探测器信号IPD2；
步骤6)、计算能量为Ep质子束在气体中能量沉积分布，获得单个质子入射气体荧光图像对应区域内的能量沉积密度Ed；
步骤7)、计算相机快门TW时间内入射到气体中的质子数Np：
根据法拉第探测器灵敏面积AFC和限束准直器光栏孔面积AOP，光电探测器输出电流IPD1、IPD2，法拉第探测器电流IFC，计算出在聚焦模式下光电探测器输出电流IPD1时，相机快门TW时间内入射到气体中的质子总数Np为：
其中，e为电子元电荷，e＝1.602×10-19C；
步骤8)、计算系统对质子响应灵敏度S
8.1)选择质子射程末端一窄的区域对图像灰度值进行积分，该区域与步骤6)中计算Ed的区域对应，得到图像灰度值平均NADU；
8.2)相机快门时间Tw内质子束沉积的总的能量沉积密度Ed-total为：
Ed-total＝NpEd；
气体荧光成像能谱测量系统对能量为Ep质子束的响应灵敏度S为：
完成光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度。
9.根据权利要求8所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度方法，其特征在于，步骤4)具体为：
加速器靶站在聚焦模式出射能量为Ep单能质子束，激发气体闪烁体发光，改变光学相机的快门宽度和增益，调节质子束流强度，使气体荧光图像灰度值处于线性范围内且使得荧光图像灰度值具有10倍以上的信噪比；获取聚焦模式下的气体荧光图像，并且记录此时光电探测器电流IPD1和相机快门脉冲宽度Tw。
10.根据权利要求8所述的用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度方法，其特征在于：
步骤3)中，所述气体闪烁体为四氟化碳(CF4)、氦(He)、氩(Ar)、氙(Xe)气体的一种气体或几种气体组合；
步骤5)中，法拉第探测器外加偏置高压。
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210151804.6A CN114509802B (zh) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | 用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法 |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| CN202210151804.6A CN114509802B (zh) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | 用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法 |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| CN114509802A true CN114509802A (zh) | 2022-05-17 |
| CN114509802B CN114509802B (zh) | 2024-08-16 |
Family
ID=81552451
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202210151804.6A Active CN114509802B (zh) | 2022-02-18 | 2022-02-18 | 用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN114509802B (zh) |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115267879A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-11-01 | 西北核技术研究所 | 一种高分辨脉冲快中子通量、能谱的测量装置及测量方法 |
| CN115407387A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-11-29 | 西北核技术研究所 | 碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置 |
Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100019165A1 (en) * | 2006-10-25 | 2010-01-28 | Mark Goldberg | Method & system for detecting nitrogenous materials via gamma-resonance absorption (gra) |
| US20100270462A1 (en) * | 2008-04-08 | 2010-10-28 | Robert Sigurd Nelson | Slit and slot scan, SAR, and compton devices and systems for radiation imaging |
| CN102621578A (zh) * | 2011-02-01 | 2012-08-01 | 西北核技术研究所 | 带电粒子束能量的光学测量方法 |
| CN102636804A (zh) * | 2011-02-15 | 2012-08-15 | 西北核技术研究所 | 测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构 |
| US20130287170A1 (en) * | 2012-02-23 | 2013-10-31 | Steven M. Ebstein | Dosimetric scintillating screen detector for charged particle radiotherapy quality assurance (qa) |
| CN106094004A (zh) * | 2016-08-02 | 2016-11-09 | 西北核技术研究所 | 一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法 |
| CN106707328A (zh) * | 2017-01-05 | 2017-05-24 | 清华大学 | 一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置及测量方法 |
| CN108562930A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-09-21 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统 |
| CN209842075U (zh) * | 2019-05-06 | 2019-12-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统 |
| CN110988971A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-10 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种宽能谱白光中子共振照相探测器及探测方法 |
| US20200289853A1 (en) * | 2018-08-06 | 2020-09-17 | Integrated Sensors, Llc | Ionizing-Radiation Beam Monitoring System |
| CN113433578A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-09-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 高灵敏x射线光谱平响应辐射流探测器 |
-
2022
- 2022-02-18 CN CN202210151804.6A patent/CN114509802B/zh active Active
Patent Citations (12)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| US20100019165A1 (en) * | 2006-10-25 | 2010-01-28 | Mark Goldberg | Method & system for detecting nitrogenous materials via gamma-resonance absorption (gra) |
| US20100270462A1 (en) * | 2008-04-08 | 2010-10-28 | Robert Sigurd Nelson | Slit and slot scan, SAR, and compton devices and systems for radiation imaging |
| CN102621578A (zh) * | 2011-02-01 | 2012-08-01 | 西北核技术研究所 | 带电粒子束能量的光学测量方法 |
| CN102636804A (zh) * | 2011-02-15 | 2012-08-15 | 西北核技术研究所 | 测量γ/X辐射场强度的方法及电流型半导体探测结构 |
| US20130287170A1 (en) * | 2012-02-23 | 2013-10-31 | Steven M. Ebstein | Dosimetric scintillating screen detector for charged particle radiotherapy quality assurance (qa) |
| CN106094004A (zh) * | 2016-08-02 | 2016-11-09 | 西北核技术研究所 | 一种基于光学成像的单粒子能量测量装置及方法 |
| CN106707328A (zh) * | 2017-01-05 | 2017-05-24 | 清华大学 | 一种利用单质子径迹成像的中子能谱测量装置及测量方法 |
| CN108562930A (zh) * | 2018-04-18 | 2018-09-21 | 中国科学院合肥物质科学研究院 | 一种特征寻峰的宽能谱中子测量系统 |
| US20200289853A1 (en) * | 2018-08-06 | 2020-09-17 | Integrated Sensors, Llc | Ionizing-Radiation Beam Monitoring System |
| CN209842075U (zh) * | 2019-05-06 | 2019-12-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 一种成像光电子束扫描型时域选通光电探测系统 |
| CN110988971A (zh) * | 2019-12-30 | 2020-04-10 | 中国科学院高能物理研究所 | 一种宽能谱白光中子共振照相探测器及探测方法 |
| CN113433578A (zh) * | 2021-05-18 | 2021-09-24 | 中国工程物理研究院激光聚变研究中心 | 高灵敏x射线光谱平响应辐射流探测器 |
Cited By (2)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| CN115267879A (zh) * | 2022-08-01 | 2022-11-01 | 西北核技术研究所 | 一种高分辨脉冲快中子通量、能谱的测量装置及测量方法 |
| CN115407387A (zh) * | 2022-08-19 | 2022-11-29 | 西北核技术研究所 | 碳化硅自给能半导体探测器及中子束流反角监测装置 |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| CN114509802B (zh) | 2024-08-16 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| Khan et al. | Measuring x-ray burn history with the streaked polar instrumentation for diagnosing energetic radiation (SPIDER) at the National Ignition Facility (NIF) | |
| CN114509802B (zh) | 用于光学成像能谱测量系统的质子灵敏度刻度装置及方法 | |
| Tremsin et al. | On the possibility to image thermal and cold neutron with sub-15 μm spatial resolution | |
| Verbus et al. | Proposed low-energy absolute calibration of nuclear recoils in a dual-phase noble element TPC using DD neutron scattering kinematics | |
| CN112596096B (zh) | 基于SiPM的超快伽马射线实时探测装置 | |
| Scuderi et al. | TOF diagnosis of laser accelerated, high-energy protons | |
| Cardarelli et al. | A gamma beam profile imager for eli-np gamma beam system | |
| JPS63259952A (ja) | 位置検出器 | |
| CN112034505B (zh) | 一种闪烁体余辉精确测量装置及方法 | |
| Ress et al. | High‐sensitivity scintillating‐fiber imaging detector for high‐energy neutrons | |
| CN102445705A (zh) | 多功能飞秒电子束诊断仪 | |
| Berggren et al. | Gamma-ray-based fusion burn measurements | |
| Dangendorf et al. | Fast neutron resonance radiography in a pulsed neutron beam | |
| Seravalli et al. | A scintillating gas detector for 2D dose measurements in clinical carbon beams | |
| CN218036511U (zh) | 一种x射线光电子能谱仪 | |
| CN212569168U (zh) | 一种闪烁体余辉精确测量装置 | |
| Feng et al. | Gas microchannel plate-pixel detector for X-ray polarimetry | |
| WO2021109313A1 (zh) | 中子强度关联成像的方法和装置 | |
| Yang et al. | A sealed X-ray microchannel plate imager with CsI photocathode to improve quantitative precision of framing camera | |
| Devanz et al. | Instrumentation for High Performance Cavities and Cryomodule Field Emission Analysis | |
| Vartsky et al. | Signal and noise analysis in TRION—Time-resolved integrative optical fast neutron detector | |
| Song et al. | Spectrometer for ultrashort X-ray based on scintillator and optical fiber: proof of principle study | |
| Mor | High Spatial-Resolution Fast Neutron Detectors for Imaging and Spectrometry | |
| Syresin et al. | MCP-based detectors: calibration and first photon radiation measurements | |
| 黄燦斌 | Study on tangentially viewed 2D-SXR imaging system in the QUEST tokamak |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| PB01 | Publication | ||
| PB01 | Publication | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
| GR01 | Patent grant | ||
| GR01 | Patent grant |