CN117687074A - 一种带电粒子谱仪及数据分析方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种带电粒子谱仪及带电粒子数据分析方法，所述带电粒子谱仪包括辐射敏感组件1和探测组件，所述辐射敏感组件包括多层闪烁光纤阵列，每层闪烁光纤阵列包括多个闪烁光纤，相邻层闪烁光纤阵列彼此正交排布，使得闪烁光纤分别被设置为X方向和Y方向；所述探测组件用于将闪烁光纤被激发后的可见光转化成电信号或图像信号。本发明公开的带电粒子谱仪及带电粒子数据分析方法，实现了对带电粒子束流的空间诊断和在线检测。
Description
技术领域
本发明涉及一种带电粒子谱仪及数据分析方法，属于粒子测量技术领域。
背景技术
激光质子加速器是一种新型的加速器，其物理机理是基于超短超强激光与固体相互作用形成的强电荷分离场来加速质子。为了研究这种质子源的特点，直接对质子束流进行诊断是十分必要的。
针对带电粒子数据分析，目前常用的诊断手段有RCF堆栈探测器、汤姆逊质子谱仪、固体径迹探测器等，然而RCF堆栈探测器是一次性使用的，常用于离线检测，在线探测的性能差，数据分析时，只能破坏激光加速器内的真空环境从而取出RCF堆栈使用扫描仪进行分析；
汤姆逊质子谱仪能够对质子束流进行在线诊断，不具有对质子束流空间分辨的能力；
固体径迹探测器能够进行在线探测，但是也无空间分辨能力。
闪烁体尤其是塑料闪烁体具有成本低、机械强度高、真空性能好等一系列优点，而且能将辐射信息转换为荧光信息在线传输出来，这使得闪烁体家族在辐射探测器领域备受青睐。目前，已有基于闪烁体的谱仪，不过仍存在很多缺陷，要么动态范围低，要么空间分辨率低。
由于上述原因，有必要对带电粒子数据分析设备和方法进一步研究，以解决上述问题。
发明内容
为了克服上述问题，本发明人进行了深入研究，设计出一种带电粒子谱仪，包括辐射敏感组件和探测组件，
所述辐射敏感组件包括多层闪烁光纤阵列，每层闪烁光纤阵列包括多个闪烁光纤，
相邻层闪烁光纤阵列彼此正交排布，使得闪烁光纤分别被设置为X方向和Y方向；
所述探测组件用于将闪烁光纤被激发后的可见光转化成电信号或图像信号。
在一个优选的实施方式中，每层闪烁光纤阵列中，多个闪烁光纤排布成一排，相邻闪烁光纤彼此平行，且相邻闪烁光纤之间的距离相同。
在一个优选的实施方式中，所述探测组件具有两个，分别检测X方向闪烁光纤和Y方向闪烁光纤。
在一个优选的实施方式中，还包括固定架，具有腔体，用于放置辐射敏感组件，
在腔体的Z方向上设置有带电粒子束流入射窗口，
在腔体的X方向和Y方向分别设置有光子通道，供光纤通过，以连接探测组件。
在一个优选的实施方式中，在固定架上设置有探测固定架，用于固定探测组件，所述探测固定架与腔体之间的距离可调，用于调整成像单元的视野范围。
本发明还提供了一种带电粒子数据分析方法，采用带电粒子束流照射辐射敏感组件，获取X方向和Y方向的成像；
根据X方向成像和Y方向成像，分别进行解谱，获得X方向二维带电粒子束流能谱和Y方向二维带电粒子束流能谱，将X方向和Y方向的二维带电粒子束流能谱组合，获得三维带电粒子能谱。
在一个优选的实施方式中，所述解谱包括以下步骤：
S1、建立响应矩阵，所述响应矩阵用于描述不同能量带电粒子束流对不同位置闪烁光纤的影响程度；
S2、进行辐照模拟，获得带电粒子束流成像中不同深度下的闪烁光纤发光情况；
S3、获取角度权重矩阵，所述角度权重矩阵用于描述不同角度的射线能够覆盖的闪烁光纤位置；
S4、根据成像，获取散射角度θ带电粒子束激发的最末端闪烁光纤对应的截止能量；
S5、以响应矩阵中每层闪烁光纤发光数量与实际成像中每层闪烁光纤发光数量的均方误差为损失函数，采用非线性回归方法，获得实际成像中带电粒子束流散射角度θ的能量；
S6、重复S3～S5，获得所有散射角度对应的能量，从而获得整个带电粒子束流的能量。
在一个优选的实施方式中，S1中，所述响应矩阵采用带电粒子源透过窄缝照射辐射敏感组件获得。
在一个优选的实施方式中，S4中，根据角度权重矩阵，获取与散射角度θ带电粒子束相交的闪烁光纤，根据成像，获取相交光纤中能够发光的最末端的光纤对应的截止能量。
在一个优选的实施方式中，S5中，在非线性回归中，优先采用玻尔兹曼分布迭代获得函数零点，当玻尔兹曼分布迭代无法收敛时，再采用指数分布迭代，当指数分布迭代无法收敛时，再采用双指数分布迭代，当双指数分布迭代无法收敛时，采用邻近插值获取函数零点，进而获得带电粒子束能量。
本发明所具有的有益效果包括：
(1)实现了对带电粒子束流的空间诊断；
(2)实现对带电粒子束流的在线检测；
(3)检测精度高。
附图说明
图1示出根据本发明一种优选实施方式的带电粒子谱仪辐射敏感组件中闪烁光纤阵列结构意图；
图2示出根据本发明一种优选实施方式的带电粒子谱仪辐射敏感组件结构意图；
图3示出根据本发明一种优选实施方式的带电粒子谱仪固定架结构意图；
图4示出根据本发明一种优选实施方式的带电粒子谱仪固定架结构意图；
图5示出根据本发明一种优选实施方式的带电粒子数据分析方法中带电粒子源透过窄缝照射辐射敏感组件结构示意图
图6示出根据本发明一种优选实施方式的带电粒子数据分析方法中辐照模拟过程示意图；
图7示出实施例1中获得的二维解谱结果示意图。
附图标记:
1-辐射敏感组件；
11-闪烁光纤阵列；
101-闪烁光纤；
3-固定架；
31-腔体；
32-带电粒子束流入射窗口；
33-光子通道；
34-探测固定架。
具体实施方式
下面通过附图和实施例对本发明进一步详细说明。通过这些说明，本发明的特点和优点将变得更为清楚明确。
在这里专用的词“示例性”意为“用作例子、实施例或说明性”。这里作为“示例性”所说明的任何实施例不必解释为优于或好于其它实施例。尽管在附图中示出了实施例的各种方面，但是除非特别指出，不必按比例绘制附图。
在本发明中，为便于描述相对方位关系，将空间直角坐标系中的三个轴标记为X”、“Y”和“Z”方向。
本发明提供了一种带电粒子谱仪，包括辐射敏感组件1和探测组件，
所述辐射敏感组件1包括多层闪烁光纤阵列11，如图1所示，每层闪烁光纤阵列包括多个闪烁光纤101，
相邻层闪烁光纤阵列11彼此正交排布，如图2所示，使得闪烁光纤分别被设置为X方向和Y方向；
所述探测组件用于将闪烁光纤被激发后的可见光转化成电信号或图像信号。
进一步优选地，每层闪烁光纤阵列中，多个闪烁光纤排布成一排，相邻闪烁光纤彼此平行，且相邻闪烁光纤之间的距离相同。
根据本发明，所述探测组件具有两个，分别检测X方向闪烁光纤和Y方向闪烁光纤。
带电粒子束能够激发闪烁光纤从而产生可见光，例如典型的带电粒子束-质子束，通过对辐射敏感组件被激发的可见光的采集，获得带电粒子束流的能量沉积空间分布信息，从而还原出带电粒子束流的能量和空间分布信息。
本领域技术人员容易理解的是，一定能量的带电粒子束流有比较确定的射程，因此，不同深度的闪烁光纤阵列代表着不同的带电粒子能量阈值，也就是说，只要这层的闪烁光纤阵列发光了，那么带电粒子至少达到了某一确定的能量。然后，根据X方向闪烁光纤阵列每层的发光数目，确定带电粒子源相对于XOZ平面的发散角度；根据Y方向闪烁光纤阵列每层的发光数目，确定带电粒子源相对于YOZ平面的发散角度。
进一步地，闪烁光纤阵列的层数是可以改变的，也就是会改变谱仪的能量量程，闪烁光纤阵列中光纤数目和长度也是可以改变的，优选地，相邻层闪烁光纤阵列的长度相同。
示例性地，闪烁光纤阵列长度60mm，其光纤数目120。
根据本发明，所述探测组件具有成像单元，例如CCD相机。
根据本发明，采用闪烁光纤替代闪烁光体，并设置彼此正交排布的闪烁光纤阵列，从而实现了带电粒子束流在X、Y两个方向激发可见光的单独收集，从而实现XOZ平面、YOZ平面上的二维解谱，进而通过两个二维平面解谱结果实现带电粒子束流的三维能谱检测。
在一个优选的实施方式中，所述辐射敏感组件1中，不同闪烁光纤101之间通过粘黏剂固定，所述粘接剂为任意一种能够吸光的粘性材料，例如，采用黑色的环氧树脂浇铸而成，其具有吸光、耐辐射、高粘性等性能，能够在真空中使用。
进一步地，所述辐射敏感组件1与探测组件之间通过光纤连接，为被激发产生的可见光提供传播通道。优选地，光纤外侧具有屏蔽罩，避免环境中的杂散光产生干扰。
在一个优选的实施方式中，如图3、4所示，该带电粒子谱仪还包括固定架3，所述固定架3具有腔体31，用于放置辐射敏感组件，
在腔体31的Z方向上设置有带电粒子束流入射窗口32，
在腔体31的X方向和Y方向分别设置有光子通道33，供光纤通过，以连接探测组件，光子通道外侧的壳体起到屏蔽罩作用。
在固定架3上设置有探测固定架34，用于固定探测组件。
在一个优选的实施方式中，所述探测固定架34与腔体31之间的距离可调，用于调整成像单元的视野大小。
更优选地，所述探测固定架34与腔体31之间具有滑轨，所述滑轨设置在光子通道33的外侧，探测固定架34可沿滑轨滑动，从而实现对视野大小的调整。
所述带电粒子束流入射窗口32可以圆形，也可以是方形，只要能够实现带电粒子束流的入射即可。
在一个优选的是实施方式中，所述固定架3采用金属材料如铝合金，能够屏蔽使用环境中的强烈的电磁脉冲，保证谱仪的正常工作。
传统加速器获得的质子束流均为满足高斯分布的准单能束流，具有发射度小、束流较为均匀的特点，对于此类带电粒子束流，单维度分辨即能够从一定程度上表征带电粒子束流。然而，新型激光打靶方法获得的质子束流，发散度较大，且束流并不均匀，这就导致传统的带电粒子数据分析方法不再适用。
进一步地，传统的带电粒子数据分析方法，多为一维度解谱，仅实现了截止能量的检测，无法实现不同角度对应能量的测量，更不具有空间分辨能力。
本发明还公开了一种带电粒子数据分析方法，采用带电粒子束流照射辐射敏感组件，获取X方向和Y方向的成像；
根据X方向成像和Y方向成像，分别进行解谱，获得X方向二维带电粒子束流能谱和Y方向二维带电粒子束流能谱，将X方向和Y方向的二维带电粒子束流能谱组合，获得三维带电粒子能谱。
所述辐射敏感组件包括多层闪烁光纤阵列，每层闪烁光纤阵列包括多个闪烁光纤101，相邻层闪烁光纤阵列11彼此正交排布，使得闪烁光纤分别被设置为X方向和Y方向。
在本发明中，所述解谱包括以下步骤：
S1、建立响应矩阵，所述响应矩阵用于描述不同能量带电粒子束流对不同位置闪烁光纤的影响程度；
S2、进行辐照模拟，获得带电粒子束流成像中不同深度下的闪烁光纤发光情况；
S3、获取角度权重矩阵，所述角度权重矩阵用于描述不同角度的射线能够覆盖的闪烁光纤位置；
S4、根据成像，获取散射角度θ带电粒子束激发的最末端闪烁光纤对应的截止能量；
S5、以响应矩阵中每层闪烁光纤发光数量与实际成像中每层闪烁光纤发光数量的均方误差为损失函数，采用非线性回归方法，获得实际成像中带电粒子束流散射角度θ的能量；
S6、重复S3～S5，获得所有散射角度对应的能量，从而获得整个带电粒子束流的能量。
根据本发明，S1中，所述响应矩阵的建立过程与传统带电粒子数据分析方法中响应矩阵的建立方法相似，区别在于，在本发明中，所述响应矩阵采用带电粒子源透过窄缝照射辐射敏感组件获得，如图5所示。
传统的带电粒子数据分析方法中，虽然也涉及到了相应矩阵，但响应矩阵获取过程中一般采用点源进行，，在本发明中，通过狭缝准直来限制沿光纤方向的辐照长度,从而准确的得知沿光纤方向上的辐照长度。
进一步地，在本发明中，采用大角度的带电粒子源，以保证狭缝后能够覆盖整个辐射敏感组件截面。
进一步地，所述响应矩阵采用已知能量的带电粒子源建立，更进一步地，采用多种质子源进行，优选地，所述多种质子源之间能量间隔为1-100MeV，步长0.1MeV。
根据本发明，响应矩阵的单位量纲为：光子/单位立体角的带电粒子数。
S2中，辐照模拟采用经狭缝准直后成为扇形的带电粒子源进行，
辐照模拟用于模拟实验时的对带电粒子源的探测，设置符合指数分布的带电粒子源进行模拟，如图7所示。
在一个优选的实施方式中，将经狭缝准直后形成的扇形对称分为两份，取其中一份进行，如图6所示。
根据本发明，S3中，对于任意散射角度，通过几何关系判断该散射角度的带电粒子束与不同闪烁光纤的相交情况，若相交，则赋值为1，否则赋值为0，获得不同散射角度的角度权重矩阵。
S4中，根据角度权重矩阵，获取与散射角度θ带电粒子束相交的闪烁光纤，根据成像，获取相交光纤中能够发光的最末端的光纤对应的截止能量Eθ_c，具体地，在响应矩阵中找到各能量的带电粒子源对这个确定位置光纤和其在同一个角度上的邻近光纤的响应情况，通过从小能量带电粒子的响应往大能量响应观察，若某能量的带电粒子源对该光纤有荧光响应，而对其邻近的光纤没有响应，那么该带电粒子源的能量即为散射角度θ带电粒子束的截止能量Eθ_c。
所述散射角度θ为带电粒子束与Z轴方向的夹角。
传统的带电粒子数据分析方法，一般仅能够实现能级的一维解谱，无法获得能量与角度之间的关系，在本发明中，通过辐照模拟和角度权重矩阵，建立角度与能量之间的关系，从而将二维能谱分解成数个一维能谱，进而实现二维能谱的检测。
根据本发明，S5中，所述损失函数表示为：
其中，表示通过假设的能谱分布与响应矩阵卷积的沿θ角度闪烁光纤发光数目与实际发光数目的均方误差函数，/>表示假设的能谱分布，，/>是θ角度时表示假设能谱待定系数的参数空间，指数分布时/>mθ表示直接受来自θ角度的带电粒子束照射而发光的闪烁光纤数目，Ri_θ(E)表示来自θ角度且能量为E的带电粒子对mθ根光纤中第i根光纤的荧光响应，Ni_θ则表示mθ根光纤中，第i根光纤的受带电粒子辐照激发而产生的闪烁荧光数目。
所述假设的能谱分布,通常为指数分布、麦克斯韦分布等分布方式，本领域技术人员可根据经验进行选择。
进一步地，通过计算机计算时，需要将上式中积分形式离散化处理，：
其中，ΔE表示能谱步长，k表示连续能谱以0.1MeV的间隔被划分成k个区间，
其中，待定的参数空间在初始时给随机赋予一个初值，通过迭代逐渐收敛，是S2中模拟得到的，/>是探测到的。
其中，k取决于Eθ_c，表示为:k＝Eθ_c×0.1+0.9，
根据本发明，非线性回归方法的具体过程不做限定，可以采用最小二乘法、牛顿迭代法等任意一种方法。
优选地，S5中，在非线性回归中，优先采用玻尔兹曼分布迭代获得函数零点，当玻尔兹曼分布迭代无法收敛时，再采用指数分布迭代获得函数零点，当指数分布迭代无法收敛时，再采用双指数分布迭代获得函数零点，当双指数分布迭代无法收敛时，采用邻近插值获取函数零点，进而获得带电粒子束能量。
在一个优选的实施方式中，S6中，以0.1°角度为步长，从0°开始获得所有散射角度对应的能量。
实施例
实施例1
对90MeV标准质子束流进行质子数据分析，采用带电粒子束流照射辐射敏感组件，采用CCD相机获取X方向和Y方向的成像，并在计算机中显示；
根据X方向成像和Y方向成像，分别进行解谱，获得X方向二维质子束流能谱和Y方向二维质子束流能谱，将X方向和Y方向的二维质子束流能谱组合，获得三维质子能谱。
所述辐射敏感组件包括多层闪烁光纤阵列，每层闪烁光纤阵列包括多个闪烁光纤，相邻层闪烁光纤阵列彼此正交排布，使得闪烁光纤分别被设置为X方向和Y方向。
所述解谱包括以下步骤：
S1、建立响应矩阵，所述响应矩阵用于描述不同能量质子束流对不同位置闪烁光纤的影响程度；
S2、进行辐照模拟，获得质子束流成像中不同深度下的闪烁光纤发光情况；
S3、获取角度权重矩阵，所述角度权重矩阵用于描述不同角度的射线能够覆盖的闪烁光纤位置；
S4、根据成像，获取散射角度θ质子束激发的最末端闪烁光纤对应的截止能量；
S5、以响应矩阵中每层闪烁光纤发光数量与实际成像中每层闪烁光纤发光数量的均方误差为损失函数，采用非线性回归方法，获得实际成像中质子束流散射角度θ的能量；
S6、重复S3～S5，获得所有散射角度对应的能量，从而获得整个质子束流的能量。
S5中，所述损失函数表示为：
S5中，所述损失函数表示为：
S6中，以0.1°角度为步长，从0°开始获得所有散射角度对应的能量。
二维解谱获得的结果如图7所示。
将最终解谱获得能谱与标准能谱比较，相对误差小于0.3％。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“上”、“下”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于本发明工作状态下的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”、“第四”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”“相连”“连接”应作广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体的连接普通；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接连接，也可以通过中间媒介间接连接，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
以上结合了优选的实施方式对本发明进行了说明，不过这些实施方式仅是范例性的，仅起到说明性的作用。在此基础上，可以对本发明进行多种替换和改进，这些均落入本发明的保护范围内。
Claims (10)
1.一种带电粒子谱仪，其特征在于，包括辐射敏感组件(1)和探测组件，
所述辐射敏感组件包括多层闪烁光纤阵列(11)，每层闪烁光纤阵列(11)包括多个闪烁光纤(101)，
相邻层闪烁光纤阵列(11)彼此正交排布，使得闪烁光纤(101)分别被设置为X方向和Y方向；
所述探测组件用于将闪烁光纤(101)被激发后的可见光转化成电信号或图像信号。
2.根据权利要求1所述的带电粒子谱仪，其特征在于，
每层闪烁光纤阵列(11)中，多个闪烁光纤(101)排布成一排，相邻闪烁光纤(11)彼此平行，且相邻闪烁光纤(101)之间的距离相同。
3.根据权利要求1所述的带电粒子谱仪，其特征在于，
所述探测组件具有两个，分别检测X方向闪烁光纤和Y方向闪烁光纤。
4.根据权利要求1所述的带电粒子谱仪，其特征在于，
还包括固定架(3)，具有腔体(31)，用于放置辐射敏感组件，
在腔体(31)的Z方向上设置有带电粒子束流入射窗口，
在腔体(31)的X方向和Y方向分别设置有光子通道，供光纤通过，以连接探测组件。
5.根据权利要求1所述的带电粒子谱仪，其特征在于，
在固定架(3)上设置有探测固定架，用于固定探测组件，所述探测固定架与腔体(31)之间的距离可调，用于调整成像单元的视野范围。
6.一种带电粒子数据分析方法，其特征在于，
采用带电粒子束流照射辐射敏感组件，获取X方向和Y方向的成像；
根据X方向成像和Y方向成像，分别进行解谱，获得X方向二维带电粒子束流能谱和Y方向二维带电粒子束流能谱，将X方向和Y方向的二维带电粒子束流能谱组合，获得三维带电粒子能谱。
7.根据权利要求6所述的带电粒子数据分析方法，其特征在于，
所述解谱包括以下步骤：
S1、建立响应矩阵，所述响应矩阵用于描述不同能量带电粒子束流对不同位置闪烁光纤的影响程度；
S2、进行辐照模拟，获得带电粒子束流成像中不同深度下的闪烁光纤发光情况；
S3、获取角度权重矩阵，所述角度权重矩阵用于描述不同角度的射线能够覆盖的闪烁光纤位置；
S4、根据成像，获取散射角度θ带电粒子束激发的最末端闪烁光纤对应的截止能量；
S5、以响应矩阵中每层闪烁光纤发光数量与实际成像中每层闪烁光纤发光数量的均方误差为损失函数，采用非线性回归方法，获得实际成像中带电粒子束流散射角度θ的能量；
S6、重复S3～S5，获得所有散射角度对应的能量，从而获得整个带电粒子束流的能量。
8.根据权利要求7所述的带电粒子数据分析方法，其特征在于，
S1中，所述响应矩阵采用带电粒子源透过窄缝照射辐射敏感组件获得。
9.根据权利要求7所述的带电粒子数据分析方法，其特征在于，
S4中，根据角度权重矩阵，获取与散射角度θ带电粒子束相交的闪烁光纤，根据成像，获取相交光纤中能够发光的最末端的光纤对应的截止能量。
10.根据权利要求7所述的带电粒子数据分析方法，其特征在于，
S5中，在非线性回归中，优先采用玻尔兹曼分布迭代获得函数零点，当玻尔兹曼分布迭代无法收敛时，再采用指数分布迭代，当指数分布迭代无法收敛时，再采用双指数分布迭代，当双指数分布迭代无法收敛时，采用邻近插值获取函数零点，进而获得带电粒子束能量。
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| CN202311700796.7A CN117687074A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种带电粒子谱仪及数据分析方法 |
Publications (1)
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| CN117687074A true CN117687074A (zh) | 2024-03-12 |
Family
ID=90136600
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| CN202311700796.7A Pending CN117687074A (zh) | 2023-12-12 | 2023-12-12 | 一种带电粒子谱仪及数据分析方法 |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| CN (1) | CN117687074A (zh) |
-
2023
- 2023-12-12 CN CN202311700796.7A patent/CN117687074A/zh active Pending
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