CN117858328A - 一种用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及航天领域和空间辐射效应模拟试验技术研究领域，特别涉及一种用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构。质子加速器包括：引出质子束的束流引出端(1)和辐照终端的二维移动靶台(2)；降能机构安装至二维移动靶台(2)；其中，降能机构沿X‑Y平面设置，包括：降能片阵列(3)和能够覆盖降能片阵列(3)的主降能片(4)；降能片阵列包括：若干厚度均不相同的子降能片(5)，用于调节降能机构的总厚度；二维移动靶台(2)，带动降能机构沿X方向和/或Y方向移动，使质子加速器的束流引出端(1)引出的Z方向的质子束依次穿透所需总厚度处的主降能片(4)和降能片阵列(3)进行降能后，射向待辐照样品(7)。
Description
技术领域
本发明涉及航天领域和空间辐射效应模拟试验技术研究领域，特别涉及一种用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构。
背景技术
在航天应用中，电子元器件会遭遇各种地面上不曾遇到的辐射效应威胁，引起其性能退化甚至失效，严重时可导致航天任务失败。故星载电子元器件在辐射环境下的稳定性是影响航天器寿命和可靠性的关键因素。其中，质子是导致低轨飞行器电子元器件产生位移损伤效应和单粒子效应的主要来源。为保证电子元器件在空间辐射环境下的可靠性，需通过地面模拟辐照试验的方式对电子元器件进行考核。通常使用的质子束能量范围为10MeV～100MeV，且往往需要选用多个能量点，因此质子束的能量调节是试验过程中的重要步骤。
目前回旋质子加速器能量调节的主要方式是通过调节磁场控制引出质子束的能量，该方法的不足之处在于：1、通过调制磁场对束流线的质子束能量进行控制，整条束流线的能量控制需要在束流线起点到终点分布几十个甚至上百个设备，过程繁琐，往往需要数小时的时间才能获得稳定的质子束，这对试验时间紧张的电子元器件辐照试验带来很大的难题；2、通过该方式得到的能量范围和精度有限，如100MeV的质子加速器能量最低只能调到50MeV，50MeV的质子加速器能量最低只能调节到30MeV，往往无法满足多个能量点的辐照试验要求。
发明内容
本发明的目的在于，克服现有技术的上述缺陷，从而提供一种用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，以满足电子器件辐照试验过程中对质子加速器引出的质子束能量进行快速调节的要求。
为解决上述技术问题，本发明的技术方案提供一种用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，质子加速器包括：引出质子束的束流引出端和辐照终端的二维移动靶台；降能机构安装至所述二维移动靶台；其中，
所述降能机构沿X-Y平面设置，包括：降能片阵列和能够覆盖降能片阵列的主降能片；
所述降能片阵列包括：若干厚度均不相同的子降能片，用于调节降能机构的总厚度；
所述二维移动靶台，带动降能机构沿X方向和/或Y方向移动，使质子加速器的束流引出端引出的Z方向的质子束依次穿透所需总厚度处的主降能片和降能片阵列进行降能后，射向待辐照样品。
优选地，所述主降能片和子降能片均由铝制成。
优选地，所述主降能片和子降能片均由碳制成。
优选地，所述主降能片的厚度为10mm～30mm。
优选地，所述主降能片的厚度为10mm、20mm或30mm。
优选地，所述若干厚度均不相同的子降能片中，子降能片的最小厚度为0.2mm，最大厚度为9.8mm。
优选地，所述降能片阵列中的若干子降能片按照厚度依次增大或依次减小的规则进行排列。
优选地，两个连续的所述子降能片的厚度差距为0.2mm。
优选地，所述降能片阵列通过阵列框架安装若干子降能片；所述阵列框架设置有矩阵形排列的若干通孔，若干子降能片分别嵌入所述通孔中。
优选地，若干所述子降能片从所述阵列框架的第二个通孔开始，依照厚度从小至大的顺序，分别嵌入通孔中。
优选地，所述主降能片和降能片阵列通过支柱可拆卸连接。
优选地，所述二维移动靶台包括：用于带动降能机构沿Y方向移动的第一杆和用于带动降能机构沿X方向移动的第二杆；其中，所述降能机构安装至第二杆的下侧。
相较于现有技术，本发明的优点在于，本发明提供的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构不需改变质子加速器的束流引出端的能量，利用质子加速器终端的二维移动靶台，可快速完成质子束能量调节。相较于传统的通过调节磁场控制引出质子束能量的质子束能量调节装置在应用时需要数小时的调制时间，本发明调节质子束能量的速度更快，约1分钟之内即可完成能量调节。而且，本发明提供的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构适用性强，便于拆卸，可安装在各种质子加速器终端的二维移动靶台上。
附图说明
图1为本发明实施例的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构的示意图；
图2为降能片阵列的示意图；
图3为100MeV的初始质子束经过不同总厚度处的降能机构进行降能后的能量变化图；
图4为100MeV的单能质子束经过不同总厚度处的降能机构进行降能后的能散图；
图5为60MeV的单能质子束经过不同总厚度处的降能机构进行降能后的能散图；
图6为60MeV质子束经过总厚度为14mm的降能机构进行降能后的次生中子和伽马射线图。
附图标识：
1、束流引出端； 2、二维移动靶台； 3、降能片阵列；
4、主降能片； 5、子降能片； 6、阵列框架；
7、待辐照样品。
具体实施方式
以下结合实施例进一步说明本发明所提供的技术方案。
如图1和图2所示，本实施例提供的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构由主降能片4和降能片阵列3组成，该降能机构可直接固定在质子加速器辐照终端的二维移动靶台2上，并通过二维移动靶台2来选择对准质子束的降能机构总厚度，实现对质子束能量的调节。本实施例中，主降能片4和降能片阵列3中的子降能片5材质为铝。质子束在穿过主降能片4和降能片阵列3时会发生能量衰减，衰减能量与主降能片4和降能片阵列3的材料密度和厚度相关。利用二者的对应关系，设置不同厚度的降能机构，即可对穿透质子束能量进行控制。二维移动靶台2，带动降能机构沿X方向和/或Y方向移动，使质子加速器的束流引出端1引出的Z方向的质子束依次穿透所需总厚度处的主降能片4和降能片阵列3进行降能后，射向待辐照样品7。待辐照样品7为航天用电子元器件。本实施例满足了地面试验过程中对质子束能量的快速和连续调节，为航天用电子元器件辐照保证难的问题提供一种解决方案。
本实施例的技术原理为：由质子加速器的束流引出端1引出的质子束，穿透主降能片4和子降能片5后，能量会发生改变，改变的能量与主降能片4和子降能片5的总厚度有关。主降能片4的厚度和子降能片5的厚度均可调节。具体地，主降能片4为可更换地10mm、20mm或30mm厚的铝板，用于把初始质子能量降到合适的能量区域，主降能片4的厚度在试验时根据实际需要进行选择。降能片阵列3可以包括49片厚度连续增加的铝制子降能片5，用于对质子能量进行精细调节。子降能片5的厚度范围为0.2mm～9.8mm，厚度增加的步长为0.2mm，即第一片子降能片5的厚度为0.2mm，最后一片子降能片5的厚度为9.8mm，两个连续的子降能片5的厚度差距为0.2mm。降能片阵列3通过阵列框架6安装若干子降能片5。在一种实施例中，阵列框架6可以设置7×7矩阵形排列的49个通孔，若干子降能片5从阵列框架6的第一个通孔开始，依照厚度从小至大的顺序，分别嵌入通孔中。在其他实施例中，阵列框架6也可以设置5×10矩阵形排列的50个通孔，子降能片5从阵列框架6的第二个通孔开始，依照厚度从小至大的顺序，分别嵌入通孔中。主降能片4和降能片阵列3搭配使用，可实现0～39.8mm，步长0.2mm连续可调的降能机构总厚度，从而使质子束能量连续可调，以满足多个能量点的辐照试验要求。
质子束能量变化、能散等参数与主降能片4和子降能片5的总厚度的对应关系，可利用蒙特卡罗仿真工具获得，附图3为利用GEANT4计算得到初始能量100MeV，经过不同总厚度处的降能机构进行降能后的能量情况。比如，初始能量100MeV的质子束，降到80MeV和60MeV所需的降能机构总厚度分别为12mm和23mm。当需要80MeV的质子束能量时，可以选择厚度为10mm的主降能片4，并将降能机构安装在束流终端的二维移动靶台2上。调节二维移动靶台2，使质子束流对准降能片阵列3中厚度为2mm的子降能片5上。此时，降能机构总厚度为12mm，将100MeV质子能量降为80MeV。当需要60MeV的质子束能量时，可以选择厚度为20mm的主降能片4，调节二维移动靶台2，使质子束流对准降能片阵列3中厚度为3mm的子降能片5上。此时，降能机构总厚度为23mm，可以将100MeV质子能量降为60MeV。
附图4和附图5分别给出了100MeV、60MeV单能质子，经过不同总厚度处的降能机构进行降能后的能谱情况，对于电子元器件位移损伤试验，该能散情况是可以接受的。
附图6给出了60MeV质子束，经过14mm降能机构总厚度进行降能后的次生中子和伽马射线情况，相对于质子束，产生的次级中子和伽马射线通量在1个数量级以下。
最后所应说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非限制。尽管参照实施例对本发明进行了详细说明，本领域的普通技术人员应当理解，对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，都不脱离本发明技术方案的精神和范围，其均应涵盖在本发明的权利要求范围当中。
Claims (10)
1.一种用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，质子加速器包括：引出质子束的束流引出端(1)和辐照终端的二维移动靶台(2)；其特征在于，降能机构安装至所述二维移动靶台(2)；其中，
所述降能机构沿X-Y平面设置，包括：降能片阵列(3)和能够覆盖降能片阵列(3)的主降能片(4)；
所述降能片阵列(3)包括：若干厚度均不相同的子降能片(5)，用于调节降能机构的总厚度；
所述二维移动靶台(2)，带动降能机构沿X方向和/或Y方向移动，使质子加速器的束流引出端(1)引出的Z方向的质子束依次穿透所需总厚度处的主降能片(4)和降能片阵列(3)进行降能后，射向待辐照样品(7)。
2.根据权利要求1所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述主降能片(4)和子降能片(5)均由铝制成。
3.根据权利要求1所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述主降能片(4)的厚度为10mm～30mm。
4.根据权利要求1所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述若干厚度均不相同的子降能片(5)中，子降能片(5)的最小厚度为0.2mm，最大厚度为9.8mm。
5.根据权利要求4所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述降能片阵列(3)中的若干子降能片(5)按照厚度依次增大或依次减小的规则进行排列。
6.根据权利要求5所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，两个连续的所述子降能片(5)的厚度差距为0.2mm。
7.根据权利要求1所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述降能片阵列(3)通过阵列框架(6)安装若干子降能片(5)；所述阵列框架(6)设置有矩阵形排列的若干通孔，若干子降能片(5)分别嵌入所述通孔中。
8.根据权利要求7所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，若干所述子降能片(5)从阵列框架(6)的第二个通孔开始，依照厚度从小至大的顺序，分别嵌入通孔中。
9.根据权利要求1所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述主降能片(4)和降能片阵列(3)通过支柱可拆卸连接。
10.根据权利要求1所述的用于质子加速器的质子束靶前快速降能机构，其特征在于，所述二维移动靶台(2)包括：用于带动降能机构沿Y方向移动的第一杆和用于带动降能机构沿X方向移动的第二杆；其中，所述降能机构安装至第二杆的下侧。
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