基于前沖康普頓電子高能伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

賈清剛 張?zhí)炜?許海波

1)(中國(guó)工程物理研究院北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京 100094)2)(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)(2016年7月3日收到;2016年8月22日收到修改稿)

基于前沖康普頓電子高能伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)設(shè)計(jì)?

賈清剛1)?張?zhí)炜?)許海波1)

1)(中國(guó)工程物理研究院北京應(yīng)用物理與計(jì)算數(shù)學(xué)研究所,北京 100094)2)(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)(2016年7月3日收到;2016年8月22日收到修改稿)

除中子外,聚變核心同時(shí)釋放大量高能伽馬,其能譜可反映聚變過程的關(guān)鍵物理參數(shù),并為過程診斷提供重要信息.由于聚變伽馬的時(shí)間與能量特性,需要設(shè)計(jì)高探測(cè)效率及能量分辨率的伽馬譜儀.根據(jù)高能伽馬譜儀的概念設(shè)計(jì)(gamma-to-electron magnetic spectrometer),針對(duì)該系統(tǒng)中伽馬-電子轉(zhuǎn)換靶、電子偏轉(zhuǎn)匯聚、電子探測(cè)等關(guān)鍵環(huán)節(jié)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)以提高系統(tǒng)探測(cè)效率及能量分辨率.其中采用Monte-Carlo程序Geant4模擬研究了伽馬-電子轉(zhuǎn)換靶中康普頓散射與多次庫侖散射對(duì)由轉(zhuǎn)換靶出射電子的能譜與角分布的影響.開發(fā)并行遺傳算法對(duì)復(fù)雜幾何偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化,得到低強(qiáng)度(小于100 Gauss)復(fù)雜邊界偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng).根據(jù)系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)結(jié)果,采用Geant4模擬了該系統(tǒng)對(duì)不同能量伽馬的響應(yīng).此外,還可模擬該系統(tǒng)對(duì)特征聚變伽馬能譜的測(cè)量,結(jié)果顯示,該系統(tǒng)可在聚變中子產(chǎn)額分別為2.5×1015及1.2×1016條件下,對(duì)10—20 MeV高能伽馬能譜測(cè)量實(shí)現(xiàn)能量分辨分別滿足0.5 MeV(小于5%)及0.25 MeV(小于2.5%),說明該系統(tǒng)可用于聚變過程伽馬能譜的診斷.

能譜測(cè)量,聚變伽馬射線,磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng),Geant4

1引 言

測(cè)量聚變產(chǎn)生的高能伽馬能譜對(duì)聚變過程的診斷具有重要意義.高能伽馬能譜測(cè)量主要針對(duì)能量介于10—20 MeV的伽馬射線,如圖1所示,包括由D-T聚變反應(yīng)直接產(chǎn)生的16.7 MeV,以及2H(n,γ)3H等反應(yīng)所產(chǎn)生的伽馬射線.能譜測(cè)量的能量分辨率需要優(yōu)于5%才能有效區(qū)分這些伽馬射線.已有的高能X射線能譜測(cè)量多采用基于衰減透射的堆棧濾片方法[1,2],然而該方法對(duì)高能伽馬測(cè)量時(shí)的能量分辨無法滿足需求.Kim等[3,4]提出通過前沖康普頓電子結(jié)合偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)以測(cè)量高能伽馬譜的方法GEMS(gamma-to-electron magnetic spectrometer),并通過理論計(jì)算估計(jì)該系統(tǒng)可用于聚變過程的伽馬診斷.GEMS概念中所涉及的關(guān)鍵物理過程需進(jìn)行深入研究.在轉(zhuǎn)換靶中,伽馬射線與靶材料產(chǎn)生電子,轉(zhuǎn)換效率角度需要厚轉(zhuǎn)換靶.然而,若采用厚靶,所需的高能前沖電子在靶材料中能損將上升,其前沖特性也會(huì)因多次庫侖散射而喪失,這給后續(xù)準(zhǔn)直篩選高能電子帶來不利影響.此外,不同位置相同能量的前沖電子在磁場(chǎng)中偏轉(zhuǎn)及匯聚也給偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)的設(shè)計(jì)帶來挑戰(zhàn).本文首先采用Monte Carlo程序Geant4對(duì)伽馬經(jīng)轉(zhuǎn)換靶產(chǎn)生電子的前沖性(角度分布)、電子能譜及束流強(qiáng)度特性進(jìn)行模擬研究.采用并行遺傳算法結(jié)合龍格-庫塔方法優(yōu)化設(shè)計(jì)出偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)系統(tǒng),及相應(yīng)探測(cè)布局.使用Geant4對(duì)優(yōu)化后的系統(tǒng)進(jìn)行建模,模擬結(jié)果顯示系統(tǒng)優(yōu)化得到的系統(tǒng)可滿足聚變高能伽馬譜測(cè)量需求.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)聚變伽馬能譜[3]Fig.1.(color online)Energy spectrum of laser driven fusion[3].

2轉(zhuǎn)換靶設(shè)計(jì)

2.1 康普頓散射

轉(zhuǎn)換靶設(shè)計(jì)主要目的是提升伽馬-目標(biāo)電子的轉(zhuǎn)換效率,該轉(zhuǎn)換效率受以下因素影響:1)康普頓電子角分布;2)電子在靶中多次庫侖散射對(duì)電子角度-能量相關(guān)性的影響.由于康普頓散射中電子結(jié)合能遠(yuǎn)小于伽馬射線能量,散射過程可近似為彈性散射,康普頓電子動(dòng)能Ee與其散射角ω的關(guān)系聯(lián)立(1)式與(2)可得.

其中Eγ為入射伽馬能量,m0c2為電子靜止能量,θ為伽馬散射角.當(dāng)入射伽馬與電子對(duì)心碰撞,并發(fā)生反散射時(shí),康普頓電子獲得最大能量并沿伽馬入射方向輸運(yùn),此時(shí)電子散射角為0.圖2所示為計(jì)算得到能量介于10—20 MeV的伽馬致康普頓電子的能量與散射角關(guān)系,其中能量坐標(biāo)定義為電子能量與最大電子能量的相對(duì)偏差.

圖2 (網(wǎng)刊彩色)康普頓電子能量與散射角Fig.2.(color online)The energy of Compton electron vs scattering angular.

由圖2可知,康普頓電子前沖性與電子能量呈正相關(guān),對(duì)于10—20 MeV能量電子,當(dāng)散射角小于3°(約0.05mrad)時(shí),考慮微分截面后電子能量彌散約3%.雖然康普頓電子角度-能量關(guān)系及相應(yīng)截面可采用彈性散射與Klein-Nishina公式描述,但康普頓電子在轉(zhuǎn)換靶中進(jìn)一步輸運(yùn)時(shí),電子電離能損及多次庫侖散射導(dǎo)致的角度與能量彌散均會(huì)破壞靶出射電子的能量與角度相關(guān)性.

2.2 電離能損及多次庫侖散射模型

目前,多次庫侖散射普遍采用Moliere模型進(jìn)行描述,并可通過相關(guān)計(jì)算獲得散射角分布均方根及位移均方根.使用Geant4程序,并采用G4ELivermore-Physics電磁物理模型[5]及截面模擬電子電離能損及電子多次庫侖散射.通過模擬電子垂直入射1mm厚鈹靶,得到靶后端面出射的電子能量及角度分布如圖3和圖4所示.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)電子能損率分布與能量關(guān)系圖Fig.3.(color online)The functions of election energy on the energy loss in converter.

圖4 (網(wǎng)刊彩色)多次庫侖散射角分布與能量關(guān)系Fig.4.(color online)The functions of election energy on the angular distribution induced by multiple Coulomb scatterings.

由圖3可知,雖然電子經(jīng)過1mm厚薄鈹靶后,能量損失約1%—2.5%,但電子能量彌散(按半高寬計(jì))均小于0.5%,即電子在薄靶中的電離能損對(duì)最終探測(cè)器能量分辨帶來的影響較小.圖4中可見,電子能量越高,多次庫侖散射帶來的角度彌散越小.多次庫侖散射對(duì)電子的角度(前沖性)與能譜分布的影響較為復(fù)雜,應(yīng)結(jié)合準(zhǔn)直一并考慮.主要體現(xiàn)為:高能前沖電子經(jīng)多次庫侖散射可能被準(zhǔn)直器阻擋,而較大散射角的低能電子經(jīng)多次庫侖散射后也有可能通過準(zhǔn)直系統(tǒng).

2.3 伽馬-電子轉(zhuǎn)換及準(zhǔn)直模擬

圖5 (網(wǎng)刊彩色)伽馬能量、靶厚度與準(zhǔn)直對(duì)出射電子能譜的影響(模擬入射伽馬數(shù)為108) (a)10 MeV伽馬與0.5mm鈹靶;(b)10 MeV伽馬與2mm鈹靶;(c)15 MeV伽馬與0.5mm鈹靶;(d)15 MeV伽馬與2mm鈹靶;(e)20 MeV伽馬與2mm鈹靶;(f)20 MeV伽馬與2mm鈹靶Fig.5.(color online)The energy distributions of electron with the variance of incident gamma(108used in simulation)energy,the thickness of Be converter and the collimation angular:(a)10 MeV gamma on 0.5mm Be;(b)10 MeV gamma on 2mm Be;(c)15 MeV gamma on 0.5mm Be;(d)15 MeV gamma on 2mm Be;(e)20 MeV gamma on 0.5mm Be;(f)20 MeV gamma on 2mm Be.

伽馬-電子轉(zhuǎn)換過程涉及的物理過程較為復(fù)雜,影響最終電子能量-角度分布的宏觀參數(shù)有靶厚度與伽馬能量.使用Geant4程序?qū)δ芰繛?0—20 MeV伽馬入射0.5及2mm鈹靶并產(chǎn)生電子的過程進(jìn)行模擬,得到不同準(zhǔn)直角下電子的能譜分布,如圖5所示.對(duì)比相同能量不同靶厚情況,靶越厚,轉(zhuǎn)換電子的強(qiáng)度越高,但2mm厚靶得到的電子能量展寬也較大,能量分辨(按半高寬計(jì)下同)約3%—5%.0.5mm薄靶的能量分辨基本優(yōu)于3%,但所產(chǎn)生的有效電子強(qiáng)度為2mm靶的25%.當(dāng)伽馬能量及靶厚度固定條件下,準(zhǔn)直角越小,理論上獲得的電子能譜展寬越小.從模擬結(jié)果來看,薄靶及厚靶所獲得的電子能譜展寬與準(zhǔn)直角的正相關(guān)性并不十分明顯,但獲得電子的強(qiáng)度是隨準(zhǔn)直角的增大而升高的.此外,隨著準(zhǔn)直角變小,電子能譜在低能區(qū)域延伸的“拖尾”會(huì)明顯降低,這將有利于解譜工作.靶厚度及準(zhǔn)直角均可影響轉(zhuǎn)換效率(獲得電子計(jì)數(shù))及能量分辨,而這兩個(gè)指標(biāo)也是相互矛盾的,應(yīng)根據(jù)實(shí)際的伽馬強(qiáng)度合理選擇能量分辨及靶厚度.例如,當(dāng)D-T中子產(chǎn)額為1015時(shí),對(duì)應(yīng)16.7 MeV伽馬產(chǎn)額約1010,根據(jù)文獻(xiàn)[4]中給出的相關(guān)參數(shù)可知,轉(zhuǎn)換靶距聚變?cè)醋罱嚯x為2m,磁場(chǎng)厚度為10cm,初步設(shè)計(jì)出的磁場(chǎng)可接收(可進(jìn)一步優(yōu)化提高)電子束流的橫向?qū)挾葹?0cm,即不考慮準(zhǔn)直效應(yīng)及電子束發(fā)散角的情況下,靶有效面積為0.04m2,而使用2mm靶及30mrad準(zhǔn)直角時(shí),在16.7±0.25 MeV的能量區(qū)間內(nèi)將會(huì)有40個(gè)目標(biāo)電子可供探測(cè).若要滿足統(tǒng)計(jì)偏差降至10%,還需將中子產(chǎn)額提高2.5倍.若中子產(chǎn)額為1016,使用0.5mm厚靶及30mrad準(zhǔn)直角,在16.7±0.1 MeV區(qū)間內(nèi)預(yù)計(jì)可探測(cè)到70個(gè)目標(biāo)電子.

3電子軌跡及偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)設(shè)計(jì)

磁場(chǎng)設(shè)計(jì)時(shí)假設(shè)轉(zhuǎn)化靶出射電子為面源平行束,設(shè)計(jì)出的磁場(chǎng)應(yīng)將相同能量不同位置入射的電子偏轉(zhuǎn)匯聚到特定探測(cè)區(qū)域.

圖6 電子在偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)中的軌跡Fig.6.The electron trace in magnet.

如圖6所示,設(shè)電子能量為Ee(MeV),磁通量密度為B,則電子在該磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)曲率半徑R可由(3)式計(jì)算:

當(dāng)偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng)幾何與強(qiáng)度參數(shù)確定后,其入射邊緣角 α,出射邊緣角 β,偏轉(zhuǎn)角δ,參考軌道半徑R均可通過計(jì)算獲得.則電子在該帶有邊緣角的滿足“硬邊界”近似磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)中的傳輸矩陣為這里需要說明的是,磁場(chǎng)分布滿足“硬邊界”近似,即磁場(chǎng)強(qiáng)度均一且邊緣強(qiáng)度呈階躍式變化.若磁場(chǎng)尺寸較小且磁間距較大時(shí),還需要考慮邊緣效應(yīng)的影響,可根據(jù)實(shí)際情況采用等效方法或修正對(duì)(4)式進(jìn)行改進(jìn),詳細(xì)參見文獻(xiàn)[6].

若采用電子平行入射假設(shè),可將入射電子參數(shù)化簡(jiǎn)為單一值L0(代表該入射電子與參考位置的縱向水平距離),對(duì)于相同能量的電子,當(dāng)參數(shù)L0變?yōu)長(zhǎng)1乃至Ln時(shí),形成n條電子軌跡,若這些軌跡最終匯聚或相互交點(diǎn)位置聚集在較小范圍內(nèi)(探測(cè)區(qū)域),磁場(chǎng)對(duì)不同位置相同能量電子的匯聚可滿足要求.此外,對(duì)于不同能量的電子,其匯聚點(diǎn)或聚集范圍不應(yīng)重疊且間距較大,這樣才能保證較高的能量分辨率.

由于磁偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)參數(shù)較多,參數(shù)間相互耦合,這里采用主仆式并行遺傳算法[7]對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì).圖7為該算法的流程圖,算法一次可計(jì)算n個(gè)個(gè)體的適應(yīng)度函數(shù),每個(gè)個(gè)體適應(yīng)度函數(shù)包含F(xiàn)1與F2,分別用于計(jì)算相同能量電子匯聚位置范圍及不同能量電子匯聚范圍的距離,二者共同決定系統(tǒng)的能量分辨率.

圖7 并行遺傳算法流程圖Fig.7.Flow of slave-master parallel genetic algorithm.

僅追求高能量分辨率時(shí),經(jīng)遺傳算法設(shè)計(jì)出的磁場(chǎng)及電子軌跡如圖8所示,其中磁場(chǎng)強(qiáng)度為50 Gauss,圖中相同顏色軌跡的電子能量分別為注釋能量及注釋能量值的95%.

圖8 (網(wǎng)刊彩色)磁場(chǎng)對(duì)能量偏差為5%電子匯聚Fig.8.(color online)Traces of electrons with various energy in magnet(energy resolution 5%).

圖8中優(yōu)化后磁場(chǎng)對(duì)10—20 MeV平行束電子的理論能量分辨優(yōu)于1%,然而該磁場(chǎng)尺寸較大約為4m×8m,系統(tǒng)總重量可能超過實(shí)際可行范圍.因此,將磁場(chǎng)尺寸作為約束條件納入遺傳算法優(yōu)化算法中,優(yōu)化得到強(qiáng)度約300 Gauss的緊湊型磁場(chǎng),其尺寸約2m×4m,如圖9所示.對(duì)比圖8與圖9中的電子軌跡可知,緊湊型磁場(chǎng)對(duì)低能4.4 MeV電子的能量分辨率只有約5%,不及圖8所示磁場(chǎng)的能量分辨率,但該系統(tǒng)仍可滿足實(shí)驗(yàn)對(duì)能量分辨率的要求.

圖9 (網(wǎng)刊彩色)緊湊磁場(chǎng)對(duì)能量偏差為5%電子匯聚Fig.9.(color online)Traces of electrons with various energy(resolution 5%)in compact magnet.

數(shù)值計(jì)算表明,不同能量電子的匯聚點(diǎn)并非如文獻(xiàn)[4]中所述在同一平面上.探測(cè)器位置擺放不當(dāng)將會(huì)對(duì)能量分辨率帶來不利影響.經(jīng)數(shù)值方法計(jì)算得到的探測(cè)區(qū)域的位置分布滿足二次曲線(最小二乘擬合),最終系統(tǒng)的Geant4可視化模擬如圖10所示.其中需要說明的是,Geant4使用龍格-庫塔方法直接獲得電子進(jìn)出磁場(chǎng)時(shí)的位置及角度信息,電子在磁場(chǎng)中可視化軌跡為直線,并不影響模擬結(jié)果的正確性.

圖10 (網(wǎng)刊彩色)伽馬能譜測(cè)量系統(tǒng)Geant4可視化Fig.10.(color online)Visualision of gamma spectrum measurement given by Geant4.

4探測(cè)系統(tǒng)的響應(yīng)

使用Geant4模擬探測(cè)器組對(duì)不同能量伽馬的響應(yīng)進(jìn)行模擬(轉(zhuǎn)換靶距聚變點(diǎn)源2m),認(rèn)為探測(cè)器對(duì)電子的探測(cè)效率為100%,結(jié)果如圖11所示.對(duì)于相同能量伽馬而言,具有2mm靶系統(tǒng)的靈敏度為0.2mm靶系統(tǒng)的2至5倍,并且探測(cè)器響應(yīng)基本不隨伽馬能量升高而降低,可見由于多次庫侖散射及準(zhǔn)直等因素,最終探測(cè)到的前沖電子數(shù)目并非與靶厚度及康普頓電子產(chǎn)額呈正比.薄靶系統(tǒng)對(duì)伽馬的靈敏度隨伽馬射線能量升高而降低,正體現(xiàn)了伽馬與材料反應(yīng)截面變化特點(diǎn),說明薄靶產(chǎn)生的康普頓電子的前沖性與能量有較大的相關(guān)性.從能量分辨角出發(fā),0.2mm薄靶系統(tǒng)的能量分辨按半高寬計(jì)約為0.25 MeV,為2mm厚靶約0.7 MeV的35%.此外,厚靶系統(tǒng)對(duì)伽馬的響應(yīng)函數(shù)除了主峰外,拖尾現(xiàn)象也較為嚴(yán)重,因此高能段信息會(huì)對(duì)低能段信息產(chǎn)生一定影響.拖尾現(xiàn)象可解釋為:高能伽馬產(chǎn)生的部分次級(jí)低能電子經(jīng)準(zhǔn)直后進(jìn)入磁場(chǎng)(小概率),由于其旋轉(zhuǎn)半徑較小,會(huì)對(duì)針對(duì)能量較低電子的探測(cè)器(探測(cè)器位置靠左,見圖10)帶來干擾.

圖11 (網(wǎng)刊彩色)鈹靶厚為0.2mm(a)及2mm(b)時(shí)系統(tǒng)對(duì)不同能量伽馬的響應(yīng)Fig.11.(color online)Responses of gammas with di ff erent energy when 0.2mm(a)and 2mm(b)thick Be converter is used.

根據(jù)圖1所示伽馬能譜,設(shè)目標(biāo)10—19 MeV能段的伽馬能譜如圖12所示,使用Geant4模擬0.2mm靶系統(tǒng)及2mm靶系統(tǒng)對(duì)該能譜伽馬的探測(cè),得到的系統(tǒng)響應(yīng)如圖13所示.相比2mm靶系統(tǒng),由0.2mm靶系統(tǒng)的響應(yīng)函數(shù)可較好地甄別原始譜所含4個(gè)特征伽馬峰,但0.2mm靶系統(tǒng)需要的中子產(chǎn)額較高.若要通過響應(yīng)函數(shù)獲得更精確的聚變伽馬能譜分布,還需采用合適算法進(jìn)一步解譜,相關(guān)線性及非線性擬卷積解譜算法較多,將于其他文章中進(jìn)行深入討論.

圖12 模擬使用的聚變伽馬譜Fig.12.Assumed gamma spectrum in the simulation.

圖13 鈹靶厚為0.2mm(a)及2mm(b)時(shí)系統(tǒng)對(duì)聚變伽馬的響應(yīng)(采用聚變中子產(chǎn)額歸一包含空間探測(cè)效率)Fig.13.Detector response when 0.2mm(a)and 2mm(b)thick Be converter is used(normalized to one fusion neutron).

5討論與結(jié)論

通過對(duì)伽馬-康普頓電子轉(zhuǎn)換物理環(huán)節(jié)的理論及模擬研究,分析了康普頓散射與多次庫侖散射對(duì)電子前沖角分布與能量分布相關(guān)性的影響,采用Geant4數(shù)值模擬了伽馬能量、轉(zhuǎn)換鈹靶厚度與準(zhǔn)直角對(duì)所產(chǎn)生康普頓電子的影響.研究康普頓電子在磁場(chǎng)中的偏轉(zhuǎn)及匯聚,將數(shù)值模擬算法與遺傳算法相結(jié)合,優(yōu)化設(shè)計(jì)出具有較高能量分辨率的偏轉(zhuǎn)磁場(chǎng),模擬研究表明,根據(jù)聚變產(chǎn)額優(yōu)選靶,可使系統(tǒng)在產(chǎn)額為2.5×1015及1.2×1016條件下實(shí)現(xiàn)能量分辨分別為0.5 MeV(小于5%)及0.25 MeV(小于2.5%).由于系統(tǒng)對(duì)伽馬的響應(yīng)可能隨能量變化,伽馬能譜的精細(xì)反演,并非簡(jiǎn)單逆卷積問題,值得進(jìn)一步研究.

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PACS:07.77.Ka,29.40.–n,29.30.KvDOI:10.7498/aps.66.010703

*Project supported by the Postdoctoral Science Foundation of China(Grant No.2015M581028),the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11675021,11505166),and the Science and Technology Developing Foundation of China Academy of Engineering Physics(Grant No.2014A0402016).

?Corresponding author.E-mail:QGJIA_XJTU@126.com

Optimization design of a Gamma-to-electron spectrometer for high energy gammas induced by fusion?

Jia Qing-Gang1)?Zhang Tian-Kui2)Xu Hai-Bo1)

1)(Institute of Applied Physics and Computational Mathematics,Beijing 100094,China)2)(Science and Technology on Plasma Physics Laboratory,Laser Fusion Research Center,China Academy of Engineering Physics,Mianyang 621900,China)(Received 3 July 2016;revised manuscript received 22 August 2016)

Apart from neutrons,the fusion core produces gamma rays during fusion reaction.The spectrum of gamma ray can provide very important information for fusion diagnosis.However,due to the gamma energy and yield in one fusion pulse being both lower,the gamma spectrometer used should have high detection efficiency and energy resolution.The concept of a Gamma-to-electron magnetic spectrometer(GEMS)provides the idea to build up such a spectrometer to meet this requirement.Based on this concept design,four important parts of this facility are investigated.The fi rst part is the gamma-electron converter.The main physics processes include Compton scattering of gamma ray with converter material generating electron,the electron multiple Coulomb scattering(MCS)inside the converter and the electron attenuation.A ff ected by the thickness of convector,these processes give a complex in fl uence on the detection efficiency and angular-energy distribution of the electrons which are emitted from the downstream face of the convector.The Monte Carlo code Geant4is employed to investigate thee ff ects of Compton scattering,MCS and converter thick on the angular-energy distribution.The second one is the collimation.The collimation is used to select the forward direction,the performances of cuto ffangle of the collimator on the detection efficiency and resolutions,the correlation between electron transportation direction and energy,are also studied using Geant4code.The third part is the dipole magnetic field.There are several geometric and magnetic parameters,therefore,a multi-thread parallelized genetic algorithm is developed to obtain the best result.Both the irregular geometric shape and dipole magnetic fi eld strength are optimized to achieve the best energy resolution and detection efficiency.The obtained magnetic fi eld has an intensity of less than 100 Gauss,and its performance on gathering elections is also veri fi ed by Geant4code.The last one is the location of electron detectors.The study shows that all the electron detectors should be located not in a straight line but a quadratic curve.Then the optimized spectrometer is simulated by Geant4to obtain the responses of gamma rays with various energies.For the gammas provided by fusion reaction,the simulation shows that when the neutron yields are about 2.5×1015and 1.2×1016,the energy resolutions reach 0.5 MeV and 0.25 MeV,respectively,provided that di ff erent thick Be converters are employed.All in all,this optimized GEMS can be employed to measure the spectrum of gamma rays generated fom the fusion reaction.

spectrometer,fusion gamma ray,dipole,Geant4

10.7498/aps.66.010703

?中國(guó)博士后科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):2015M581028)、國(guó)家自然基金(批準(zhǔn)號(hào):11675021,11505166)和中國(guó)工程物理研究院科學(xué)技術(shù)發(fā)展基金(批準(zhǔn)號(hào):2014A0402016)資助的課題.

?通信作者.E-mail:QGJIA_XJTU@126.com