質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)束流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)研制

王 迪， 王敏文， 楊 業(yè)， 王忠明， 閆逸花，王茂成， 劉臥龍， 趙銘彤， 呂 偉， 王百川， 陳 偉

(西北核技術(shù)研究所， 西安 710024； 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室， 西安 710024)

隨著航天事業(yè)的發(fā)展，近年來(lái)一些單位初步建立了可用于輻照效應(yīng)試驗(yàn)的模擬裝置，其中，質(zhì)子加速器為開(kāi)展質(zhì)子單粒子效應(yīng)研究提供了重要的試驗(yàn)平臺(tái)。輻照樣品前的質(zhì)子束流強(qiáng)度是加速器調(diào)試人員和試驗(yàn)用戶(hù)最關(guān)心的束流參數(shù)之一，它表示單位時(shí)間內(nèi)引出的質(zhì)子數(shù)，因此準(zhǔn)確測(cè)量束流強(qiáng)度具有重要意義。一般采用慢引出技術(shù)引出束流用于質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)，注量率范圍建議為105～108cm-2·s-1[1]。傳統(tǒng)的法拉第筒可用于束流強(qiáng)度測(cè)量，輸出電流與束流電流信號(hào)相等，測(cè)量范圍下限取決于噪聲和弱電流測(cè)量水平，但其為阻擋式的測(cè)量手段，不再適用于試驗(yàn)過(guò)程中束流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)[2]。閃爍體探測(cè)器通過(guò)計(jì)數(shù)直接測(cè)量束流強(qiáng)度，適用的束流強(qiáng)度小于106s-1；二次電子探測(cè)器通過(guò)收集束流在電極上產(chǎn)生的二次電子電荷得到信號(hào)，適用的束流強(qiáng)度超出了單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的范圍[2]。

本文研制的基于平板電離室的束流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，使用薄膜材料制作電極，作為穿透型探測(cè)器，對(duì)束流本身幾乎沒(méi)有影響，且測(cè)量質(zhì)子束流強(qiáng)度的范圍為106～1010s-1，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)束斑面積可基本滿(mǎn)足試驗(yàn)要求的注量率范圍。本文利用西安200 MeV質(zhì)子應(yīng)用裝置(Xi’an 200 MeV Proton Application Facility, XiPAF)輻照終端提供的質(zhì)子束流，對(duì)該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)進(jìn)行了測(cè)試和分析，測(cè)試結(jié)果表明，該系統(tǒng)在單粒子效應(yīng)試驗(yàn)束流強(qiáng)度測(cè)量方面具有良好的應(yīng)用前景，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度小于10%。

1 電離室探測(cè)器物理模型

1.1 原理與設(shè)計(jì)

采用平板電離室用于測(cè)量束流強(qiáng)度，質(zhì)子與電離室探測(cè)器氣體介質(zhì)發(fā)生電磁相互作用，使路徑上的工作氣體發(fā)生電離，產(chǎn)生電子-離子對(duì)，電子-離子對(duì)在電場(chǎng)的作用下移動(dòng)并在讀出電極上產(chǎn)生信號(hào)[3]。對(duì)于單粒子效應(yīng)試驗(yàn)所需的束流強(qiáng)度，電離室將工作于積分模式，當(dāng)入射質(zhì)子能量確定時(shí)，探測(cè)器輸出的電流Id正比于束流強(qiáng)度Iint。

(1)

其中，e為常數(shù)；G為電離室增益系數(shù)。電離室探測(cè)器采用鍍鋁有機(jī)薄膜材料制作的電極膜能使探測(cè)器有效面積足夠大且質(zhì)量厚度小，能作為透射型探測(cè)器實(shí)現(xiàn)在線(xiàn)測(cè)量。本文研制的電離室探測(cè)器樣機(jī)采用共陽(yáng)極結(jié)構(gòu)，工作原理如圖1所示。

圖1 電離室工作原理圖Fig.1 The basic components of the ionization chamber

探測(cè)器兩側(cè)高壓極為負(fù)高壓(-HV)，電子在電場(chǎng)作用下漂移到陽(yáng)極被收集；電極間隙d為4 mm；電極膜和窗膜均為6 μm厚度的鍍鋁mylar膜，有效面積為200 mm×200 mm；整個(gè)探測(cè)器的等效水厚度小于0.1 mm[4]。

1.2 電離室收集效率

電離室的輸出電流一般為nA～μA量級(jí)的弱電流信號(hào)，電極的收集效率直接影響了信號(hào)的大小。根據(jù)Boag理論[3]，當(dāng)電極間隙d、工作氣體和入射粒子確定時(shí)，通過(guò)增加工作電壓V，可使收集效率接近100%。電離室的收集效率為

(2)

(3)

其中，W為工作氣體平均電離能，以空氣為例，W=34.2 eV[5]，電離能量沉積率可由SRIM程序[6]得到。圖2為SRIM程序給出的質(zhì)子在空氣中的電離能量沉積率隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系。由圖2可見(jiàn)，當(dāng)質(zhì)子能量越低時(shí)，能量沉積率越大。根據(jù)式(2)可計(jì)算當(dāng)質(zhì)子能量為10 MeV時(shí)，不同注量率條件下，收集效率隨工作電壓的變化關(guān)系，如圖3所示。

圖2 質(zhì)子在空氣中的電離能量沉積率隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系Fig.2 Specific energy loss vs. proton energy

圖3 質(zhì)子能量為10 MeV時(shí)，不同注量率下，收集效率隨工作電壓的變化關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Collection efficiency vs. working voltage underdifferent fluence rates exposed to 10 MeV proton

由圖3可見(jiàn)，注量率越低導(dǎo)致電離密度q越低，由式(2)可得收集效率達(dá)到飽和所需的電壓越低；對(duì)于不同注量率的質(zhì)子束流，通過(guò)適當(dāng)增大工作電壓，可以使收集效率接近100%。

1.3 質(zhì)子束流在電離室中的增益

質(zhì)子在穿透探測(cè)器時(shí)，與工作氣體發(fā)生電磁相互作用，在路徑上連續(xù)產(chǎn)生電子-離子對(duì)，平均每個(gè)質(zhì)子在靈敏區(qū)厚度Δx內(nèi)產(chǎn)生的電子-離子對(duì)的數(shù)目即為電離室的增益系數(shù)

(4)

其中， ΔE為質(zhì)子在靈敏區(qū)內(nèi)的沉積能量；樣機(jī)中工作氣體為空氣， Δx=8 mm。樣機(jī)等效水厚度小于0.1 mm，遠(yuǎn)小于質(zhì)子射程，可近似認(rèn)為質(zhì)子在穿透探測(cè)器后能量不發(fā)生改變，沉積能量為電離能量沉積率與靈敏區(qū)厚度的乘積。通過(guò)SRIM程序計(jì)算得到厚度為8 mm的空氣電離室增益系數(shù)隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系,如圖4所示，與圖2規(guī)律一致。

圖4 厚度為8 mm的空氣電離增益隨質(zhì)子能量的變化關(guān)系Fig.4 Gain of 8 mm air ionization chamber vs. proton energy

2 實(shí)驗(yàn)測(cè)試與結(jié)果

由式(1)可知，因增益系數(shù)未知，電離室只能完成束流強(qiáng)度的相對(duì)測(cè)量。1節(jié)僅通過(guò)計(jì)算給出了理想情況下的增益系數(shù)，為準(zhǔn)確實(shí)現(xiàn)束流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)需要利用絕對(duì)測(cè)量結(jié)果對(duì)電離室進(jìn)行標(biāo)定。使用法拉第筒探測(cè)器可獲得在高束流強(qiáng)度下的增益系數(shù)，能對(duì)電離室進(jìn)行標(biāo)定。XiPAF在輻照終端的束流強(qiáng)度為107～1010s-1，束流寬度為1 s，可使用電離室完成監(jiān)測(cè)，并在109～1010s-1束流強(qiáng)度下開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)。實(shí)驗(yàn)現(xiàn)場(chǎng)布局如圖5所示。

圖5 電離室測(cè)試和標(biāo)定實(shí)驗(yàn)布局Fig.5 Calibration experiment and test of ionization chamber

實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)調(diào)節(jié)束斑大小和位置使束流經(jīng)過(guò)平板電離室后全部進(jìn)入法拉第筒，確保粒子數(shù)量幾乎沒(méi)有損失。電離室探測(cè)器產(chǎn)生的電流為nA～μA量級(jí)的弱直流電流信號(hào)，而法拉第筒輸出電流更小，需要配套小噪聲和高放大倍數(shù)的弱電流電子學(xué)模塊，實(shí)驗(yàn)中使用成熟的商業(yè)化電子學(xué)模塊[7-8]，電子學(xué)量程分別選為1 μA和10 nA。在XiPAF引出束流能量為59.6 MeV條件下進(jìn)行標(biāo)定實(shí)驗(yàn)，在束流穩(wěn)定時(shí)通過(guò)調(diào)整電離室工作電壓使收集效率達(dá)到飽和，觀(guān)察信號(hào)總和隨電壓的變化關(guān)系，如圖6所示。

圖6 電離室樣機(jī)輸出信號(hào)總和隨電壓變化的變化關(guān)系Fig.6 Total output signal of ionization chamberprototype vs. voltage

由圖6可見(jiàn)，當(dāng)工作電壓高于600 V時(shí)，收集效率接近100%，與圖3中理論計(jì)算結(jié)果趨勢(shì)一致。

在單個(gè)引出周期內(nèi)，2個(gè)探測(cè)器的測(cè)量信號(hào)如圖7所示。

圖7 法拉第筒和電離室的電流信號(hào)Fig.7 Current signal of Farady cup (FC) andionizaiton chamber (IC)

由圖7可見(jiàn)，2個(gè)探測(cè)器信號(hào)趨勢(shì)一致，同一個(gè)周期內(nèi)2個(gè)探測(cè)器信號(hào)總和的比值即為標(biāo)定后的電離室增益系數(shù)，取10個(gè)周期的增益系數(shù)平均值，結(jié)果顯示，該引出能量下，電離室增益系數(shù)標(biāo)定的結(jié)果為268.01±1.26，與圖4 SRIM程序計(jì)算結(jié)果267.37的相對(duì)偏差在1%內(nèi)，實(shí)驗(yàn)與理論符合較好。差異產(chǎn)生的原因主要為計(jì)算中使用的電極間隙尺寸、沉積能量和平均電離能等參數(shù)的選取均為理想情況，真實(shí)情況下，它們會(huì)受空氣的濕度、溫度和氣壓影響；理論計(jì)算沒(méi)有考慮質(zhì)子加速器引出的束流經(jīng)過(guò)引出窗和空氣等材料后能量降低的情況，也沒(méi)有考慮法拉第筒測(cè)量時(shí)可能受真空度及二次電子抑制效果的影響。這些影響因素在后續(xù)工作中有待進(jìn)一步實(shí)驗(yàn)分析。

3 測(cè)量不確定度分析

考慮各環(huán)節(jié)產(chǎn)生的偏差或不確定度，凡是對(duì)測(cè)量結(jié)果有影響的因素均應(yīng)加以考慮。為了簡(jiǎn)化處理，在分析主要不確定度來(lái)源的前提下，可不考慮次要的不確定度分量[9]。

首先，在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，電離室增益系數(shù)為2個(gè)探測(cè)器輸出電流信號(hào)總和的比值，同時(shí)受電子學(xué)測(cè)量精度和噪聲水平的影響。噪聲呈現(xiàn)隨機(jī)分布特征，其理論平均值為0，測(cè)試結(jié)果顯示“噪聲和信號(hào)總和”僅為圖7中一個(gè)周期內(nèi)“束流和信號(hào)總和”的1‰，為小量，對(duì)增益系數(shù)的影響較低，可不考慮。采用統(tǒng)計(jì)分析方法評(píng)定增益系數(shù)的不確定度，在標(biāo)定實(shí)驗(yàn)中，通過(guò)測(cè)量10個(gè)引出周期的信號(hào)比值得到10組增益系數(shù)，如表1所列。

表1 測(cè)量的10組增益系數(shù)Tab.1 Measured ten gain factors

對(duì)于樣本數(shù)n≥6，采用貝塞爾公式計(jì)算增益系數(shù)的實(shí)驗(yàn)標(biāo)準(zhǔn)偏差[9]。

(5)

增益系數(shù)的不確定度為

(6)

其次，式(1)中探測(cè)器輸出電流Id在測(cè)量時(shí)由電子學(xué)測(cè)量電流Ie表征，Ie亦受噪聲電流INOISE及測(cè)量偏差ΔIe影響，關(guān)系為

Ie=Id+INOISE+ΔIe

(7)

其中， ΔIe為測(cè)量值與真實(shí)值的偏差，由電子學(xué)用戶(hù)手冊(cè)得知，準(zhǔn)確性為全量程的0.5%，平均值為0，使用的量程IT為1 ，10 ，100 nA，1 ，10 μA。按儀器偏差均勻分布考慮，標(biāo)準(zhǔn)不確定度為

(8)

式(7)中未考慮探測(cè)器高壓極至信號(hào)極的漏電流。當(dāng)工作電壓確定時(shí)，漏電流基本穩(wěn)定，屬于系統(tǒng)偏差，需要在測(cè)量時(shí)減去漏電流的影響。INOISE為加速器在運(yùn)行時(shí)，現(xiàn)場(chǎng)振動(dòng)和電磁干擾等作用在測(cè)試系統(tǒng)上產(chǎn)生的噪聲，服從高斯分布，平均值為0。根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)電流測(cè)試結(jié)果，保守取3σ=10 pA，則INOISE的不確定度為

(9)

探測(cè)器輸出電流Id與收集效率f、沉積能量ΔE和空氣平均電離能W的關(guān)系為

(10)

其中，C為常數(shù)；N為單位時(shí)間入射的粒子數(shù)，是Id的源項(xiàng)，在計(jì)算Id不確定度時(shí)考慮N不變； ΔE為N個(gè)粒子的沉積能量平均值，統(tǒng)計(jì)漲落與N成反比，測(cè)量時(shí)N一般大于1×106s-1，故ΔE的不確定度可以忽略。收集效率f與工作電壓V有關(guān)，工作電壓抖動(dòng)一般小于1%，由圖3可見(jiàn)，坪區(qū)收集效率已接近100%，電壓抖動(dòng)帶來(lái)的收集效率抖動(dòng)小于1‰，故f的不確定度可以忽略。對(duì)于自由空氣的平均電離能W，保守取其相對(duì)不確定度為2%[5]，故Id的相對(duì)不確定度為2%。

根據(jù)標(biāo)準(zhǔn)不確定度傳遞公式及上述3個(gè)變量Id、INOISE和ΔIe之間互不相關(guān)的關(guān)系，得到測(cè)量電流Ie的不確定度為

根據(jù)式(1)得到束流強(qiáng)度測(cè)量的相對(duì)不確定度為

(12)

通過(guò)在nA級(jí)束流強(qiáng)度下對(duì)電離室開(kāi)展標(biāo)定實(shí)驗(yàn)研究，獲得了在59.6 MeV束流能量下該電離室的增益系數(shù)。根據(jù)圖3和圖4中的物理規(guī)律，在電離室收集效率飽和(幾乎為100%)時(shí)，電離室增益系數(shù)僅與質(zhì)子能量相關(guān)，與束流強(qiáng)度無(wú)關(guān)。根據(jù)上述數(shù)據(jù)和公式，在不同束流強(qiáng)度下對(duì)測(cè)量結(jié)果的不確定度進(jìn)行評(píng)估，計(jì)算結(jié)果列于表2。

表2 不同束流強(qiáng)度下不確定度評(píng)估Tab.2 Estimation of uncertainties at different intensities

由表2可知，束流強(qiáng)度為106s-1量級(jí)時(shí)，噪聲和電子學(xué)測(cè)量偏差對(duì)不確定度貢獻(xiàn)比較大，說(shuō)明環(huán)境噪聲及pA級(jí)弱電流測(cè)量能力決定了電離室探測(cè)器的工作范圍下限；當(dāng)束流強(qiáng)度大于107s-1時(shí)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度為2%左右，主要來(lái)自平均電離能的不確定度，增益系數(shù)的不確定度貢獻(xiàn)很小。

4 小結(jié)

本文研制了基于平板電離室探測(cè)器的束流強(qiáng)度監(jiān)測(cè)系統(tǒng)，測(cè)量能力滿(mǎn)足質(zhì)子單粒子效應(yīng)試驗(yàn)的要求，并在XiPAF上完成了標(biāo)定和測(cè)試。通過(guò)在高束流強(qiáng)度時(shí)用法拉第筒對(duì)電離室探測(cè)器進(jìn)行了標(biāo)定，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在束流能量為59.6 MeV時(shí)，標(biāo)定的增益系數(shù)與估算值基本相符。

系統(tǒng)評(píng)估了該監(jiān)測(cè)系統(tǒng)在不同束流強(qiáng)度下的測(cè)量不確定度，結(jié)果表明，束流強(qiáng)度在106～1010s-1范圍內(nèi)，測(cè)量結(jié)果的相對(duì)不確定度小于10%，電離室探測(cè)器的工作范圍下限由現(xiàn)場(chǎng)噪聲水平和弱電流測(cè)量能力決定。