[发明专利]利用光学方法测量带电粒子束能量的装置

说明书

技术领域

本发明涉及一种用光学方法测量带电粒子束能量的装置。

背景技术

能谱是表征辐射场特性的主要参数指标，是核物理研究、核技术应用时不可或缺的重要参数。入射粒子能量决定了核反应的过程和性质、截面、反应出射道等，因此核物理研究中需要知道粒子数目随能量的变化即粒子能谱。在离子治疗中为准确计算受照区域的剂量，也需要准确的知道入射离子的能量及其沉积分布的信息。例如在质子(重离子)治疗癌症案例中，质子的辐射剂量当量在10.0keV～1.0MeV能量区间变化非常陡，该区间内的质子剂量当量转换因子最大值是最小值的40多倍。又如在聚变能研究中，D-T聚变能谱分布指示了许多的聚变反应信息：14.1MeV初级中子能谱的多普勒展宽反应了聚变区燃料的温度，三次中子(大于20.0MeV)与向下散射中子(6.0MeV-10.0MeV)产额与初级中子产额的比值反映了D-T聚变区燃料面密度信息。

测量单个粒子或者单能粒子束能量是辐射场能谱测量的基础。在核物理与辐射探测领域，测量粒子能量常见的方法是将粒子部分或全部的能量沉积在探测器灵敏体积内，测量与所沉积能量对应的电信号或光信号来获得入射粒子能量信息，常见的谱仪可分为电离室类型、半导体探测器类型、光电探测器类型等。飞行时间方法和磁谱仪装置则主要是依据粒子速度的不同来区分不同能量的粒子，并根据速度与粒子能量关系获得粒子的能量信息。除以上两种方法外，径迹探测器也可应用于粒子探测与粒子能量测量。固体径迹探测器(如云母片、各种玻璃、高分子聚合物等)、核乳胶径迹探测器、汽泡室、流光室等都曾应用于辐射探测与粒子能量测量，特别是核乳胶仍然是当今高能物理、宇宙射线研究中仍大规模使用的粒子探测器。粒子径迹探测器探测粒子非常直观，其面积可以做得很大，且与一般的光电探测器相比其探测不存在死时间，可以在强辐射场中工作。历史上，核乳胶径迹探测器也曾用于粒子能量测量，只是需要预先对所使用的乳胶的能量-射程曲线作刻度标定。然而，固体径迹探测器和核乳胶需要繁琐的乳胶生产过程，苛刻的、高度依赖操作人经验的腐蚀条件和腐蚀过程，需要利用显微镜逐个视野范围的扫描、极为费时费力的判读程序及其工作的非实时的能谱获取方式，是核乳胶径迹探测器测量粒子能量的固有缺点，限制了其进一步的应用拓展。如果能将径迹探测器直观的、能应用于脉冲辐射场的特点与现代成像组件实时方便的图像信息采集和处理的优势结合起来，则能够发展一种新的粒子图像探测器，并用于粒子能量测量。

传统带电粒子能量和能谱(粒子数量随能量的分布)测量有射程法、能量灵敏探测器测量方法和磁分析等方法。通常采用探测器、前置放大器和主放大器构成的多道分析(计数)测量系统及磁分析计数测量系统进行测量。核乳胶等径迹探测器能提供单个粒子径迹信息，但胶片处理、径迹判读过程较为复杂，且无法提供粒子束的能量-空间-时间分布信息。

现有的测量方式存在以下缺陷：

1)现有的测量方式只能提供粒子束与探测器作用产生的输出电信号，不能提供粒子束空间分布的图像信息。对强度较弱的辐射场，采用单粒子计数多道测量模式，提供粒子数目随能量分布(能谱)信息，即不同能量粒子对应不同计数，但无法提供粒子束的时间-空间分布信息；

2)现有的测量方式对于强辐射场和脉冲辐射场，以“数个数”的计数测量模式不再适用，需要采用电流型测量模式，提供时间-强度输出信号供分析、使用；

3)现有的测量方式为电信号测量模式，不能同时获得空间-时间-能量信息和图像信号来分析粒子束的时空特性。

4)现有的测量方式采用核乳胶等径迹探测器，虽然能够提供单个粒子的径迹，但不适用于强流粒子束测量，也无法给出所记录粒子的时间分布信息。

对于脉冲束流或强流粒(离)子束，传统能量测量方式存在很大局限。由于单位时间内发射大量粒子，即使现代最快的多道测量分析系统也无法给出单个粒子的能量及其分布，探测系统记录通道将被大量粒子的堆积效应堵塞，形成电流型工作模式，无法提供准确的能量信息。

发明内容

为了解决现有的带电粒子束能量测量装置结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术问题，本发明提供一种能同时应用于稳态和脉冲辐射场、能量分辨好、量程范围宽且简单方便可调的利用光学方法测量带电粒子束能量的装置。

本发明的技术解决方案是：