[发明专利]靶前高能质子束斑测量方法及系统

说明书

一种靶前高能质子束斑测量方法及系统，包括将能够用于小孔成像的小孔装置设置在伽玛射线探测器和靶站之间，结合小孔成像原理，能够将靶站反角方向上靶面次级伽玛射线的像传输至像素型伽玛射线探测器上，进而可以通过所探测得到的靶面次级伽玛射线的分布信息得到靶面入射质子的束斑分布信息，能够实时的获得入射质子束斑的分布图像。由于该靶前高能质子束斑测量方法及系统可以避开强辐射的靶区，使得本系统适用于高功率散裂中子源和加速器驱动次临界系统等大型装置的靶前高能质子的束斑测量，且打靶的入射质子束流的功率越高，测量效果越好。

技术领域

本发明涉及束流测量领域，具体涉及一种靶前高能质子束斑测量方法及系统。

背景技术

国内外的散裂中子源和加速器驱动次临界系统(accelerator-drivensubcritical system，ADS)均是高能高功率的质子束驱动散裂靶装置。这些大型装置的共同特点是利用高能高功率的质子束流轰击重元素靶，随着散裂反应的发生放出大量的中子。散裂中子源一般质子束流打靶功率从数百千瓦到几兆瓦，ADS设计功率一般超过十个兆瓦量级。从加速器端输出的打靶质子束流的束斑介于均匀和高斯分布之间，具有很大的不确定性。为了降低束斑中心位置的最大功率密度和匹配靶的形状，靶前质子束流传输系统通常还要采取一些束斑均匀化、扩尺寸、改变分布形状等操作，这进一步增加了靶前质子束斑形状和功率密度分布的不确定性。然而靶前质子束斑分布及稳定性对于高功率散裂靶的稳定运行至关重要。如何准确监测或测量靶前质子束斑的二维分布及功率密度，是国际上高功率散裂中子源和ADS系统装置上加速器和靶站系统共同面临的难题。

目前，靶前对质子束流剖面进行直接监测的方法主要采用固定结构的多丝靶法，通过质子束流与测量丝相互作用产生的二次电子信号确定质子位置。目前多丝靶通常放置在距靶前约2米处，其运行稳定性好，可以实时获得靶前质子束的分布情况。但多丝靶材料抗辐有限，且其有使用上限温度，会出现高温下电子发射现象，影响测量和限制质子束流的功率密度。另一方面，多丝靶方法只能实现一维测量，只能分别给出两个方向上的一维积分曲线，不能给出完整的二维分布。

近年来开始探索使用的另一方法是发光涂层的方法，即在靶面涂上一层与质子束相互作用后的发光材料，如含铬的氧化铝材料等。当质子束通过靶面涂层时，与发光材料作用，放出某一波段的荧光，使用镜面将这些光线反射到相机上，实现束斑二维分布的实时监测。目前CSNS和SNS都使用到了这种技术。但在高功率条件下，发光涂层随着工作时间增加，会出现严重的发光降低现象。当前发光涂层远远小于靶的寿命，高功率加速器功率提升需要几年，因此当前的寿命不能满足高功率质子加速器调试和打靶需求。

另一方面，也有使用活化法后期分析活化情况实现对束斑测量的方法，如日本散裂中子源上使用0.3mm后的铝膜放置在靶面上，束流打靶一定时间后，取下进行离线的活化分析，然后根据活化程度间接推出束斑分布及强度。但这种方法只能进行单次测量，不能实时跟踪，且靶一旦强活化后，放置和取出铝膜很困难。

从以上国际当前使用的方法来看都有局限性，且未来如果打靶质子束流功率进一步提高，靶前高功率质子束斑的测量是束测领域面临的一个世界级的难题。

发明内容

本发明提供一种靶前高能质子束斑测量方法及系统，可以实现实时得到质子束斑分布，避免高辐射区域对探测系统的影响，满足高功率质子束斑的测量，寿命长，为解决靶前高功率束流的束斑分布测量提供一种有效的解决方案。

根据第一方面，一种实施例中提供一种靶前高能质子束斑测量系统，包括：

伽玛射线探测器、能够用于小孔成像的小孔装置以及靶站，所述小孔装置用于将所述靶站反角方向上出射的靶面次级伽玛射线的像通过小孔成像的方式，传输至所述伽玛射线探测器上；

所述伽玛射线探测器为像素型伽马射线探测器，能够探测靶面次级伽玛射线的分布信息。

可选的，所述伽玛射线探测器为像素型碲锌镉半导体探测器。