FTO质子照相中扩束器的设计

　　高能X光照相是武器研究的重要工具之一,但是X光照相存在散射大、能谱效应明显等不利因素,不能得到高精度的实验结果。目前,高能质子照相成为了一个新的且可能代替X光照相的工具。高能质子照相的优势[1]有:一、材料对质子的衰减远小于对X光的衰减,因此在统计上达到相同精度所需的质子数远小于光子数,因而质子束流强也远小于电子束流强;二、光子由电子转换而来,能谱范围很宽,照相中能谱效应明显,而质子从加速器直接引出,能散度小,无能谱影响;三、短时间内强流的空间电荷力使得电子束的焦斑较大,目前最好的X光机焦斑半高全宽(FWHM)约1.6 mm[2],而空间电荷力对质子束的影响则弱得多,质子束可以近似成点源;四、质子照相的多次库仑散射(multiple Coulomb scattering, MCS)质子通过磁透镜和准直器系统后转换为可用以确定材料的组分和密度分布的有用质子,而X光照相中的散射X光则完全是对信号的干扰。

　　质子照相系统通常由加速器段、分束段、扩束器、匹配段、客体区和成像透镜系统组成。本文将研究大尺寸法国试验客体French Test Object(FTO)照相系统中的扩束器。

　　1　扩束器材料的选择

　　扩束器的作用是将质子束扩展并且尽量使探测器探测到的质子信号均匀[3]。研究的材料为石墨、铝、铜、钽和钨。扩束是通过质子与材料相互作用的多次库仑散射过程实现的。相同的面质量条件下最佳扩束效果和充分利用束流的选择材料的原则是:均方根多次库仑散射角大;质子的能量损失小;质子的透过率高。

　　1.1　多次库仑散射

　　高能质子通过材料时,因受到原子核的库仑力作用,质子方向发生了偏转。通过材料后,质子平面角θplane满足高斯分布[4]

　　图1给出了50 GeV质子在单位面质量(1.0 g/cm2)的石墨、铝、铜、钽和钨中的均方根多次库仑散射角,表明单位面质量下材料原子序数越高,多次库仑散射角越大。因此,根据扩束器的均方根多次库仑散射角最大原则,扩束器材料确定为高原子序数金属钨。

　　1.2　能量损失

　　通过材料时,一部分质子的能量损失给了电子和原子核。质子能量损失的Bethe-Bloch方程为

　　图2给出了50 GeV质子的在石墨、铝、铜、钽和钨中的能量损失率,表明单位面质量下材料原子序数越高,能量损失越小。鉴于此,根据设计对能量损失最小的要求,确定扩束器材料为钨。

　　1.3　透过率

　　通过材料时,质子与材料发生了非弹性碰撞和核反应而使得质子的通量减少。质子的透过率表示为

　　图3给出了50 GeV质子在单位面质量的石墨、铝、铜、钽和钨中的平均自由程数。设计要求穿透率最大,结合方程(5),则要求对应的平均自由程数最小。同时图3表明了单位面质量下材料原子序数越高,平均自由程数越小,因此扩束器材料确定为钨。