强流重离子加速器中由于质子束流损失引起的次级辐射场计算研究

庞成果，苏有武，徐俊奎，李武元，姚泽恩

（1.兰州大学 核科学与技术学院，甘肃 兰州 730000；2.中国科学院 近代物理研究所，甘肃 兰州 730000）

HIAF（high intensity heavy-ion accelerator facility），即强流重离子加速器装置，是“重离子驱动的高能量密度物理和物质基本结构综合研究装置”的一期工程。该装置建成后，对于极具代表性的质子束，最高能量可达12GeV，最高流强可达5.0×1012ppp［1］。与此同时，国家先导专项ADS项目也将利用能量为1GeV的高流强的质子束轰击散裂靶作为次临界堆的中子源［2-3］。而对于高功率质子加速器，其关键问题之一是减小质子加速过程中的束流损失，一方面是出于加速器本身的需要，另一方面则是辐射防护问题。所以对于束流损失，需加以实时监测，而要实现这一目的，则需对由于束流损失引起的次级辐射场加以研究。

FLUKA 程序是一个完整的模拟粒子输运的 大 型Monte Carlo 程 序［4］，于1962 年 在Rutherford高能实验室完成与发表，最初应用于欧洲核子中心300GeV 项目的高能强子研究中。FLUKA 在功能和应用领域上都有了极大的发展。截止到目前，FLUKA 在高能实验物理及工程学、屏蔽设计、探测器设计、宇宙射线研究、放射性测定、医学物理与放射生物学、辐射场研究等多方面都有很多应用。

本研究利用FLUKA 程序对质子能量范围在50 MeV～12GeV 间由于束流损失与真空管壁发生相互作用而引起的次级辐射场进行计算，得出次级粒子的产额、角分布及能谱等基本信息，并结合束流损失监测的要求，简要分析束流损失探测器的选择等相关问题。

1 计算模型

由于只考虑质子束与真空管壁的相互作用，在模拟计算中取真空管直径为100mm，管壁厚3mm，管壁材料分别考虑了不锈钢（成分列于表1）与铜两种。根据之前的相关研究，质子在撞击真空管壁时的入射角为1°～2.5°［5］，本文计算中取为2°。由于真空管壁内残余气体很少，该区域按真空处理。

2 计算结果

在50 MeV～12GeV 之间选取了14个能量点，分别为50MeV、80MeV、100MeV、200MeV、500 MeV、800 MeV、1GeV、1.5GeV、2GeV、5GeV、6.5GeV、8GeV、10GeV 和12GeV，模拟不同能量的质子束入射到真空管壁后产生的次级粒子场，计算包括在该物理设定条件下次级粒子的总产额、能谱及角分布等。

表1 不锈钢成分［6］Table 1 Stainless steel component［6］

2.1 总产额

图1示出不同能量的质子束入射到真空管壁上所产生的次级粒子的总产额，其统计误差均小于1%。可见，在入射角为2°、真空管壁厚为3mm 的物理设定下，随着质子束能量的增大，中子、光子及电子的总产额升高，且质子束能量达到200 MeV 时，质子本身穿过真空管壁的几率大幅增加，约为10%。

图1 不同能量的质子束入射到不锈钢（ST）及铜（Cu）管壁的次级粒子在管壁外的产额Fig.1 Second particle yield for different energy proton beams hitting on stainless steel and copper tube

此外，在质子束能量达到GeV 能区时，次级粒子的产额基本上均随质子束能量升高而线性增大。而对于中子与光子，当质子束能量低于2.5GeV 时，中子产额高于光子产额，当质子束能量高于2.5GeV 后，光子产额迅速升高且远超过中子产额。而对于电子及穿透管壁的质子，其产额则均比光子及中子产额低。

2.2 次级粒子场的角分布

为了研究次级粒子场的角分布，分别计算了距离质子束与真空管壁碰撞点10cm 处在0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°及90°共10个角度上的次级粒子的通量。上述角度为所考虑方向与理想质子束之间的夹角。结果均归一到单位立体角及每初始质子内，如图2所示。

由图2可见，随着质子束能量的增大，真空管壁外的次级粒子场的前冲特性尤为明显。当能量低于2GeV 时，0°方向的次级粒子通量均小于10°方向。而在10°～90°范围内，次级粒子通量随角度的增大近似于指数衰减。而当质子束能量达到5 GeV 及以上时，由于前冲现象的加剧，0°方向的次级粒子通量高于10°方向，其随角度的变化亦近似于指数衰减。而对于电子，由于其电离能力远强于中子及光子，其前冲现象虽然也较为明显，但远不及中子和光子。且在10°方向上，其通量最大。此外，还有部分质子能穿透真空管壁，当质子束能量高于200 MeV时，质子通量随角度变化同样近似于指数衰减。而当质子束能量低于200 MeV 时，由于其射程较短，能穿过管壁的质子数极少。且由于管壁材料的散射，使得其角分布峰值向两侧偏移。

2.3 能谱

考虑到ADS项目及HIAF 质子束流的特性，并结合束流损失监测的具体要求，取定真空管壁材料为铜，分别计算了质子束能量为100 MeV、1GeV、6.5GeV 及12GeV 在10°方向上的次级粒子能谱。结果如图3所示。

由图3可看出，中子在能量约1 MeV 时达到峰值，且随着质子束流的增大，中子能量亦增大且接近于质子束能量。而对于初始能量为6.5GeV 及12GeV 的质子束，出射质子能谱在能量为100keV～200MeV 范围内均较为平缓。而光子与电子则主要集中在低能段。

3 束流损失监测

图2 不同能量的质子束入射到不锈钢（ST）及铜（Cu）管壁的次级粒子及出射质子的角分布Fig.2 Second particle and emission proton angular distribution for different energy proton beams hitting on stainless steel and copper tube

图3 不同能量的质子束入射到铜管壁的次级粒子及出射质子在10°方向上的能谱Fig.3 Second particle and emission proton energy spectrum for different energy proton beams hitting on copper tube on direction of 10degree

束流损失监测系统的最终目标是给出束流损失水平，最好能同时给出束流损失的位置及时间信息。而对于ADS及HIAF，其首要作用是机器保护。因此，束流损失监测系统关注的是快损失，且能在最短的时间内打开束流闸切断束流。

3.1 探测目标分析

由前面的计算结果可看出，质子束打在真空管壁上主要产生中子、光子及电子，并在质子束能量足够高时，还有部分质子穿出管壁。且总地来讲，光子产额略高于中子，但其来源复杂，包括场致辐射及加速器部件由于活化而产生的感生放射性。且分布广泛，所携带的位置信息较为模糊。而电子虽来源单一且携带的位置信息准确，但其产额太低。而中子仅来源于质子束流损失，则可作为束流损失的探测目标。当质子束能量足够高时，有较大几率穿透真空管壁，则出射质子应为理想的探测目标，一方面是其能准确反映束流损失水平，另一方面是其携带的准确的位置及时间信息。

3.2 探测器类型分析

根据SNS、J-PARC 及CERN 的 经 验，中子与光子是主要的探测目标。在J-PARC，基于闪烁体探测器的束流损失监测系统由于其快速的时间响应而被大量使用［7］。在SNS，对束流损失的监测则立足于对中子的探测［8］。而在CERN，如LHC，一种LHC型的电离室则得到了广泛的应用［9］，而新研制的pCVD 金刚石探测器也逐步开始使用［10］。

以电离室及闪烁体探测器（如中子探测器）为基础的束流损失监测系统有望成为ADS及HIAF的束流损失监测方案，但在某些特殊部件则需特殊考虑。如低能区的超导直线段，由于束流流强较高，能量较低，束流损失引起的辐射水平较低，高梯度的超导高频腔引起的背景光子等问题［11］，电离室及闪烁体探测器将不再胜任。而新型的pCVD 金刚石探测器由于其超快的时间响应、耐辐照以及耐低温（可在液氦温度下正常工作）的特性，有望成为低能段的解决方案。

4 结论

本文对ADS及HIAF 均会涉及到的一系列能量的质子束由于发生局部束流损失（与真空管壁相互作用）而引起的次级辐射场进行了初步计算，得出了次级粒子产额、角分布及能谱等基本信息，并基于此分析了束流损失监测的目标及探测器的选择方向。对于高能段，应同时探测中子与光子，此外，穿出管壁的质子因其携带准确的位置及时间信息，应是理想的探测目标。而在低能段，对某些特殊部件则需特殊考虑。

［1］ YANG Jiancheng，XIA Jiawen，XIAO Guoqing，et al.High intensity heavy ion accelerator facility（HIAF）in China［J］.Nuclear Instruments and Methods in Physics Research B，2013，317：263-265.

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