強流重離子加速器中由于質子束流損失引起的次級輻射場計算研究

龐成果，蘇有武，徐俊奎，李武元，姚澤恩

（1.蘭州大學 核科學與技術學院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學院 近代物理研究所，甘肅 蘭州 730000）

HIAF（high intensity heavy-ion accelerator facility），即強流重離子加速器裝置，是“重離子驅動的高能量密度物理和物質基本結構綜合研究裝置”的一期工程。該裝置建成后，對于極具代表性的質子束，最高能量可達12GeV，最高流強可達5.0×1012ppp［1］。與此同時，國家先導專項ADS項目也將利用能量為1GeV的高流強的質子束轟擊散裂靶作為次臨界堆的中子源［2-3］。而對于高功率質子加速器，其關鍵問題之一是減小質子加速過程中的束流損失，一方面是出于加速器本身的需要，另一方面則是輻射防護問題。所以對于束流損失，需加以實時監測，而要實現這一目的，則需對由于束流損失引起的次級輻射場加以研究。

FLUKA 程序是一個完整的模擬粒子輸運的 大 型Monte Carlo 程 序［4］，于1962 年 在Rutherford高能實驗室完成與發表，最初應用于歐洲核子中心300GeV 項目的高能強子研究中。FLUKA 在功能和應用領域上都有了極大的發展。截止到目前，FLUKA 在高能實驗物理及工程學、屏蔽設計、探測器設計、宇宙射線研究、放射性測定、醫學物理與放射生物學、輻射場研究等多方面都有很多應用。

本研究利用FLUKA 程序對質子能量范圍在50 MeV～12GeV 間由于束流損失與真空管壁發生相互作用而引起的次級輻射場進行計算，得出次級粒子的產額、角分布及能譜等基本信息，并結合束流損失監測的要求，簡要分析束流損失探測器的選擇等相關問題。

1 計算模型

由于只考慮質子束與真空管壁的相互作用，在模擬計算中取真空管直徑為100mm，管壁厚3mm，管壁材料分別考慮了不銹鋼（成分列于表1）與銅兩種。根據之前的相關研究，質子在撞擊真空管壁時的入射角為1°～2.5°［5］，本文計算中取為2°。由于真空管壁內殘余氣體很少，該區域按真空處理。

2 計算結果

在50 MeV～12GeV 之間選取了14個能量點，分別為50MeV、80MeV、100MeV、200MeV、500 MeV、800 MeV、1GeV、1.5GeV、2GeV、5GeV、6.5GeV、8GeV、10GeV 和12GeV，模擬不同能量的質子束入射到真空管壁后產生的次級粒子場，計算包括在該物理設定條件下次級粒子的總產額、能譜及角分布等。

表1 不銹鋼成分［6］Table 1 Stainless steel component［6］

2.1 總產額

圖1示出不同能量的質子束入射到真空管壁上所產生的次級粒子的總產額，其統計誤差均小于1%?？梢?，在入射角為2°、真空管壁厚為3mm 的物理設定下，隨著質子束能量的增大，中子、光子及電子的總產額升高，且質子束能量達到200 MeV 時，質子本身穿過真空管壁的幾率大幅增加，約為10%。

圖1 不同能量的質子束入射到不銹鋼（ST）及銅（Cu）管壁的次級粒子在管壁外的產額Fig.1 Second particle yield for different energy proton beams hitting on stainless steel and copper tube

此外，在質子束能量達到GeV 能區時，次級粒子的產額基本上均隨質子束能量升高而線性增大。而對于中子與光子，當質子束能量低于2.5GeV 時，中子產額高于光子產額，當質子束能量高于2.5GeV 后，光子產額迅速升高且遠超過中子產額。而對于電子及穿透管壁的質子，其產額則均比光子及中子產額低。

2.2 次級粒子場的角分布

為了研究次級粒子場的角分布，分別計算了距離質子束與真空管壁碰撞點10cm 處在0°、10°、20°、30°、40°、50°、60°、70°、80°及90°共10個角度上的次級粒子的通量。上述角度為所考慮方向與理想質子束之間的夾角。結果均歸一到單位立體角及每初始質子內，如圖2所示。

由圖2可見，隨著質子束能量的增大，真空管壁外的次級粒子場的前沖特性尤為明顯。當能量低于2GeV 時，0°方向的次級粒子通量均小于10°方向。而在10°～90°范圍內，次級粒子通量隨角度的增大近似于指數衰減。而當質子束能量達到5 GeV 及以上時，由于前沖現象的加劇，0°方向的次級粒子通量高于10°方向，其隨角度的變化亦近似于指數衰減。而對于電子，由于其電離能力遠強于中子及光子，其前沖現象雖然也較為明顯，但遠不及中子和光子。且在10°方向上，其通量最大。此外，還有部分質子能穿透真空管壁，當質子束能量高于200 MeV時，質子通量隨角度變化同樣近似于指數衰減。而當質子束能量低于200 MeV 時，由于其射程較短，能穿過管壁的質子數極少。且由于管壁材料的散射，使得其角分布峰值向兩側偏移。

2.3 能譜

考慮到ADS項目及HIAF 質子束流的特性，并結合束流損失監測的具體要求，取定真空管壁材料為銅，分別計算了質子束能量為100 MeV、1GeV、6.5GeV 及12GeV 在10°方向上的次級粒子能譜。結果如圖3所示。

由圖3可看出，中子在能量約1 MeV 時達到峰值，且隨著質子束流的增大，中子能量亦增大且接近于質子束能量。而對于初始能量為6.5GeV 及12GeV 的質子束，出射質子能譜在能量為100keV～200MeV 范圍內均較為平緩。而光子與電子則主要集中在低能段。

3 束流損失監測

圖2 不同能量的質子束入射到不銹鋼（ST）及銅（Cu）管壁的次級粒子及出射質子的角分布Fig.2 Second particle and emission proton angular distribution for different energy proton beams hitting on stainless steel and copper tube

圖3 不同能量的質子束入射到銅管壁的次級粒子及出射質子在10°方向上的能譜Fig.3 Second particle and emission proton energy spectrum for different energy proton beams hitting on copper tube on direction of 10degree

束流損失監測系統的最終目標是給出束流損失水平，最好能同時給出束流損失的位置及時間信息。而對于ADS及HIAF，其首要作用是機器保護。因此，束流損失監測系統關注的是快損失，且能在最短的時間內打開束流閘切斷束流。

3.1 探測目標分析

由前面的計算結果可看出，質子束打在真空管壁上主要產生中子、光子及電子，并在質子束能量足夠高時，還有部分質子穿出管壁。且總地來講，光子產額略高于中子，但其來源復雜，包括場致輻射及加速器部件由于活化而產生的感生放射性。且分布廣泛，所攜帶的位置信息較為模糊。而電子雖來源單一且攜帶的位置信息準確，但其產額太低。而中子僅來源于質子束流損失，則可作為束流損失的探測目標。當質子束能量足夠高時，有較大幾率穿透真空管壁，則出射質子應為理想的探測目標，一方面是其能準確反映束流損失水平，另一方面是其攜帶的準確的位置及時間信息。

3.2 探測器類型分析

根據SNS、J-PARC 及CERN 的 經 驗，中子與光子是主要的探測目標。在J-PARC，基于閃爍體探測器的束流損失監測系統由于其快速的時間響應而被大量使用［7］。在SNS，對束流損失的監測則立足于對中子的探測［8］。而在CERN，如LHC，一種LHC型的電離室則得到了廣泛的應用［9］，而新研制的pCVD 金剛石探測器也逐步開始使用［10］。

以電離室及閃爍體探測器（如中子探測器）為基礎的束流損失監測系統有望成為ADS及HIAF的束流損失監測方案，但在某些特殊部件則需特殊考慮。如低能區的超導直線段，由于束流流強較高，能量較低，束流損失引起的輻射水平較低，高梯度的超導高頻腔引起的背景光子等問題［11］，電離室及閃爍體探測器將不再勝任。而新型的pCVD 金剛石探測器由于其超快的時間響應、耐輻照以及耐低溫（可在液氦溫度下正常工作）的特性，有望成為低能段的解決方案。

4 結論

本文對ADS及HIAF 均會涉及到的一系列能量的質子束由于發生局部束流損失（與真空管壁相互作用）而引起的次級輻射場進行了初步計算，得出了次級粒子產額、角分布及能譜等基本信息，并基于此分析了束流損失監測的目標及探測器的選擇方向。對于高能段，應同時探測中子與光子，此外，穿出管壁的質子因其攜帶準確的位置及時間信息，應是理想的探測目標。而在低能段，對某些特殊部件則需特殊考慮。

［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.

［2］ 方守賢.加速器驅動次臨界潔凈核能系統ADS與核能可持續發展［OL］.http：∥www.nsfc.gov.cn／nsfc／cen／00／kxb／sw／news／2010／%C9%CF%CD%F8／2%B7%BD%CA%D8%CF%CD.pdf.

［3］ 傅世年，方守賢，關遐齡.強流質子加速器物理與技術關鍵問題［J］.中國核科技報告，2001（0）：110-135.FU Shinian，FANG Shouxian，GUAN Xialing.The key physics and technology issues in the intense-beam proton accelerators［J］.China Nuclear Science and Technology Report，2001（0）：110-135（in Chinese）.

［4］ BALLARINI F，BATTISTONI G，BRUGGER M，et al.The physics of the FLUKA code：Recent developments［J］.Advances in Space Research，2007，40（9）：1 339-1 349.

［5］ 李裕熊，李玨忻，李為民，等.新型儲存環束流損失監測系統［J］.中國科學技術大學學報，2007，37（4）：500-504.LI Yuxiong，LI Juexi，LI Weimin，et al.A new storage ring beam loss monitoring system［J］.Journal of University of Science and Technology of China，2007，37（4）：500-504（in Chinese）.

［6］ GB 1220—75 不銹耐酸鋼技術條件［S］.北京：中華人民共和國標準計量局，1975.

［7］ MIURA A，MARUTA T，SAKO H，et al.Beam loss detected by scintillation monitor［C］∥Proceedings of IPAC2011.San Sebastián，Spain：JACoW，2011.

［8］ ALEKSANDROV A.The SNS beam diagnostics experience and lessons learned［C］∥Proceedings of the 2010 Beam Instrumentation Workshop.Santa Fe，New Mexico，US：JACoW，2010.

［9］ MARKUS S，BERND D.Classification of the LHC BLM ionization chamber［C］∥Proceedings of DIPAC 2007.Venice，Italy：JACoW，2007.

［10］HEMPEL M，BAER T.Performance of detectors using diamond sensors at the LHC and CMS［C］∥Proceedings of IBIC2013.Oxford，UK：JACoW，2013.

［11］LIU Z，RUSSO T，WEBBER R，et al.Beam loss monitor system for the low-energy heavy-ion FRIB accelerator［C］∥Proceedings of IBIC2013.Oxford，UK：JACoW，2013.