本发明专利技术涉及一种利用光学方法测量带电粒子束能量的装置，包括发光组件和至少一组成像组件，发光组件包括密封的闪烁发光腔体，闪烁发光腔体中填充有气体闪烁体，成像组件包括设置在闪烁发光腔体上的遮光筒、镜头以及成像装置。本发明专利技术解决了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，能同时应用于稳态和脉冲辐射场，具有测量直观、能量分辨好、适用于多种带电粒子束能量测量、量程范围宽且简单方便可调的优点。
【技术实现步骤摘要】
本专利技术涉及一种用光学方法测量带电粒子束能量的装置。
技术介绍
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. OkeV I. OMeV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. IMeV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. OMeV)与向下散射中子(6. OMeV-IO. OMeV)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I)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。
技术实现思路
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，本专利技术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。本专利技术的技术解决方案是一种利用光学方法测量带电粒子束能量的装置，其特殊之处是，包括发光组件和至少一组成像组件，所述发光组件包括沿粒子入射方向依次设置的准直屏蔽体和密封的闪烁发光腔体，所述闪烁发光腔体上设置有正对粒子束入射方向的入射窗口，所述闪烁发光腔体上还设置有与成像组件数量一致、位置一一对应的光学窗口，所述闪烁发光腔体中填充有气体闪烁体，所述成像组件包括设置在闪烁发光腔体上且套接在光学窗口上的遮光筒、设置在遮光筒内部的镜头以及设置在遮光筒另一端的成像装置。上述成像组件可为一组，设置在闪烁发光腔体的侧面。上述成像组件还可为两组，所述两组成像组件设置在闪烁发光腔体的侧面且光轴相互垂直。上述成像组件还可为两组，其中一组成像组件设置在闪烁发光腔体侧面，另一组成像组件设置在闪烁发光腔体端面，且两组成像组件的光轴相互垂直。上述成像组件还可为三组，所述三组成像组件的光轴两两垂直且其中一组成像组件与闪烁发光腔体中心线共轴。上述腔体为长方体。上述入射窗口由厚度0. 5-100 u m的金属钛膜组成,所述光学窗口材料为合成石英玻璃。上述气体闪烁体为惰性气体和/或发光产额高的CF4或TEA ;所述惰性气体为高纯度的He、Ar、Ne、Kr或Xe ;所述气体闪烁体气压为0. 001 1000个大气压。上述气体闪烁体为CF4 (10% )+Ar (90% )，气压为lOOkPa。上述闪烁发光腔体上设置有用于充放气体闪烁体的充气孔。本专利技术的优点是I、测量带电粒子束能量十分直观。带电粒子束能量和其在气体闪烁体中径迹的空间分布存在一一对应关系，不同能量的带电粒子在气体闪烁体中的径迹长度及射程径向岐离都不同，以成像方式记录离子径迹上气体闪烁体分子发光的空间分布，测量带电粒子束能量十分直观。2、能量分辨率高。不同能量带电粒子在气体闪烁体中的径迹长度(射程)不同，只要选择合适的气体闪烁体和气 压可以将能量相差很小的两束带电粒子在径迹上区分开。该方法的能量分辨理论上可以做得很小，方法自身不存在限制。3、该装置可用于稳态和脉冲辐射场带电粒子束能量测量。该方法测量带电粒子束能量既可应用于稳态辐射场，又可应用于脉冲辐射场。对于稳态辐射场，成像装置工作在积分模式，调节相机曝光积分时间即可获得不同束流强度下理想的带电粒子束径迹图像。脉冲状态下，将相机快门开门时刻与带电粒子束脉冲到达时刻同步即可拍摄脉冲状态下的带电粒子束径迹图像。该方法可以解决高强度脉冲束粒子束能量测量问题。4、适用于多种带电粒子束能量测量，量程范围灵活可调。不改变装置结构前提下，测量不同带电粒子束能量可通过改变气体种类、调节气体压力轻易实现。选用不同组分的气体闪烁体，可以改变带电粒子束径迹附近气体分子发光的强度；对于能量范围差别很大的粒子束，可以调节气体压力改变气体密度使带电粒子束径迹末端或关心的径迹的重要部分落入成像组件视野范围内。在能量分辨要求高、带电粒子束流强的辐射场中，亦可以将腔体延长，保持气体组分和状态不变前提下，使粒子束径迹加长，获取全径迹或径迹末本文档来自技高网...
【技术保护点】
【技术特征摘要】
【专利技术属性】
技术研发人员：欧阳晓平，刘金良，张忠兵，陈亮，韩长才，
申请(专利权)人：西北核技术研究所，
类型：发明
国别省市：
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