空間質子探測儀器定標的10 MeV質子束源需求分析

楊垂柏，荊　濤，張申毅，張斌全

（中國科學院國家空間科學中心，北京　100190）

空間質子探測儀器定標的10 MeV質子束源需求分析

楊垂柏，荊濤，張申毅，張斌全

（中國科學院國家空間科學中心，北京100190）

分析了國內空間質子探測現狀及其向著寬量程、高精度的發展趨勢，并對比分析了國內外空間粒子探測儀器地面質子束源。依據空間質子能譜范圍，從技術指標和業務運行角度，給出了空間質子探測儀器定標束流的加速器類型、離子源類型及束流輸運和總體布局等方面需求。

空間質子探測；儀器定標；質子加速器

0　引言

我國自1970年代開展空間環境探測以來，中科院空間中心等單位研制了各類空間粒子探測儀器，應用于國內各個軌道的衛星、飛船、空間實驗室等，獲得了大量空間粒子環境數據，為航天器安全運行保障和科學研究提供服務［1-5］。

空間粒子輻射探測的其中一項重要任務是對空間中的質子的測量，測量能譜、方向等。空間質子存在各個日地間區域、日球層及其他區域，來自太陽、宇宙線以及行星輻射帶。空間質子可能造成航天器的輻射劑量效應、原子位移效應及單粒子效應等，這些效應輕者導致航天器性能下降，重者造成系統失效。風云一號（B）衛星便是由于單粒子效應，造成自控系統損壞，而整星失效，損失巨大［2］。

通過對于空間質子通量、方向等方面進行探測，獲取空間質子的能譜分布、區域分布以及變化規律等方面。從而一方面為空間粒子演化規律等研究創新提供數據支持；另外一方面為航天設計提供保障。為保證科學儀器在軌可以實現任務目標，在地面開展儀器定標是儀器研制過程中重要環節，通過地面定標可以對儀器性能和指標進行考核驗證［1，4］。

粒子加速器定標是考驗一臺儀器性能指標的重要手段，而加速器定標重要關注的是粒子加速器，其指標性能直接影響儀器定標問題。國內外對于空間探測儀器定標所需加速器，基本上采用專用加速器和改造大型加速器方法進行［6-8］。因此，開展基于國內空間質子探測發展趨勢分析的情況下，分析空間質子探測儀器定標的加速器技術指標需求。

1　空間質子探測

自從范愛倫發現地球輻射帶，并且確認輻射帶由質子和電子為主構成。空間質子探測成了大部分空間科學研究和空間環境監測任務內容，無論是地球空間科學衛星還是行星際探測［1-11］。通過對于空間質子探測，了解空間不同軌道輻射環境的變化特點和規律及惡劣狀態，獲取空間輻射環境的耦合、擴散及傳播等演化機理和機制。

如圖1所示，日地空間主要區域的質子能譜分布。能量上從太陽風質子eV到宇宙線質子TeV的范圍，跨越了8個數量級；通量從宇宙線10-5Pa/cm2·s到太陽風1015Pa/cm2·s的范圍，跨越了20個數量級［12］。

圖1　日地間空間質子能譜分布

空間質子探測根據能量不同，在低端可以采用靜電分析器結合微通道板實現，而在keV到MeV采用半導體望遠鏡方式實現，在高能量可以采用閃爍體組合及切倫科夫等方法實現。通常在空間探測領域會將低能質子探測歸為空間等離子體探測，所以后繼討論均為空間高能質子探測方面。

國際經過多年的空間探測任務牽引，質子探測器已經向小型化、高精度等方面發展［9-12］。國內歷經多年的發展，經過早期實踐4號等航天工程起步階段，而后在空間氣象監測、載人航天及空間科學先導專項等任務需求下，不斷在向高精度、寬能譜等方向推進。如下表1所示，為國內部分典型航天任務空間質子探測指標。

表1　國內典型航天任務空間質子探測指標［1，3-5］

國內空間質子探測由早期重點關注輻射帶粒子測量，拓展到關注包括地球極區粒子上下行、太陽爆發、日球層等區域粒子的測量；由早期關注高能段帶電粒子拓展到關注產生高能粒子的種子粒子的中、低能量段，并且同時向更高能量段進行延伸；由早期的帶電粒子能譜測量，拓展到同時開展帶電粒子方向分布測量。

2　空間質子探測定標

隨著國內空間環境保障和空間科學研究對于空間粒子探測需求的增長，空間粒子探測內容和指標的不斷拓展和深化，空間儀器定標完備和充分是科學任務實現的保證。

2.1定標內容及方法

儀器定標方法包括電子學定標、放射源定標、加速器定標的地面定標以及在軌交叉定標等。電子學定標指采用信號發生器等產生一個模擬傳感器遭受粒子后形成的信號對儀器電子學進行定標的方法；放射源定標指利用放射源釋放出來的粒子射線對傳感器進行輻射照射的方法；而加速器定標是利用加速器模擬空間粒子對傳感器進行輻射照射的方法；交叉定標指利用相近位置等因素的同類儀器之間進行相互比對的方法。

電子學定標是空間粒子探測類儀器在儀器研制過程完成，而放射源定標需要根據儀器測量范圍進行選用。加速器定標是儀器在發射之前需要開展的性能和指標測試工作，開展包括能量、通量的指標測試。圖2為空間粒子探測儀器定標過程示意圖，待測儀器置于粒子束流源出口位置，不斷調整束流參數和轉臺指向，完成儀器定標。

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圖2　空間粒子探測儀器定標示意圖

由于探測儀器在測量范圍以內設置了不同閾值能檔，而儀器在軌測量不同能量粒子將被歸入不同能檔范圍以內，因此對儀器測量能量定標也就轉化為對儀器能檔的定標。而對儀器通量范圍的定標將分解為對于儀器計數和張角的定標。如圖2所示，通過轉動靶室轉臺，并且調節粒子束流能量，將獲得儀器的不同能量下張角特性。在獲取了儀器計數和張角特性之后就可以獲得儀器通量特性。

2.2定標所需設施

如圖2所示，開展儀器定標需要有加速器束流源以及靶室等輔助設施，束流源是開展粒子探測儀器定標的核心設備。

美歐等國家由于長期開展空間粒子探測需要，如表2所示，建設了許多適用于空間儀器定標的束流源，包括粒子槍類型和加速器類型，并同時利用其他用途加速器。束源粒子能量基本覆蓋了空間質子的大部分能量范圍，極大支撐了空間科學任務的高質量完成，并且不斷取得突破性產出。

表2　部分國外定標用質子束流源

STEREO任務的SEPT儀器的質子測量范圍在60 keV～7 MeV，采用了放射源和加速器聯合的定標方式，加速器定標利用了PTB實驗室的范德格拉芙式加速器的質子，完成了閾值、測量效率、符合邏輯及計數率等參數定標。

國內也在風云四號氣象衛星研制的航天工程牽引下，正在建設空間粒子定標專用粒子束流源，其中包括2 MeV和200 keV電子加速器和30 keV電子離子束流槍。國內目前可以被用來開展空間質子探測定標的加速器為蘭州近代物理研究所重離子加速器RIBLL終端、原子能科學研究院直線加速器以及北京大學重離子加速器。其中RIBLL終端為回旋加速器的重離子與靶物質作用后產生二次質子，進行質譜篩選后再利用電磁鐵裝置選擇定標所需要能量的質子束流輸出，提供給儀器進行定標。

3　專用定標粒子束源分析

隨著國內載人航天、空間天氣觀測、空間科學先導專項等航天任務發展需求［2-8］，一方面為空間粒子探測營造了大牽引，另一方面對儀器定標需求形成了新要求。存在的問題為：（1）儀器定標次數需求極大提高；（2）儀器定標內容也更加豐富；（3）定標儀器能量范圍更寬，大型加速器能量低端較之依然偏高。使得過去依賴大型加速器開展定標或者國際協作定標的方法，將可能極大限制儀器研發進展。雖然國內依據材料輻照等需求建設有不少加速器［15］，但粒子束流通量普遍過高，并不適合空間粒子探測儀器定標需要。

中科院空間中心正在建設空間電子探測儀器定標系統，建成后將基本可以滿足空間電子探測類儀器定標。已建好和正在建設的質子束流系統只是覆蓋了30 keV以下能量范圍，而國內正在開展的質子探測儀器研制是覆蓋空間全能譜段，因此國內需要建設空間質子探測儀器定標束流系統。通過部分高能段定標采用借助國內大型加速器時外協完成，而在低能段研制專用質子加速器實現定標。

同時在工程應用業務角度出發也存在著三個方面需要：（1）加速器運行穩定可靠，儀器研制進度要求定標時間窗口有限，需要加速器高完好率、單次穩定運行時間長，可以穩定在規定時間內完成定標任務；（2）加速器操作性好，單次啟動時間短，穩定快，能量點、通量點間調節時間短，運行過程安全，具有高可操作性；（3）加速器維護簡單，定標用加速器服務于儀器研制，需要加速器維護人力、精力盡量少，具有高可維護性。

因此，需要采用較低能段采用專用束流源定標，而高能段借助國內已有的大型加速器實現定標。對于儀器研制過程的性能測試先利用專用束流源進行，在低能段進行充分驗證，其后在大型加速器上進行較高能段的定標。

采用單臺加速器在保證實現能量高端要求設計時，將難以保證低端指標同時實現，因此考慮分能量段加速器組合方法實現寬能譜。采用2臺加速器聯合實現30 keV～10 MeV的質子輸出，從而實現涵蓋內外輻射帶、太陽暴質子及太陽耀斑質子。具體加速器系統研制需要考慮五個主要方面：

（1）加速器類型選擇

實現30 keV～10 MeV能量段質子的加速器類型包括回旋加速器、靜電加速器、倍壓加速器等［16-17］，而適合連續出粒子束的為靜電加速器和倍壓加速器兩類加速器。因此采用2臺高壓直流型加速器：1臺實現30～300 keV低能段粒子輸出，另外1臺實現300 keV～10 MeV相對高能段粒子輸出。300 keV質子只需要采用單級加速管就可實現，離子源引出質子進行直接加速；10 MeV質子加速器需要采用串級加速管，離子源引出離子而后剝離掉電子，獲得質子后再次加速輸出目標能量質子，如圖3所示。

圖3　高壓加速器示意圖

（2）離子源類型選擇

不同類型離子源存在著功耗、氣體利用率、引出離子等不同［16-17］，如雙燈離子源具有高電離效率，國內正在研制的30 keV離子束源即是采用此類源，此類源同時存在著結構復雜的問題。本系統設置有2臺加速器，2臺加速器分別需要帶正電一價離子和帶負電一價離子。引出一價正離子也即質子的離子源安置于300 keV加速器的注入端，而引出負氫離子的離子源安裝在10 MeV加速器的注入端。多種離子源可以引出正離子，而可以引出負離子只有雙等離子體源、潘寧源及磁控管源等有限幾類。為了將來運行階段維護方便，2臺離子源采用相同類型，都采用潘寧型，相對維護簡單［17-18］，利用不同電位引出電極從放電腔體徑向引出不同類型離子。

（3）束線輸運類型選擇

由于從離子源引出來的離子強度通常在μA量級、甚至mA量級［18］，而空間粒子探測儀器定標需要是在nA以下、甚至更低，因此需要在整個過程進行降低強度。降低束流強度的方法可以采用交流高壓或交變磁場束流掃描，或者擴束方法實現。采用束流掃描的方法降強度，只是把平均強度降下來，而峰值是不會降，因此，需要采用擴束的方法實現降低降強度并提高束斑均勻性。

擴束降低流強方法通常是采用多次擴束，從而實現降低束流強度，如圖4所示為兩級擴束示意圖。通過第1次擴束將束流擴散成圓錐形，只取圓錐中央輸運管線內相對均勻性更好的部分，其余粒子將與束流管壁碰撞而被吸收；第2級擴束是將第1次擴束降強度以后的束流再次進行擴束。

圖4　束流兩次擴束降低流強示意圖

（4）束流管線布局

2臺加速器的粒子輸出在同一個真空靶室，2臺加速器束流管中心交匯于靶室中心。靶室中央位置設置轉臺，適合于將待定標儀器轉向不同方向實現不同能量定標，如圖5所示。地球表面存在著磁場，而磁場將對帶電粒子產生偏轉效應，因此在設置束線布局需要盡可能的順著當地磁力線，避免地磁場對束流方向產生干擾。10 MeV能量的加速器1與300 keV能量的加速器2形成30°夾角，300 keV加速器束線順著地磁場方向。

圖5　定標質子加速器系統布局示意圖

（5）可擴展性

隨著空間科學技術的發展需求，空間中性原子觀測正在成為空間活動機理和規律特性等研究有力手段［7，8，20］，因此，在國內建設中性原子束流源保障儀器定標成為必要。在質子輸運管道和靶室之間，增加氣體混合器和偏轉結構。中性原子束流可以利用質子束流與中性氣體混合獲得，其后束流管道連接磁偏轉或靜電偏轉結構，去除帶電離子成分而引出中性原子進入靶室，供中性原子儀器定標。

圖6　質子束流轉化為中性原子束流示意圖

4　小結

空間質子定標束流系統研制完成以后，可以模擬各類活動狀態下空間輻射環境的質子狀態，可以為國內高能質子、中能質子及中性原子探測儀器的定標提供粒子束流，為空間科學儀器數據產出的質量提供保障。

質子束流系統研制完成以后，加上國內正在建設的30 keV質子束流源，將可以提供10 MeV能量以下所有能量質子束流，進一步完善國內空間質子探測儀器研制試驗測試基礎設備能力，從而為穩固國內在國際上空間粒子探測一流水平提供支撐。

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THE REQUIREMENTS OF CALIBRATION PROTON BEAM FOR SPACE PARTICLE INSTRUMENT

YANG Chui-bai，JING Tao，ZHANG Shen-yi，ZHANG Bin-quan
（National Space Science Center，ChineseAcademy of Sciences，Beijing，100190）

The trend of space proton exploration is reviewed，which is more wider band spectrum，and more precise. The compare of different calibration proton beam systems is also done.According to the space proton spectrum and space engineering，proton accelerator type choice，the ion source type choice，ion transportation type choice，and the accelerators layout are provided.

space proton detection；space instrument calibration；proton accelerator

V423.6

A

1006-7086（2015）01-0015-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.004

2014-09-05

楊垂柏（1981-），男，江西省人，副研究員，主要從事空間環境及其效應探測研究。E-mail：ycb@nssn.ac.cn。