氣體閃爍體光學方法測量帶電粒子能譜概述

王冠鷹+歐陽曉平+顏俊堯+何錦成

摘 要：帶電粒子束能譜測量的光學方法是一種基于獲取帶電粒子在氣體閃爍體內發光圖像的測量方法。它具有測量直觀、能量分辨好、適用于多種帶電粒子束能量測量、量程范圍寬且簡單方便可調等突出優點。該文簡要介紹了氣體閃爍體光學方法測量帶電粒子能譜的基本原理、關鍵技術以及所涉及的主要過程。

關鍵詞：氣體閃爍體 光學方法 能譜測量 Geant4

中圖分類號：TL816 文獻標識碼：A 文章編號：1674-098X（2017）04（a）-0100-04

Abstract：The optical method for measuring the energy spectrum of charged particle beam is a kind of measurement method based on the acquisition luminous image of the charged particles in the gaseous scintillation. It has many advantages such as direct-viewing， high energy resolution， suit to various charged particle， wide range and easy to adjust. In this paper， the basic principles， key techniques and main processes involved in measuring the energy spectrum of charged particles by optical method are briefly introduced.

Key Words：Gaseous scintillator；Optical method；Energy spectrum measurement；Geant4

為了解決現有的帶電粒子束能量測量方法及裝置結構復雜、使用時受輻射場強度限制等技術問題[1]，測量帶電粒子能譜的光學方法將徑跡探測器直觀的、能應用于脈沖輻射場的特點與現代成像組件實時方便的圖像信息采集和處理的優勢結合起來，發展了一種新的基于閃爍圖像直接讀出的探測器，并用于粒子能量測量。

帶電粒子束入射到氣體閃爍體中，粒子沿徑跡沉積能量并激發氣體閃爍體發光，采用CCD相機獲取氣體閃爍發光圖像，入射帶電粒子能量與收集到的閃爍發光圖像一一對應，根據圖像反演可求解得到入射粒子束的能譜。這種成像測量的方法本質是依據帶電粒子束徑跡長度確定能量，粒子徑跡分布只取決于氣體閃爍體和粒子本身，而不受源脈沖狀態的限制。光學成像的測量方法既可應用于脈沖輻射場，又可實現對強流穩態輻射場帶電粒子束能譜的測量。

該文概述了氣體閃爍體的發光機理、閃爍圖像光學方法測量原理，并對如何求解帶電粒子能譜的方法進行了介紹。

1 氣體閃爍發光原理

氣體作為閃爍體的發光材料，具有以下突出優點[2]：發光衰減時間快、通過氣壓調節便于控制阻止本領、發光強度與粒子能量沉積在很廣的能量范圍內線性很好，閃爍圖像強度能夠準確反映粒子的能量沉積分布、氣體密度比固體（液體）材料的密度低3～4量級，同樣能量差的質子束的徑跡長度在氣體中區分明顯便于實現精細的能量分辨。此外，制備簡單、性能可靠、氣體價格便宜、使用方便、擴展性強，可以做成多種合適的形狀以用于具體需求。

帶電粒子能量通過2種方式轉移到氣體原子：電離和激發。電離過程：入射粒子與氣體原子的核外電子之間存在庫侖力作用，傳遞給電子的能量足以克服原子束縛而成為自由電子，氣體分子分離成為一個自由電子和一個正離子。激發過程：入射粒子與氣體原子的核外電子之間的庫侖力作用，傳遞給電子的能量使它從低能級狀態躍遷到較高能級狀態，激發態原子不穩定，隨后原子從激發態躍遷回到基態而退激，退激時釋放出來的能量以光的形式發射出來，釋放出的光子具有特定能量特征。在電離過程中，產生的自由電子如果具有足夠能量會產生更多的電子-離子對或者引起原子激發。總體過程可表示為：

R+A→e+A++R'

R+A→A*+R'

e+A+→A* （1）

其中，R為入射帶電粒子，A為閃爍氣體原子，它電離和激發產生電子e和離子A+，A*為激發態的原子。激發態的原子通過發出光子釋放能量（輻射過程），如下：

A*→A+hνa （2）

或者轉變為熱（非輻射過程）。氣體原子發出的光hνa具有特定的能量特征，在光譜中表現為線狀譜。

在氣體較稠密狀態下（n～1019 cm-3），三體碰撞的概率增加而形成激發態的分子或二聚物：

A*+2A→A2*+A （3）

處于激發態的氣體分子的退激是另一種形式，發出的光子在光譜中表現為連續譜分布。

A2*→2A+hνm （4）

線狀譜hνa和連續譜hνm構成了閃爍光譜的主要成分，一個典型的氣體閃爍體閃爍發光的光譜圖如圖1所示。

2 帶電粒子能譜測量

利用Geant4（Geometry and Tracking，幾何與徑跡）建立了相關模型[4]，得到了質子束在氣體閃爍體內的輸運過程。氣體閃爍體發光幾乎線性，在很寬的能量范圍內發光強度與入射粒子的能量沉積成正比[2]。氣體閃爍體發光是均勻分布的，而光子的輸運過程占用資源過大，所以在模擬中以能量沉積分布代替發光的強度分布。計算了5～10 MeV的質子在4 atm的Ar+（10%）CF4中的能量沉積分布。所選用的閃爍氣體在很寬的能量和dE/dx范圍內，發光產額與能量沉積幾乎呈線性關系，質子束在閃爍氣體內的能量沉積位置與Bragg峰分布相同，在其射程的最末端也是沉積能量最大處、光強的最大處。垂直于質子入射方向，質子束隨著入射的深入，存在一定的橫向展寬，這是由于氣體分子對質子束的散射作用。入射粒子在氣體閃爍體內的閃爍發光分布與能量相關，可根據閃爍圖像的分布對粒子的能量進行求解。

對于閃爍圖像反演求解入射質子能量，我們分別采用了基于圖像提取特征量的矩陣圖像-能譜反演求解方法和利用射程與能量關系的射程-能譜反演求解方法2種方案，對同樣的未知分布入射質子能譜進行求解計算。

2.1 圖像-能譜反演求解

圖像反演入射質子束的能譜分布是一個典型的反問題，反問題的求解關鍵在于建立反演的數學模型[5]。直接記錄的氣體閃爍發光圖像是一個二維的分布，而能譜分布則是一個一維的分布。選取入射方向的Bragg曲線作為二維分布的特征量，而一定能量分布質子所激發的閃爍發光圖像被認為是一系列單能質子激發的閃爍發光圖像的加權疊加，以此構建了從能量空間到氣體閃爍發光的響應R：

式中：μ為入射質子的能譜，待求量；ν為氣體閃爍體發光圖像的分布，已知量。

該能譜反演問題可進一步轉換為最小二乘問題，進行求解：

然后采用勢下降內點算法對其進行求解計算[6]。圖2計算了一個中心值為8.0 MeV，FWHM（半高全寬，The full width at half maximum）為0.5 MeV的反演結果，對求解結果進行擬合，與能譜真實分布相符。

2.2 射程-能譜反演求解

根據不同能量的質子束在閃爍氣體中的射程，建立了質子束的射程-能量對應關系，并對其進行線性擬合，結果如圖3所示。擬合結果由圖可見效果很好，由此得到了能量在5～10 MeV范圍內的質子與4 atm的Ar+（10%）CF4作用的射程-能量關系。粒子的能量由其射程標定，在該點的閃爍光強度表征了強度的大小，這就是射程-能譜反演求解的基本原理。

圖4所示為利用射程-能譜反演求解方法對同一個中心值為8.0 MeV，FWHM為0.5 MeV的能譜的反演結果。

3 結語

帶電粒子束能量的光學測量方法能同時應用于穩態和脈沖輻射場，測量結果能量分辨好、量程范圍寬且簡單方便可調，該方法已通過模擬分析和實驗驗證得到證明。這種方法為能譜測量探索出一條新的技術途徑。

參考文獻

[1] 歐陽曉平.脈沖中子伽馬探測系統性能表征與設計技術[J].中國工程科學，2009（5）：43-44.

[2] Aprile E，Bolotnikov A E，Bolozdynya A I，et al.Noble Gas Detectors[Z].2006.

[3] Liu J，Ouyang X，Chen L，et al.Primary scintillation characteristics of Ar+CF4 gas mixtures excited by proton and alpha particles[J].Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2012，694（12）：157-161.

[4] Asai M.Geant4-A Simulation Toolkit[J]. Nuclear Instruments & Methods in Physics Research，2007，506（3）：250-303.

[5] 劉金良.一種脈沖粒子束能譜測量的光學方法研究[A].中國核學會.中國核科學技術進展報告（第三卷）——中國核學會2013年學術年會論文集第8冊（輻射研究與應用分卷、同位素分卷、核農學分卷、輻射物理分卷）[C].2013.

[6] Wang Guanying，Han Ran，Ouyang Xiaoping，et al.Potential reduction interior point algorithm unfolding of neutron energy spectrum measured by recoil proton method[Z].Chinese Physics C，2017.