100 MeV質子降能材料的選擇研究

韓金華，覃英參，郭 剛，張艷文

(中國原子能科學研究院 國防科技工業抗輻照應用技術創新中心，北京 102413)

質子是空間輻射環境中的主要成分，其引發的單粒子效應(single event effect, SEE)是致使航天器發生在軌故障的主要因素之一[1]。質子SEE地面模擬試驗是認識質子SEE機理、準確評價器件抗輻射性能的重要手段，一般都基于質子加速器開展[2]。降能器是質子加速器能量選擇系統中的核心部件，可用于快速改變束流能量以獲得多個能點的質子SEE截面數據，對提升試驗效率具有重要意義[3-4]。

質子是通過與物質之間的碰撞損失能量來降能的，這種碰撞是隨機產生的，因而會不可避免地產生能量岐離、角度岐離現象，并且質子會與物質發生核反應產生中子，這些均會對測量得到的質子SEE截面的準確性造成一定的影響[5]。除此之外，質子與降能材料發生核反應使得降能器產生感生放射性，給工作人員帶來一定的安全問題。降能過程中產生的這些問題均是與降能材料密切相關的。在降能器的設計過程中，首要考慮的就是選擇合適的降能材料。降能材料產生的能量岐離和角度岐離應盡量小，產生的中子本底和感生放射性應盡量低。

中國原子能科學研究院100 MeV質子回旋加速器是我國建成的首臺中能質子加速器，提供的質子最高能量為100 MeV。在該加速器上建設質子SEE地面模擬試驗裝置不僅能填補國內中能質子SEE試驗能力的空白，也能一定程度滿足國內質子SEE考核試驗的需求[6]。基于此，本文將對分別采用4種常見降能材料鈹、石墨、鋁、銅作為100 MeV質子的降能材料時產生的能量岐離、角度岐離、中子本底以及感生放射性進行計算，經分析比較，選擇其中1種作為該加速器質子SEE地面模擬實驗裝置中降能器的降能材料。

1 計算及分析

根據SRIM程序[7]得到的質子在鈹、石墨、鋁、銅中的射程-能量關系(圖1)可計算出以這4種材料作為降能材料時100 MeV質子在其中降低的能量與所對應的材料厚度之間的關系，示于圖2。下面將以此分析在降低能量相同的情況下，這4種材料分別產生的能量岐離、角度岐離、中子本底以及感生放射性。

圖1 質子在鈹、石墨、鋁、銅中的射程-能量關系

圖2 100 MeV質子在鈹、石墨、鋁、銅中降低的能量與對應材料厚度之間的關系

1.1 能量岐離與角度岐離

質子的能量岐離主要是由質子與靶原子的核外電子相互作用而產生，而角度岐離主要是由質子與靶核的相互作用而產生。帶電粒子在穿過厚度為t的材料后，其能量呈高斯分布，根據Bohr理論，相應的均方差參數為：

(1)

其中：z為入射粒子的原子序數；Z為靶物質的原子序數；e為電子電荷；N為單位體積內的靶核數[8-9]。其偏轉角度在小散射角度內也呈高斯分布，相應的散射角半高寬θFWHM可用文獻[10]中給出的修正的Highland公式來計算，即：

(2)

其中：Es=13.6 MeV；ε=0.088；p為入射粒子的動量；β為入射粒子速度與光速之比；LR為靶物質的輻射長度。該式對從低Z到高Z靶物質的計算結果的誤差均在11%以內。

圖3 100 MeV質子在鈹、石墨、鋁、銅中降低的能量與產生的能散均方差Eσ之間的關系

將圖2中100 MeV質子在4種材料中降低不同能量所對應的材料厚度t代入式(1)、(2)，可計算出其降低不同能量時產生的能量岐離和角度岐離，結果如圖3、4所示。可見，在使得質子降低同樣能量時，材料的原子序數越低，產生的能量岐離和角度岐離越小。在4種材料中，鈹使得100 MeV質子產生的能量岐離和角度岐離最小。

圖4 100 MeV質子在鈹、石墨、鋁、銅中降低的能量與產生的散射角半高寬之間的關系

1.2 中子本底

圖5 鈹、石墨、鋁、銅作為降能材料時分別在靶后20 cm位置產生的中子注量率

在質子SEE地面模擬試驗裝置的設計中，由于降能器距離測試器件較近，質子在降能過程中與材料核反應產生的中子本底也會引發器件產生SEE，從而在試驗得到的質子SEE截面中引入一定的誤差。本文利用蒙特卡羅程序FLUKA[11]計算了使1 nA的100 MeV質子降低特定能量的鈹、石墨、鋁、銅作為降能材料時，分別在靶后20 cm位置產生的中子注量率，如圖5所示。在降低的能量ΔE小于70 MeV時，基本上在靶后20 cm位置產生的中子注量率φ是隨ΔE升高的，這是因為ΔE越大，靶越厚，產生的中子越多。在ΔE大于70 MeV時，φ基本上是隨ΔE降低的，這應是由于靶厚的增加對中子的散射更嚴重導致的。在4種材料中，鋁產生的中子本底最低，石墨、銅產生的中子本底略高于鋁，而鈹產生的中子本底最高。實際上，鈹只有1種穩定的同位素9Be，而質子與9Be的中子產生截面較大，9Be(p,n)反應可用作準單能中子源[12]。

1.3 感生放射性

質子與降能材料發生核反應將會產生放射性核素，而核反應中產生的低能中子使材料活化也是產生放射性核素的重要過程[13]，由此帶來的放射性會給工作人員的健康帶來一定的風險。放射性的相關計算也利用FLUKA來完成，該程序已成功應用于質子加速器感生放射性的模擬計算[14-15]。結合質子SEE試驗的實際情況，并為方便討論，僅考慮以下計算條件：1 nA的100 MeV質子輻照降能器1 h；分別考慮鈹、石墨、鋁、銅作為降能材料的4種情況，材料厚度設定為使質子能量降低90 MeV所對應的厚度，此時產生的放射性較嚴重；降能器之后為空氣；殘余劑量率的考察點設為在降能器之后20 cm的位置。利用FLUKA中的RESNUCLE卡計算了停止輻照后在鈹、石墨、鋁、銅中分別產生的放射性核素種類及活度，結果示于圖6。利用AUXSCORE卡計算了停止輻照后，考察點的殘余劑量率隨冷卻時間的變化，結果示于圖7。另外，考慮到低能中子的活化問題，在計算中要添加LOW-NEUT卡[16]。

可見，經100 MeV質子輻照后，若鈹作降能材料，則會生成10種放射性核素，主要為8Be、8Li、6He，這幾種核素的半衰期很短，均小于1 s，故考察點的殘余劑量率在短時間內迅速下降。若石墨作降能材料，則會生成17種放射性核素，主要為11C、8Be、8B、10C、8Li、12N，其中11C、10C的半衰期較長，分別為20.364 m、19.29 s，其余核素的半衰期均小于1 s，故考察點的殘余劑量率隨冷卻時間的變化在很短時間(如1 min)之后主要由11C來主導。若鋁作降能材料，則會生成54種放射性核素，主要為26Al、27Si、25Al、23Mg、24Na、18F、21Na、11C、15O、27Mg，其中18F、26Al半衰期較長，前者為1.83 h，而后者則長達7.17×105a，說明鋁在試驗后將具有長期放射性，在幾年之內不同試驗輪次產生的26Al幾乎可認為是不斷累積的。若銅作降能材料，則會生成87種放射性核素，主要為62Cu、63Zn、61Cu、60Cu、60Co、64Cu、58Co，其中61Cu、64Cu、58Co、60Co半衰期較長，分別為3.3 h、12.7 h、70.86 d、1 925.28 d，生成的60Co也將使得銅在試驗之后具有長期放射性。綜上，基本上材料的原子序數越小，生成的放射性核素種類越少，放射性核素的半衰期也普遍越短。這就決定了對于原子序數小的材料，考察點的殘余劑量率在冷卻的初始階段下降得快，而且冷卻到一定時間后，殘余劑量率水平較低，如圖7所示。因此，如果僅考慮感生放射性，原子序數最小的鈹在這4種材料中是最適合作降能材料的。

圖7 鈹、石墨、鋁、銅分別作為降能材料時在考察點的殘余劑量率隨冷卻時間的變化

2 總結與討論

在中國原子能科學研究院的100 MeV質子回旋加速器上建設質子SEE地面模擬試驗裝置需對降能器進行一定的設計，而設計降能器的首要問題就是降能材料的選擇。本文根據Bohr理論對100 MeV質子在4種常見降能材料鈹、石墨、鋁、銅中產生的能量岐離進行了計算，根據Highland公式對產生的角度岐離進行了計算，利用蒙特卡羅程序FLUKA對產生的中子本底和感生放射性進行了模擬計算，其中感生放射性的計算包含了在材料中產生的放射性核素種類、活度及殘余劑量率。根據相關計算結果，在降低相同的能量這一情況下，對4種材料作為降能材料的適用性進行了分析比較。

作為降能材料，鈹的優點在于：原子序數最小，產生的能量岐離和角度岐離最小；生成的放射性核素種類少、壽命短，殘余劑量率下降快，且在一定時間后的劑量率水平最低。但鈹產生的中子本底水平最高，約是其他材料的2倍，會在試驗測量的SEE截面中引入一定誤差。另外，鈹在空氣中易形成保護性氧化層，而鈹和氧化鈹均有劇毒，在使用時需格外注意。石墨產生的能量岐離和角度岐離略高于鈹，中子本底水平略高于鋁，殘余劑量率下降也較快，且在一定時間后的劑量率水平較低(略高于鈹)。鋁產生的能量岐離和角度岐離較大，在將100 MeV質子的能量降低90 MeV時，能量分布的均方差為0.86 MeV，散射角半高寬為44.92 mrad(即2.57°)，對于質子SEE試驗也是可接受的。鋁產生的中子本底水平最低。但在感生放射性方面，由于長壽命核素26Al的產生，在一定時間后，殘余劑量率將一直存在，很難下降。銅在能量岐離、角度岐離、中子本底、感生放射性這4方面的表現均不如鋁。基于上述討論，石墨可認為是一種合適的降能材料。但考慮到質子SEE試驗的特殊性，希望一輪試驗結束后，在冷卻0.5 h后進入到試驗廳更換測試器件以提高試驗效率，為保證輻射安全，希望此時的殘余劑量率水平較低。在上文中設定的條件下冷卻0.5 h時，石墨產生的殘余劑量率水平是鋁的5.7倍(圖7)，基于這個考慮，最終選擇鋁作為降能材料。