龐成果，蘇有武，徐俊奎，李武元，姚澤恩

（1.蘭州大學(xué) 核科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，甘肅 蘭州 730000；2.中國科學(xué)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(qū)動的高能量密度物理和物質(zhì)基本結(jié)構(gòu)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(zhì)子束，最高能量可達(dá)12GeV，最高流強可達(dá)5.0×1012ppp［1］。與此同時，國家先導(dǎo)專項ADS項目也將利用能量為1GeV的高流強的質(zhì)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(zhì)子加速器，其關(guān)鍵問題之一是減小質(zhì)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(jiān)測，而要實現(xiàn)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(fā)表，最初應(yīng)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(yīng)用領(lǐng)域上都有了極大的發(fā)展。截止到目前，F(xiàn)LUKA 在高能實驗物理及工程學(xué)、屏蔽設(shè)計、探測器設(shè)計、宇宙射線研究、放射性測定、醫(yī)學(xué)物理與放射生物學(xué)、輻射場研究等多方面都有很多應(yīng)用。

本研究利用FLUKA 程序?qū)|(zhì)子能量范圍在50 MeV～12GeV 間由于束流損失與真空管壁發(fā)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(chǎn)額、角分布及能譜等基本信息，并結(jié)合束流損失監(jiān)測的要求，簡要分析束流損失探測器的選擇等相關(guān)問題。

1 計算模型

由于只考慮質(zhì)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(jù)之前的相關(guān)研究，質(zhì)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(nèi)殘余氣體很少，該區(qū)域按真空處理。

2 計算結(jié)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(zhì)子束入射到真空管壁后產(chǎn)生的次級粒子場，計算包括在該物理設(shè)定條件下次級粒子的總產(chǎn)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(chǎn)額

圖1示出不同能量的質(zhì)子束入射到真空管壁上所產(chǎn)生的次級粒子的總產(chǎn)額，其統(tǒng)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(shè)定下，隨著質(zhì)子束能量的增大，中子、光子及電子的總產(chǎn)額升高，且質(zhì)子束能量達(dá)到200 MeV 時，質(zhì)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(zhì)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(chǎn)額Fig.1 Second particle yield for different energy proton beams hitting on stainless steel and copper tube

此外，在質(zhì)子束能量達(dá)到GeV 能區(qū)時，次級粒子的產(chǎn)額基本上均隨質(zhì)子束能量升高而線性增大。而對于中子與光子，當(dāng)質(zhì)子束能量低于2.5GeV 時，中子產(chǎn)額高于光子產(chǎn)額，當(dāng)質(zhì)子束能量高于2.5GeV 后，光子產(chǎn)額迅速升高且遠(yuǎn)超過中子產(chǎn)額。而對于電子及穿透管壁的質(zhì)子，其產(chǎn)額則均比光子及中子產(chǎn)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(zhì)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(zhì)子束之間的夾角。結(jié)果均歸一到單位立體角及每初始質(zhì)子內(nèi)，如圖2所示。

由圖2可見，隨著質(zhì)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(dāng)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(nèi)，次級粒子通量隨角度的增大近似于指數(shù)衰減。而當(dāng)質(zhì)子束能量達(dá)到5 GeV 及以上時，由于前沖現(xiàn)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(shù)衰減。而對于電子，由于其電離能力遠(yuǎn)強于中子及光子，其前沖現(xiàn)象雖然也較為明顯，但遠(yuǎn)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(zhì)子能穿透真空管壁，當(dāng)質(zhì)子束能量高于200 MeV時，質(zhì)子通量隨角度變化同樣近似于指數(shù)衰減。而當(dāng)質(zhì)子束能量低于200 MeV 時，由于其射程較短，能穿過管壁的質(zhì)子數(shù)極少。且由于管壁材料的散射，使得其角分布峰值向兩側(cè)偏移。

2.3 能譜

考慮到ADS項目及HIAF 質(zhì)子束流的特性，并結(jié)合束流損失監(jiān)測的具體要求，取定真空管壁材料為銅，分別計算了質(zhì)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(jié)果如圖3所示。

由圖3可看出，中子在能量約1 MeV 時達(dá)到峰值，且隨著質(zhì)子束流的增大，中子能量亦增大且接近于質(zhì)子束能量。而對于初始能量為6.5GeV 及12GeV 的質(zhì)子束，出射質(zhì)子能譜在能量為100keV～200MeV 范圍內(nèi)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(jiān)測

圖2 不同能量的質(zhì)子束入射到不銹鋼（ST）及銅（Cu）管壁的次級粒子及出射質(zhì)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(zhì)子束入射到銅管壁的次級粒子及出射質(zhì)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(jiān)測系統(tǒng)的最終目標(biāo)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(jiān)測系統(tǒng)關(guān)注的是快損失，且能在最短的時間內(nèi)打開束流閘切斷束流。

3.1 探測目標(biāo)分析

由前面的計算結(jié)果可看出，質(zhì)子束打在真空管壁上主要產(chǎn)生中子、光子及電子，并在質(zhì)子束能量足夠高時，還有部分質(zhì)子穿出管壁。且總地來講，光子產(chǎn)額略高于中子，但其來源復(fù)雜，包括場致輻射及加速器部件由于活化而產(chǎn)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(zhǔn)確，但其產(chǎn)額太低。而中子僅來源于質(zhì)子束流損失，則可作為束流損失的探測目標(biāo)。當(dāng)質(zhì)子束能量足夠高時，有較大幾率穿透真空管壁，則出射質(zhì)子應(yīng)為理想的探測目標(biāo)，一方面是其能準(zhǔn)確反映束流損失水平，另一方面是其攜帶的準(zhǔn)確的位置及時間信息。

3.2 探測器類型分析

根據(jù)SNS、J-PARC 及CERN 的 經(jīng) 驗，中子與光子是主要的探測目標(biāo)。在J-PARC，基于閃爍體探測器的束流損失監(jiān)測系統(tǒng)由于其快速的時間響應(yīng)而被大量使用［7］。在SNS，對束流損失的監(jiān)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(yīng)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(chǔ)的束流損失監(jiān)測系統(tǒng)有望成為ADS及HIAF的束流損失監(jiān)測方案，但在某些特殊部件則需特殊考慮。如低能區(qū)的超導(dǎo)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(dǎo)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(yīng)、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(jié)論

本文對ADS及HIAF 均會涉及到的一系列能量的質(zhì)子束由于發(fā)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(chǎn)額、角分布及能譜等基本信息，并基于此分析了束流損失監(jiān)測的目標(biāo)及探測器的選擇方向。對于高能段，應(yīng)同時探測中子與光子，此外，穿出管壁的質(zhì)子因其攜帶準(zhǔn)確的位置及時間信息，應(yīng)是理想的探測目標(biāo)。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(qū)動次臨界潔凈核能系統(tǒng)ADS與核能可持續(xù)發(fā)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(guān)遐齡.強流質(zhì)子加速器物理與技術(shù)關(guān)鍵問題［J］.中國核科技報告，2001（0）：110-135.FU Shinian，F(xiàn)ANG 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(huán)束流損失監(jiān)測系統(tǒng)［J］.中國科學(xué)技術(shù)大學(xué)學(xué)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(shù)條件［S］.北京：中華人民共和國標(biāo)準(zhǔn)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.