气体闪烁体光学方法测量带电粒子能谱概述

王冠鹰+欧阳晓平+颜俊尧+何锦成

摘 要：带电粒子束能谱测量的光学方法是一种基于获取带电粒子在气体闪烁体内发光图像的测量方法。它具有测量直观、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等突出优点。该文简要介绍了气体闪烁体光学方法测量带电粒子能谱的基本原理、关键技术以及所涉及的主要过程。

关键词：气体闪烁体 光学方法 能谱测量 Geant4

中图分类号：TL816 文献标识码：A 文章编号：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

为了解决现有的带电粒子束能量测量方法及装置结构复杂、使用时受辐射场强度限制等技术问题[1]，测量带电粒子能谱的光学方法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，发展了一种新的基于闪烁图像直接读出的探测器，并用于粒子能量测量。

带电粒子束入射到气体闪烁体中，粒子沿径迹沉积能量并激发气体闪烁体发光，采用CCD相机获取气体闪烁发光图像，入射带电粒子能量与收集到的闪烁发光图像一一对应，根据图像反演可求解得到入射粒子束的能谱。这种成像测量的方法本质是依据带电粒子束径迹长度确定能量，粒子径迹分布只取决于气体闪烁体和粒子本身，而不受源脉冲状态的限制。光学成像的测量方法既可应用于脉冲辐射场，又可实现对强流稳态辐射场带电粒子束能谱的测量。

该文概述了气体闪烁体的发光机理、闪烁图像光学方法测量原理，并对如何求解带电粒子能谱的方法进行了介绍。

1 气体闪烁发光原理

气体作为闪烁体的发光材料，具有以下突出优点[2]：发光衰减时间快、通过气压调节便于控制阻止本领、发光强度与粒子能量沉积在很广的能量范围内线性很好，闪烁图像强度能够准确反映粒子的能量沉积分布、气体密度比固体（液体）材料的密度低3～4量级，同样能量差的质子束的径迹长度在气体中区分明显便于实现精细的能量分辨。此外，制备简单、性能可靠、气体价格便宜、使用方便、扩展性强，可以做成多种合适的形状以用于具体需求。

带电粒子能量通过2种方式转移到气体原子：电离和激发。电离过程：入射粒子与气体原子的核外电子之间存在库仑力作用，传递给电子的能量足以克服原子束缚而成为自由电子，气体分子分离成为一个自由电子和一个正离子。激发过程：入射粒子与气体原子的核外电子之间的库仑力作用，传递给电子的能量使它从低能级状态跃迁到较高能级状态，激发态原子不稳定，随后原子从激发态跃迁回到基态而退激，退激时释放出来的能量以光的形式发射出来，释放出的光子具有特定能量特征。在电离过程中，产生的自由电子如果具有足够能量会产生更多的电子-离子对或者引起原子激发。总体过程可表示为：

R+A→e+A++R'

R+A→A*+R'

e+A+→A* （1）

其中，R为入射带电粒子，A为闪烁气体原子，它电离和激发产生电子e和离子A+，A*为激发态的原子。激发态的原子通过发出光子释放能量（辐射过程），如下：

A*→A+hνa （2）

或者转变为热（非辐射过程）。气体原子发出的光hνa具有特定的能量特征，在光谱中表现为线状谱。

在气体较稠密状态下（n～1019 cm-3），三体碰撞的概率增加而形成激发态的分子或二聚物：

A*+2A→A2*+A （3）

处于激发态的气体分子的退激是另一種形式，发出的光子在光谱中表现为连续谱分布。

A2*→2A+hνm （4）

线状谱hνa和连续谱hνm构成了闪烁光谱的主要成分，一个典型的气体闪烁体闪烁发光的光谱图如图1所示。

2 带电粒子能谱测量

利用Geant4（Geometry and Tracking，几何与径迹）建立了相关模型[4]，得到了质子束在气体闪烁体内的输运过程。气体闪烁体发光几乎线性，在很宽的能量范围内发光强度与入射粒子的能量沉积成正比[2]。气体闪烁体发光是均匀分布的，而光子的输运过程占用资源过大，所以在模拟中以能量沉积分布代替发光的强度分布。计算了5～10 MeV的质子在4 atm的Ar+（10%）CF4中的能量沉积分布。所选用的闪烁气体在很宽的能量和dE/dx范围内，发光产额与能量沉积几乎呈线性关系，质子束在闪烁气体内的能量沉积位置与Bragg峰分布相同，在其射程的最末端也是沉积能量最大处、光强的最大处。垂直于质子入射方向，质子束随着入射的深入，存在一定的横向展宽，这是由于气体分子对质子束的散射作用。入射粒子在气体闪烁体内的闪烁发光分布与能量相关，可根据闪烁图像的分布对粒子的能量进行求解。

对于闪烁图像反演求解入射质子能量，我们分别采用了基于图像提取特征量的矩阵图像-能谱反演求解方法和利用射程与能量关系的射程-能谱反演求解方法2种方案，对同样的未知分布入射质子能谱进行求解计算。

2.1 图像-能谱反演求解

图像反演入射质子束的能谱分布是一个典型的反问题，反问题的求解关键在于建立反演的数学模型[5]。直接记录的气体闪烁发光图像是一个二维的分布，而能谱分布则是一个一维的分布。选取入射方向的Bragg曲线作为二维分布的特征量，而一定能量分布质子所激发的闪烁发光图像被认为是一系列单能质子激发的闪烁发光图像的加权叠加，以此构建了从能量空间到气体闪烁发光的响应R：

式中：μ为入射质子的能谱，待求量；ν为气体闪烁体发光图像的分布，已知量。

该能谱反演问题可进一步转换为最小二乘问题，进行求解：

然后采用势下降内点算法对其进行求解计算[6]。图2计算了一个中心值为8.0 MeV，FWHM（半高全宽，The full width at half maximum）为0.5 MeV的反演结果，对求解结果进行拟合，与能谱真实分布相符。

2.2 射程-能谱反演求解

根据不同能量的质子束在闪烁气体中的射程，建立了质子束的射程-能量对应关系，并对其进行线性拟合，结果如图3所示。拟合结果由图可见效果很好，由此得到了能量在5～10 MeV范围内的质子与4 atm的Ar+（10%）CF4作用的射程-能量关系。粒子的能量由其射程标定，在该点的闪烁光强度表征了强度的大小，这就是射程-能谱反演求解的基本原理。

图4所示为利用射程-能谱反演求解方法对同一个中心值为8.0 MeV，FWHM为0.5 MeV的能谱的反演结果。

3 结语

带电粒子束能量的光学测量方法能同时应用于稳态和脉冲辐射场，测量结果能量分辨好、量程范围宽且简单方便可调，该方法已通过模拟分析和实验验证得到证明。这种方法为能谱测量探索出一条新的技术途径。

参考文献

[1] 欧阳晓平.脉冲中子伽马探测系统性能表征与设计技术[J].中国工程科学，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.一种脉冲粒子束能谱测量的光学方法研究[A].中国核学会.中国核科学技术进展报告（第三卷）——中国核学会2013年学术年会论文集第8册（辐射研究与应用分卷、同位素分卷、核农学分卷、辐射物理分卷）[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.