空间质子探测仪器定标的10 MeV质子束源需求分析

杨垂柏，荆　涛，张申毅，张斌全

（中国科学院国家空间科学中心，北京　100190）

空间质子探测仪器定标的10 MeV质子束源需求分析

杨垂柏，荆涛，张申毅，张斌全

（中国科学院国家空间科学中心，北京100190）

分析了国内空间质子探测现状及其向着宽量程、高精度的发展趋势，并对比分析了国内外空间粒子探测仪器地面质子束源。依据空间质子能谱范围，从技术指标和业务运行角度，给出了空间质子探测仪器定标束流的加速器类型、离子源类型及束流输运和总体布局等方面需求。

空间质子探测；仪器定标；质子加速器

0　引言

我国自1970年代开展空间环境探测以来，中科院空间中心等单位研制了各类空间粒子探测仪器，应用于国内各个轨道的卫星、飞船、空间实验室等，获得了大量空间粒子环境数据，为航天器安全运行保障和科学研究提供服务［1-5］。

空间粒子辐射探测的其中一项重要任务是对空间中的质子的测量，测量能谱、方向等。空间质子存在各个日地间区域、日球层及其他区域，来自太阳、宇宙线以及行星辐射带。空间质子可能造成航天器的辐射剂量效应、原子位移效应及单粒子效应等，这些效应轻者导致航天器性能下降，重者造成系统失效。风云一号（B）卫星便是由于单粒子效应，造成自控系统损坏，而整星失效，损失巨大［2］。

通过对于空间质子通量、方向等方面进行探测，获取空间质子的能谱分布、区域分布以及变化规律等方面。从而一方面为空间粒子演化规律等研究创新提供数据支持；另外一方面为航天设计提供保障。为保证科学仪器在轨可以实现任务目标，在地面开展仪器定标是仪器研制过程中重要环节，通过地面定标可以对仪器性能和指标进行考核验证［1，4］。

粒子加速器定标是考验一台仪器性能指标的重要手段，而加速器定标重要关注的是粒子加速器，其指标性能直接影响仪器定标问题。国内外对于空间探测仪器定标所需加速器，基本上采用专用加速器和改造大型加速器方法进行［6-8］。因此，开展基于国内空间质子探测发展趋势分析的情况下，分析空间质子探测仪器定标的加速器技术指标需求。

1　空间质子探测

自从范爱伦发现地球辐射带，并且确认辐射带由质子和电子为主构成。空间质子探测成了大部分空间科学研究和空间环境监测任务内容，无论是地球空间科学卫星还是行星际探测［1-11］。通过对于空间质子探测，了解空间不同轨道辐射环境的变化特点和规律及恶劣状态，获取空间辐射环境的耦合、扩散及传播等演化机理和机制。

如图1所示，日地空间主要区域的质子能谱分布。能量上从太阳风质子eV到宇宙线质子TeV的范围，跨越了8个数量级；通量从宇宙线10-5Pa/cm2·s到太阳风1015Pa/cm2·s的范围，跨越了20个数量级［12］。

图1　日地间空间质子能谱分布

空间质子探测根据能量不同，在低端可以采用静电分析器结合微通道板实现，而在keV到MeV采用半导体望远镜方式实现，在高能量可以采用闪烁体组合及切伦科夫等方法实现。通常在空间探测领域会将低能质子探测归为空间等离子体探测，所以后继讨论均为空间高能质子探测方面。

国际经过多年的空间探测任务牵引，质子探测器已经向小型化、高精度等方面发展［9-12］。国内历经多年的发展，经过早期实践4号等航天工程起步阶段，而后在空间气象监测、载人航天及空间科学先导专项等任务需求下，不断在向高精度、宽能谱等方向推进。如下表1所示，为国内部分典型航天任务空间质子探测指标。

表1　国内典型航天任务空间质子探测指标［1，3-5］

国内空间质子探测由早期重点关注辐射带粒子测量，拓展到关注包括地球极区粒子上下行、太阳爆发、日球层等区域粒子的测量；由早期关注高能段带电粒子拓展到关注产生高能粒子的种子粒子的中、低能量段，并且同时向更高能量段进行延伸；由早期的带电粒子能谱测量，拓展到同时开展带电粒子方向分布测量。

2　空间质子探测定标

随着国内空间环境保障和空间科学研究对于空间粒子探测需求的增长，空间粒子探测内容和指标的不断拓展和深化，空间仪器定标完备和充分是科学任务实现的保证。

2.1定标内容及方法

仪器定标方法包括电子学定标、放射源定标、加速器定标的地面定标以及在轨交叉定标等。电子学定标指采用信号发生器等产生一个模拟传感器遭受粒子后形成的信号对仪器电子学进行定标的方法；放射源定标指利用放射源释放出来的粒子射线对传感器进行辐射照射的方法；而加速器定标是利用加速器模拟空间粒子对传感器进行辐射照射的方法；交叉定标指利用相近位置等因素的同类仪器之间进行相互比对的方法。

电子学定标是空间粒子探测类仪器在仪器研制过程完成，而放射源定标需要根据仪器测量范围进行选用。加速器定标是仪器在发射之前需要开展的性能和指标测试工作，开展包括能量、通量的指标测试。图2为空间粒子探测仪器定标过程示意图，待测仪器置于粒子束流源出口位置，不断调整束流参数和转台指向，完成仪器定标。

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图2　空间粒子探测仪器定标示意图

由于探测仪器在测量范围以内设置了不同阈值能档，而仪器在轨测量不同能量粒子将被归入不同能档范围以内，因此对仪器测量能量定标也就转化为对仪器能档的定标。而对仪器通量范围的定标将分解为对于仪器计数和张角的定标。如图2所示，通过转动靶室转台，并且调节粒子束流能量，将获得仪器的不同能量下张角特性。在获取了仪器计数和张角特性之后就可以获得仪器通量特性。

2.2定标所需设施

如图2所示，开展仪器定标需要有加速器束流源以及靶室等辅助设施，束流源是开展粒子探测仪器定标的核心设备。

美欧等国家由于长期开展空间粒子探测需要，如表2所示，建设了许多适用于空间仪器定标的束流源，包括粒子枪类型和加速器类型，并同时利用其他用途加速器。束源粒子能量基本覆盖了空间质子的大部分能量范围，极大支撑了空间科学任务的高质量完成，并且不断取得突破性产出。

表2　部分国外定标用质子束流源

STEREO任务的SEPT仪器的质子测量范围在60 keV～7 MeV，采用了放射源和加速器联合的定标方式，加速器定标利用了PTB实验室的范德格拉芙式加速器的质子，完成了阈值、测量效率、符合逻辑及计数率等参数定标。

国内也在风云四号气象卫星研制的航天工程牵引下，正在建设空间粒子定标专用粒子束流源，其中包括2 MeV和200 keV电子加速器和30 keV电子离子束流枪。国内目前可以被用来开展空间质子探测定标的加速器为兰州近代物理研究所重离子加速器RIBLL终端、原子能科学研究院直线加速器以及北京大学重离子加速器。其中RIBLL终端为回旋加速器的重离子与靶物质作用后产生二次质子，进行质谱筛选后再利用电磁铁装置选择定标所需要能量的质子束流输出，提供给仪器进行定标。

3　专用定标粒子束源分析

随着国内载人航天、空间天气观测、空间科学先导专项等航天任务发展需求［2-8］，一方面为空间粒子探测营造了大牵引，另一方面对仪器定标需求形成了新要求。存在的问题为：（1）仪器定标次数需求极大提高；（2）仪器定标内容也更加丰富；（3）定标仪器能量范围更宽，大型加速器能量低端较之依然偏高。使得过去依赖大型加速器开展定标或者国际协作定标的方法，将可能极大限制仪器研发进展。虽然国内依据材料辐照等需求建设有不少加速器［15］，但粒子束流通量普遍过高，并不适合空间粒子探测仪器定标需要。

中科院空间中心正在建设空间电子探测仪器定标系统，建成后将基本可以满足空间电子探测类仪器定标。已建好和正在建设的质子束流系统只是覆盖了30 keV以下能量范围，而国内正在开展的质子探测仪器研制是覆盖空间全能谱段，因此国内需要建设空间质子探测仪器定标束流系统。通过部分高能段定标采用借助国内大型加速器时外协完成，而在低能段研制专用质子加速器实现定标。

同时在工程应用业务角度出发也存在着三个方面需要：（1）加速器运行稳定可靠，仪器研制进度要求定标时间窗口有限，需要加速器高完好率、单次稳定运行时间长，可以稳定在规定时间内完成定标任务；（2）加速器操作性好，单次启动时间短，稳定快，能量点、通量点间调节时间短，运行过程安全，具有高可操作性；（3）加速器维护简单，定标用加速器服务于仪器研制，需要加速器维护人力、精力尽量少，具有高可维护性。

因此，需要采用较低能段采用专用束流源定标，而高能段借助国内已有的大型加速器实现定标。对于仪器研制过程的性能测试先利用专用束流源进行，在低能段进行充分验证，其后在大型加速器上进行较高能段的定标。

采用单台加速器在保证实现能量高端要求设计时，将难以保证低端指标同时实现，因此考虑分能量段加速器组合方法实现宽能谱。采用2台加速器联合实现30 keV～10 MeV的质子输出，从而实现涵盖内外辐射带、太阳暴质子及太阳耀斑质子。具体加速器系统研制需要考虑五个主要方面：

（1）加速器类型选择

实现30 keV～10 MeV能量段质子的加速器类型包括回旋加速器、静电加速器、倍压加速器等［16-17］，而适合连续出粒子束的为静电加速器和倍压加速器两类加速器。因此采用2台高压直流型加速器：1台实现30～300 keV低能段粒子输出，另外1台实现300 keV～10 MeV相对高能段粒子输出。300 keV质子只需要采用单级加速管就可实现，离子源引出质子进行直接加速；10 MeV质子加速器需要采用串级加速管，离子源引出离子而后剥离掉电子，获得质子后再次加速输出目标能量质子，如图3所示。

图3　高压加速器示意图

（2）离子源类型选择

不同类型离子源存在着功耗、气体利用率、引出离子等不同［16-17］，如双灯离子源具有高电离效率，国内正在研制的30 keV离子束源即是采用此类源，此类源同时存在着结构复杂的问题。本系统设置有2台加速器，2台加速器分别需要带正电一价离子和带负电一价离子。引出一价正离子也即质子的离子源安置于300 keV加速器的注入端，而引出负氢离子的离子源安装在10 MeV加速器的注入端。多种离子源可以引出正离子，而可以引出负离子只有双等离子体源、潘宁源及磁控管源等有限几类。为了将来运行阶段维护方便，2台离子源采用相同类型，都采用潘宁型，相对维护简单［17-18］，利用不同电位引出电极从放电腔体径向引出不同类型离子。

（3）束线输运类型选择

由于从离子源引出来的离子强度通常在μA量级、甚至mA量级［18］，而空间粒子探测仪器定标需要是在nA以下、甚至更低，因此需要在整个过程进行降低强度。降低束流强度的方法可以采用交流高压或交变磁场束流扫描，或者扩束方法实现。采用束流扫描的方法降强度，只是把平均强度降下来，而峰值是不会降，因此，需要采用扩束的方法实现降低降强度并提高束斑均匀性。

扩束降低流强方法通常是采用多次扩束，从而实现降低束流强度，如图4所示为两级扩束示意图。通过第1次扩束将束流扩散成圆锥形，只取圆锥中央输运管线内相对均匀性更好的部分，其余粒子将与束流管壁碰撞而被吸收；第2级扩束是将第1次扩束降强度以后的束流再次进行扩束。

图4　束流两次扩束降低流强示意图

（4）束流管线布局

2台加速器的粒子输出在同一个真空靶室，2台加速器束流管中心交汇于靶室中心。靶室中央位置设置转台，适合于将待定标仪器转向不同方向实现不同能量定标，如图5所示。地球表面存在着磁场，而磁场将对带电粒子产生偏转效应，因此在设置束线布局需要尽可能的顺着当地磁力线，避免地磁场对束流方向产生干扰。10 MeV能量的加速器1与300 keV能量的加速器2形成30°夹角，300 keV加速器束线顺着地磁场方向。

图5　定标质子加速器系统布局示意图

（5）可扩展性

随着空间科学技术的发展需求，空间中性原子观测正在成为空间活动机理和规律特性等研究有力手段［7，8，20］，因此，在国内建设中性原子束流源保障仪器定标成为必要。在质子输运管道和靶室之间，增加气体混合器和偏转结构。中性原子束流可以利用质子束流与中性气体混合获得，其后束流管道连接磁偏转或静电偏转结构，去除带电离子成分而引出中性原子进入靶室，供中性原子仪器定标。

图6　质子束流转化为中性原子束流示意图

4　小结

空间质子定标束流系统研制完成以后，可以模拟各类活动状态下空间辐射环境的质子状态，可以为国内高能质子、中能质子及中性原子探测仪器的定标提供粒子束流，为空间科学仪器数据产出的质量提供保障。

质子束流系统研制完成以后，加上国内正在建设的30 keV质子束流源，将可以提供10 MeV能量以下所有能量质子束流，进一步完善国内空间质子探测仪器研制试验测试基础设备能力，从而为稳固国内在国际上空间粒子探测一流水平提供支撑。

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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

杨垂柏（1981-），男，江西省人，副研究员，主要从事空间环境及其效应探测研究。E-mail：ycb@nssn.ac.cn。