100 MeV质子降能材料的选择研究

韩金华，覃英参，郭 刚，张艳文

(中国原子能科学研究院 国防科技工业抗辐照应用技术创新中心，北京 102413)

质子是空间辐射环境中的主要成分，其引发的单粒子效应(single event effect, SEE)是致使航天器发生在轨故障的主要因素之一[1]。质子SEE地面模拟试验是认识质子SEE机理、准确评价器件抗辐射性能的重要手段，一般都基于质子加速器开展[2]。降能器是质子加速器能量选择系统中的核心部件，可用于快速改变束流能量以获得多个能点的质子SEE截面数据，对提升试验效率具有重要意义[3-4]。

质子是通过与物质之间的碰撞损失能量来降能的，这种碰撞是随机产生的，因而会不可避免地产生能量岐离、角度岐离现象，并且质子会与物质发生核反应产生中子，这些均会对测量得到的质子SEE截面的准确性造成一定的影响[5]。除此之外，质子与降能材料发生核反应使得降能器产生感生放射性，给工作人员带来一定的安全问题。降能过程中产生的这些问题均是与降能材料密切相关的。在降能器的设计过程中，首要考虑的就是选择合适的降能材料。降能材料产生的能量岐离和角度岐离应尽量小，产生的中子本底和感生放射性应尽量低。

中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器是我国建成的首台中能质子加速器，提供的质子最高能量为100 MeV。在该加速器上建设质子SEE地面模拟试验装置不仅能填补国内中能质子SEE试验能力的空白，也能一定程度满足国内质子SEE考核试验的需求[6]。基于此，本文将对分别采用4种常见降能材料铍、石墨、铝、铜作为100 MeV质子的降能材料时产生的能量岐离、角度岐离、中子本底以及感生放射性进行计算，经分析比较，选择其中1种作为该加速器质子SEE地面模拟实验装置中降能器的降能材料。

1 计算及分析

根据SRIM程序[7]得到的质子在铍、石墨、铝、铜中的射程-能量关系(图1)可计算出以这4种材料作为降能材料时100 MeV质子在其中降低的能量与所对应的材料厚度之间的关系，示于图2。下面将以此分析在降低能量相同的情况下，这4种材料分别产生的能量岐离、角度岐离、中子本底以及感生放射性。

图1 质子在铍、石墨、铝、铜中的射程-能量关系

图2 100 MeV质子在铍、石墨、铝、铜中降低的能量与对应材料厚度之间的关系

1.1 能量岐离与角度岐离

质子的能量岐离主要是由质子与靶原子的核外电子相互作用而产生，而角度岐离主要是由质子与靶核的相互作用而产生。带电粒子在穿过厚度为t的材料后，其能量呈高斯分布，根据Bohr理论，相应的均方差参数为：

(1)

其中：z为入射粒子的原子序数；Z为靶物质的原子序数；e为电子电荷；N为单位体积内的靶核数[8-9]。其偏转角度在小散射角度内也呈高斯分布，相应的散射角半高宽θFWHM可用文献[10]中给出的修正的Highland公式来计算，即：

(2)

其中：Es=13.6 MeV；ε=0.088；p为入射粒子的动量；β为入射粒子速度与光速之比；LR为靶物质的辐射长度。该式对从低Z到高Z靶物质的计算结果的误差均在11%以内。

图3 100 MeV质子在铍、石墨、铝、铜中降低的能量与产生的能散均方差Eσ之间的关系

将图2中100 MeV质子在4种材料中降低不同能量所对应的材料厚度t代入式(1)、(2)，可计算出其降低不同能量时产生的能量岐离和角度岐离，结果如图3、4所示。可见，在使得质子降低同样能量时，材料的原子序数越低，产生的能量岐离和角度岐离越小。在4种材料中，铍使得100 MeV质子产生的能量岐离和角度岐离最小。

图4 100 MeV质子在铍、石墨、铝、铜中降低的能量与产生的散射角半高宽之间的关系

1.2 中子本底

图5 铍、石墨、铝、铜作为降能材料时分别在靶后20 cm位置产生的中子注量率

在质子SEE地面模拟试验装置的设计中，由于降能器距离测试器件较近，质子在降能过程中与材料核反应产生的中子本底也会引发器件产生SEE，从而在试验得到的质子SEE截面中引入一定的误差。本文利用蒙特卡罗程序FLUKA[11]计算了使1 nA的100 MeV质子降低特定能量的铍、石墨、铝、铜作为降能材料时，分别在靶后20 cm位置产生的中子注量率，如图5所示。在降低的能量ΔE小于70 MeV时，基本上在靶后20 cm位置产生的中子注量率φ是随ΔE升高的，这是因为ΔE越大，靶越厚，产生的中子越多。在ΔE大于70 MeV时，φ基本上是随ΔE降低的，这应是由于靶厚的增加对中子的散射更严重导致的。在4种材料中，铝产生的中子本底最低，石墨、铜产生的中子本底略高于铝，而铍产生的中子本底最高。实际上，铍只有1种稳定的同位素9Be，而质子与9Be的中子产生截面较大，9Be(p,n)反应可用作准单能中子源[12]。

1.3 感生放射性

质子与降能材料发生核反应将会产生放射性核素，而核反应中产生的低能中子使材料活化也是产生放射性核素的重要过程[13]，由此带来的放射性会给工作人员的健康带来一定的风险。放射性的相关计算也利用FLUKA来完成，该程序已成功应用于质子加速器感生放射性的模拟计算[14-15]。结合质子SEE试验的实际情况，并为方便讨论，仅考虑以下计算条件：1 nA的100 MeV质子辐照降能器1 h；分别考虑铍、石墨、铝、铜作为降能材料的4种情况，材料厚度设定为使质子能量降低90 MeV所对应的厚度，此时产生的放射性较严重；降能器之后为空气；残余剂量率的考察点设为在降能器之后20 cm的位置。利用FLUKA中的RESNUCLE卡计算了停止辐照后在铍、石墨、铝、铜中分别产生的放射性核素种类及活度，结果示于图6。利用AUXSCORE卡计算了停止辐照后，考察点的残余剂量率随冷却时间的变化，结果示于图7。另外，考虑到低能中子的活化问题，在计算中要添加LOW-NEUT卡[16]。

可见，经100 MeV质子辐照后，若铍作降能材料，则会生成10种放射性核素，主要为8Be、8Li、6He，这几种核素的半衰期很短，均小于1 s，故考察点的残余剂量率在短时间内迅速下降。若石墨作降能材料，则会生成17种放射性核素，主要为11C、8Be、8B、10C、8Li、12N，其中11C、10C的半衰期较长，分别为20.364 m、19.29 s，其余核素的半衰期均小于1 s，故考察点的残余剂量率随冷却时间的变化在很短时间(如1 min)之后主要由11C来主导。若铝作降能材料，则会生成54种放射性核素，主要为26Al、27Si、25Al、23Mg、24Na、18F、21Na、11C、15O、27Mg，其中18F、26Al半衰期较长，前者为1.83 h，而后者则长达7.17×105a，说明铝在试验后将具有长期放射性，在几年之内不同试验轮次产生的26Al几乎可认为是不断累积的。若铜作降能材料，则会生成87种放射性核素，主要为62Cu、63Zn、61Cu、60Cu、60Co、64Cu、58Co，其中61Cu、64Cu、58Co、60Co半衰期较长，分别为3.3 h、12.7 h、70.86 d、1 925.28 d，生成的60Co也将使得铜在试验之后具有长期放射性。综上，基本上材料的原子序数越小，生成的放射性核素种类越少，放射性核素的半衰期也普遍越短。这就决定了对于原子序数小的材料，考察点的残余剂量率在冷却的初始阶段下降得快，而且冷却到一定时间后，残余剂量率水平较低，如图7所示。因此，如果仅考虑感生放射性，原子序数最小的铍在这4种材料中是最适合作降能材料的。

图7 铍、石墨、铝、铜分别作为降能材料时在考察点的残余剂量率随冷却时间的变化

2 总结与讨论

在中国原子能科学研究院的100 MeV质子回旋加速器上建设质子SEE地面模拟试验装置需对降能器进行一定的设计，而设计降能器的首要问题就是降能材料的选择。本文根据Bohr理论对100 MeV质子在4种常见降能材料铍、石墨、铝、铜中产生的能量岐离进行了计算，根据Highland公式对产生的角度岐离进行了计算，利用蒙特卡罗程序FLUKA对产生的中子本底和感生放射性进行了模拟计算，其中感生放射性的计算包含了在材料中产生的放射性核素种类、活度及残余剂量率。根据相关计算结果，在降低相同的能量这一情况下，对4种材料作为降能材料的适用性进行了分析比较。

作为降能材料，铍的优点在于：原子序数最小，产生的能量岐离和角度岐离最小；生成的放射性核素种类少、寿命短，残余剂量率下降快，且在一定时间后的剂量率水平最低。但铍产生的中子本底水平最高，约是其他材料的2倍，会在试验测量的SEE截面中引入一定误差。另外，铍在空气中易形成保护性氧化层，而铍和氧化铍均有剧毒，在使用时需格外注意。石墨产生的能量岐离和角度岐离略高于铍，中子本底水平略高于铝，残余剂量率下降也较快，且在一定时间后的剂量率水平较低(略高于铍)。铝产生的能量岐离和角度岐离较大，在将100 MeV质子的能量降低90 MeV时，能量分布的均方差为0.86 MeV，散射角半高宽为44.92 mrad(即2.57°)，对于质子SEE试验也是可接受的。铝产生的中子本底水平最低。但在感生放射性方面，由于长寿命核素26Al的产生，在一定时间后，残余剂量率将一直存在，很难下降。铜在能量岐离、角度岐离、中子本底、感生放射性这4方面的表现均不如铝。基于上述讨论，石墨可认为是一种合适的降能材料。但考虑到质子SEE试验的特殊性，希望一轮试验结束后，在冷却0.5 h后进入到试验厅更换测试器件以提高试验效率，为保证辐射安全，希望此时的残余剂量率水平较低。在上文中设定的条件下冷却0.5 h时，石墨产生的残余剂量率水平是铝的5.7倍(图7)，基于这个考虑，最终选择铝作为降能材料。