中能质子注量率测量

质子是太空辐射环境中的主要粒子成分,随着半导体工艺向着小尺寸高集成度方向不断发展,质子单粒子效应不容忽视.通过加速器模拟空间辐射进行地面实验是评价质子单粒子效应最重要的手段,质子注量率的准确测量是器件考核评估过程中最关键的环节.本文基于原子能院100MeV质子单粒子效应辐照装置,突破了宽量程中能质子注量率测量技术,开发了法拉第筒、塑料闪烁体探测器和二次电子发射监督器等探测工具,可以对束流进行宽量程范围准确测量,解决了质子注量率在10~6—10~7 p·cm^-2·s^-1范围内难以测量的关键难题,并进行了注量率不确定度的分析研究,同一注量率下法拉第筒和塑料闪烁体探测器的实验测量误差与理论分析误差相符.对中能质子注量率测量达到了国际同类装置水平.该研究建立的中能质子注量率测量系统和不确定度分析方法,为准确评估元器件辐射效应奠定了基础.     

100MeV质子双环双散射体扩束方案设计

为满足质子单粒子效应实验对大面积、均匀化质子束流的需求,针对中国原子能科学研究院100 MeV质子回旋加速器提供的100 MeV质子进行了双环双散射体扩束方案设计.Geant4模拟表明该方案可在2.4 m位置产生一个均匀性为±1.89%、半径为8 cm的照射野,在5 m位置产生一个均匀性为±5.32%、半径为20 cm的照射野.此外,利用Geant4对双环双散射体扩束方法的基本原理进行了进一步探索,并对第二散射体后加速器管道、初始束斑尺寸、照射野形成距离、改变入射质子能量等实际中各种可能因素对该方案扩束效果的影响进行了讨论.     

HI-13串列加速器生物样品辐照用新终端~7Li离子束流监测诊断研究

7Li离子属于高LET辐射,是辐射生物学基础研究中常用的重离子射线之一,它是硼中子俘获治疗癌症中起关键作用的离子,在辐射诱变育种等领域也有较好的应用前景。实验在北京HI-13串列加速器R20支线生物用新终端上进行,对43 MeV~7Li离子束照射野大小、均匀性和监测注量的准确性进行测量和评估,结果表明:5.0 cm×5.0 cm范围内照射野均匀性达到91.2%;4.2×10~4~1.5×10~5particles/cm~2/s注量率范围内,两种不同探测器测得的注量率变化呈线性关系,闪烁体探测器监测的注量与CR39探测器测得的绝对注量的误差小于10%。这些束流特性能够基本满足辐射生物学实验要求,有利于进一步开展与硼中子俘获治疗癌症或辐射诱变育种中~7Li离子的辐射生物学相关研究。     

质子治疗装置的束流扩展研究

对扩展质子束流的双环双散射体方法进行了探讨, 研究了它的束流分布函数与束利用率和束分布均匀性的关系, 以及照射野形成距离的改变和束偏离对束流分布的影响. 计算了散射体的厚度与照射野的关系, 并提出了用液体散射体代替固体散射体的可能性.     

软调制双散射质子治疗束流配送系统

质子治疗是一种新兴的放射治疗方法,它的主要优点是剂量分布特性优良,可以使高辐射剂量集中于肿瘤部位,减少对周围正常组织的损伤.这一优点的实现主要依靠束流配送系统,它包含质子能量调节与调制、束流扩展和准直等功能.现提出一种新的软调制双散射质子治疗束流配送系统.其特点是利用程序控制质子能量变化以改变质子在体内的射程从而展宽Bragg峰,同时利用两次散射获得较大面积的均匀照射野.它的优点是运行可靠、调节灵活,并特别有利于实现适形治疗.     

100 MeV强流质子回旋加速器束流调试靶系统

中国原子能科学研究院正在建造一台100 MeV,200 A的强流质子回旋加速器,需要使用束流调试靶来调试加速器,为此设计了一套束流功率为20 kW的质子束调试系统。对该系统的束流输运线、靶材料的选取、靶结构、水冷计算、屏蔽结构等作了介绍。给出了整条束流输运线的匹配计算结果;通过对质子打靶后的中子产额、角通量、靶的活化等方面的比较,最终选用铝作为靶材料;根据加速器引出束流能量和功率,设计了分层式靶结构,同时对靶进行了水冷计算;打靶产生的出射粒子平均能量较高,导致产生的辐射剂量很大,考虑到对环境与工作人员的影响及费用,需要对其进行局部屏蔽,给出了屏蔽计算结果及屏蔽结构的设计。     

APTR质子同步加速器RFQ直线注入器的优化设计

为实现质子治疗装置的国产化和小型化,基于已完成安装调试的上海先进质子治疗装置(APTR),开展质子治疗注入器系统的升级设计研究,利用PARMTEQM设计软件和快聚束策略,针对APTR同步加速器RFQ直线注入器进行动力学设计模拟。RFQ工作频率为325 MHz,流强18 mA,对从离子源引出的低能质子束流进行匹配俘获、横向聚焦、纵向聚束和预加速,引出能量为3.0 MeV。通过优化预注入器RFQ动力学设计方案和极头参数,有效避免参数共振,减小束流损失,使其整体传输效率达到98.0%,在水平和垂直方向上的发射度增长分别为1.2%和3.3%,出口束流满足下一级腔体的注入需求,开展设计模拟验证和相关冗余度分析,为质子同步加速器的治疗设备和直线注入系统提供参照依据。     

中国散裂中子源加速器束流引出调试和束损优化

引出系统是中国散裂中子源快循环同步加速器的核心组成部分，对束流精确打靶和加速器稳定运行具有重要意义。首先，详细介绍了快循环同步加速器的引出系统和束流引出方案，重点介绍了一些引出系统相关的关键技术。其次，对引出束流调试进行深入研究，包括纵向束流调试、横向束流调试、引出束流分布优化等，其中纵向束流调试主要针对8个引出Kicker定时进行精确标定，横向束流调试主要指Lambertson型磁铁、8个Kicker磁铁、高能输运线模式的匹配设置。最后，对引出束流束损进行深入研究和针对性优化，探索引出束流损失的各种来源，对Lambertson型磁铁漏场、引出束团长度、Kicker波形平顶、Kicker波形变化进行深入研究并对一些新的测量方法进行详细论述。同时，对Lambertson型磁铁入口产生超大辐射热点的现象进行深入研究，寻找其产生大量束流损失的根源，并提出最终解决方案，降低引出束流损失和辐射剂量，使其满足加速器运行要求。     

小型医用质子同步加速器的慢引出设计

 围绕北京医用质子同步加速器的方案, 研究设计了1/3整数共振的慢引出系统。利用该系统, 可获得较高的引出效率(大于95% )、较小的引出束流发射度(在静电切割器处, 积分发射度为0.15πmm·mrad)、较窄的引出动量分散(0.12% ) 以及较均匀的引出束流。     

在我国开展质子治癌研究的建议

 在中国科学院高能物理研究所,已建成了我国第一台快中子治癌研究装置.它利用北京质子直线加速器提供的35MeV质子束,轰击铍靶,产生平均能量约20MeV的快中子束,经准直后用于治癌研究.在进行了大量快中子放射物理学和放射生物学实验的基础上,自1991年11月起,已正式进行临床治癌研究,至今已治疗60余病例.从结束治疗三个月以上的病例分析,有效率达80%,其中有显著效果(完全缓解)的达40%,一般有效(部分缓解)40%.     

CMOS图像传感器在质子辐照下热像素的产生和变化规律

应用于空间的图像传感器在辐射影响下产生的热像素严重影响空间光电探测性能,本文通过质子辐照试验研究了热像素的产生和变化规律。首先,使用3 MeV和10 MeV两种能量的质子对图像传感器进行辐照,分析不同能量、不同注量的质子辐照产生热像素的性质;其次,再对辐照后的器件进行退火试验,分析热像素的退火规律。对于相同注量辐照,3 MeV质子辐照下热像素产生率大约是10 MeV质子辐照下的2.3倍,但是10 MeV质子辐照产生热像素的灰度值高于3 MeV质子;辐照过程中热像素的数量都是随着注量的增加线性增加。退火过程中,热像素数量都不断减少,而3 MeV质子辐照产生的热像素相比于10 MeV质子,退火更为显著。结果表明,质子辐照下每个质子与器件之间的作用过程及产生缺陷的机制是相对独立的,不同质子的作用过程之间没有相关性。不同能量的质子辐照产生缺陷的类型不同,导致热像素具有不同特性。     

Proton radiobiology and uncertainties.

This paper briefly reviews proton radiobiology. Clinical applications of protons produced by accelerators have led to a significant biological literature that contributes to our goal of estimating the proton shielding requirements for human interplanetary missions. Protons are primarily a low-LET radiation with biological effects much like gamma radiation. There are however data indicating enhanced biological effectiveness for small doses of very low energy (<10 MeV) stopping protons, and some limited data for extremely high energy protons (>0.5 GeV).     

HI-13串列加速器生物用新终端7Li离子束流监测诊断研究

7Li离子属于高LET辐射,是辐射生物学基础研究中常用的重离子射线之一,它是硼中子俘获治疗癌症中起关键作用的离子,在辐射诱变育种等领域也有较好的应用前景。实验在北京HI-13串列加速器R20支线生物用新终端上进行,对43 MeV 7Li离子束斑大小、均匀性和监测注量的准确性进行测量和评估,结果表明:均匀性好于90%的最大束斑面积为5.0cm×5.0cm;4.2×104 ～1.5×105 particles/cm2/s注量率范围内,两种不同探测器测得的注量率变化呈线性关系,闪烁体探测器监测的注量与CR39探测器测得的绝对注量的误差小于10%。这些束流特性能够满足辐射生物学实验要求,有利于进一步开展与硼中子俘获治疗癌症或辐射诱变育种中7Li离子的辐射生物学相关研究。7Li ion with high linear energy transfer (LET) radiation has been used in radiobiological research, takes main effect in Boron Neutron Capture Therapy and is applied in radiation mutagenic breeding. This experiment was carried on the new terminal established for radiobiological application, located at the end of R20 branch beam line of HI-13 tandem accelerator. The beam qualities of 7Li ions of 43MeV generated by HI-13 tandem accelerator, including spot size and uniformity and particle fluence accuracy were measured using different detection methods. The results showed that beam uniformity was over 90% at 5cm×5cm area, the flux of S1 and M3 had a good linear relationship as particle flux ranged from 4.2×104 particles/cm2/s to 1.5×105 particles/cm2/s, and particle fluence accuracy was better than 90%. All the results showed that the beam qualities of 7Li ions finely met the basic requirements for radiation biological experiment. It provides important method to study biological effects for fundamental research and tumor therapy or radiation mutagenic breeding application associated with 7Li ions.     

发散型准直器限束孔应用于被动散射质子放疗可行性研究

被动散射质子放疗（Passive Scattering Proton Therapy,PSPT）是质子治疗的主要技术之一,束流通过准直器限束孔（Aperture）时因边缘散射效应导致患者体内剂量分布偏离理想状态。使用蒙特卡洛软件TOPAS（TOol for PArticle Simulation）对质子束流经过发散型与传统型准直器限束孔后进入水模体中的过程建模,分析两种准直器的边缘散射效应对剂量及中子能谱分布的影响,分别测试70,110,160,200,230,250 MeV能量下的质子束流,发现传统Aperture在70 MeV的质子束下边缘散射效应最明显,在距水箱表面0.5 cm深度处横向剂量曲线平坦度、均匀度分别达到4.63%,108.05%,随着深度增加边缘散射效应逐渐减弱,在布拉格峰位置处接近消失。使用发散型准直器限束孔后,在70 MeV下平坦度、均匀度分别降至1.28%,101.31%,对于100,160,200 MeV质子束均有不同程度改善。对于能量接近250 MeV的质子束,发散型准直器限束孔设置下横向剂量曲线并无优势。边缘散射效应导致的剂量不均随水深增加而减弱,对于各个能量质子,使用发散型准直器限束孔后次级中子减少。研究结果表明,发散型准直器限束孔应用于PSPT效果显著,为进一步应用于临床提供数据支撑。Passive Scattering Proton Therapy (PSPT) is one of the main technologies for proton radiation therapy. The dose distribution in the patient deviates from the ideal state due to the edge scattering effect when the beam passes through the aperture. In this paper, TOPAS, a Monte Carlo software, was used to simulate the passive scattering treatment head. The influence of the edge scattering effect of the two aperture sets on the dose distribution was compared. The proton beam at 70, 110, 160, 200, 230 and 250 MeV was tested respectively. We found that the scattering effect of the conventional aperture is most obvious at 70 MeV, and the flatness and hetergeneity of the lateral dose curve at the inlet of 0.5 cm of the tank reach 4.63%, 108.05%, respectively. The dose shift caused by the edge scattering effect decreases with increasing water depth and disappears at the Bragg peak. After using the divergent aperture, the flatness and uniformity at 70 MeV are reduced to 1.28% and 101.31%, respectively, and the 100, 160, and 200 MeV proton beams are improved in different extents. For a proton beam with an energy close to 250 MeV, there is no advantage in the lateral dose curve of the divergent aperture. For all energy protons, the secondary neutrons are reduced with divergent aperture. The results show that the divergent aperture is effective for PSPT and this study provides data support for further application in clinical practice.     

质子辐照对国产“一”字型保偏光纤损伤效应研究

航天器在空间环境中运行时,会受到质子的辐照,光纤环作为航天器上光纤陀螺的重要组成部件受辐照影响 最为严重.为了研究国产“一”字型保偏光纤因质子辐照导致辐照诱导损耗的变化规律及其辐照损伤机理, 选择质子能量为5 MeV和10 MeV,光源波长为1310 nm,原位测量了光纤传输功率变化情况,计算出辐照诱导损耗. 利用SRIM软件,模拟能量分别为5 MeV和10 MeV质子辐照在光纤中的电离和位移损伤分布.借助X 射线光电子能谱仪分析辐照前后O 1s和Si 2p解析谱,借助傅里叶变换红外光谱仪观察光纤辐照前后光谱变化情况研究发现,在波长为1310 nm处, 光纤的辐照诱导损耗随着质子注量的增加而增长,主要原因是由于光纤纤芯中Si-OH的浓度增加所导致. 而且能量为5 MeV质子辐照造成光纤的辐照诱导损耗比10 MeV严重,这是因为5 MeV质子在光纤纤芯处造成的 位移和电离损伤均比10 MeV严重,即产生的Si-OH数量多.     

A study on beam profile of an industrial electron accelerator

Experimental evaluation of electron beam profile of a recently upgraded industrial electron accelerator has been carried out to study characteristics of the beam required for the irradiation of various industrial products. Calibrated cellulose triacetate (CTA) film strip dosimeters were used for the measurement of dose profile along and transverse to the scanning direction at different distances in air under the beam extraction window in dynamic (conveyor) and static mode of operation. Two-dimensional dose distribution mapping under the beam has also been measured by using a large number of CTA strip dosimeters. The obtained result shows that the electron beam emerging out from scanning horn has a good uniformity along the scanning direction within 90% of the average maximum dose. Also, the paper reports depth dose distribution in unit density material under the 4.5?MeV beam. Using this study, area affecting dose to the product is controlled within the limit for the irradiation.     

电子束辐照对GaN基LED发光性能的影响

研究了不同能量的电子束辐照对GaN基发光二极管(Light emitting diode,LED)发光性能的影响。利用实验室提供的电子束模拟空间电子辐射,对GaN基LED外延片进行1.5,3.0,4.5 MeV电子束辐照实验,并应用光致发光(Photoluminescence,PL)谱测试发光性能。结果表明:在1.5 MeV电子束辐照下,采用10 kGy剂量辐照时,LED的发光强度增加约25%;而在100 kGy剂量辐照时,LED的发光强度降低约16%。3 MeV的电子束辐照可使原来色纯度不高的LED的色纯度变好,而更高能量的辐照将会引起器件失效。     

A comparison of ionizing radiation damage in CMOS devices from 60Co gamma rays, electrons and protons

Radiation hardened CC4007RH and non-radiation hardened CC4011 devices were irradiated using 80Co gamma rays, 1 MeV electrons and 1--9 MeV protons to compare the ionizing radiation damage of the gamma rays with the charged particles. For all devices examined, with experimental uncertainty, the radiation induced threshold voltage shifts (△Vth) generated by 60Co gamma rays are equal to that of 1 MeV electron and 1-7 MeV proton radiation under 0 gate bias condition. Under 5 V gate bias condition, the distinction of threshold voltage shifts (△Vth) generated by 60Co gamma rays and 1 MeV electrons irradiation are not large, and the radiation damage for protons below 9 MeV is always less than that of 60Co gamma rays. The lower energy the proton has, the less serious the radiation damage becomes.     

3 MeV质子辐照对AlGaN/GaN高电子迁移率晶体管的影响

研究了AlGaN/GaN 高电子迁移率晶体管(HEMT)的质子辐照效应. 在3 MeV质子辐照下, 当辐照剂量达到1× 10¹⁵ protons/cm²时, 漏极饱和电流下降了20%, 最大跨导降低了5%. 随着剂量增加, 阈值电压向正向漂移, 栅泄露电流增加. 在相同辐照剂量下, 1.8 MeV质子辐照要比3 MeV质子辐照退化严重. 从SRIM软件仿真中得到不同能量质子在AlGaN/GaN异质结中的辐射损伤区, 以及在一定深度形成的空位密度. 结合变频C-V测试结果进行分析, 表明了质子辐照引入空位缺陷可能是AlGaN/GaN HEMT器件电学特性退化的主要原因.