100 MeV质子束流品质诊断及剂量测量准确性评估方法研究

质子辐射生物学效应是太空放射生物学和质子束放疗研究的重要基础，可为空间环境下人员的危险性评估以及质子治疗优化设计提供科学依据。依托加速器建立相应的生物样本辐照技术是开展此类研究的前提条件。中国原子能科学研究院最近建立的100 MeV强流质子回旋加速器提供的中能质子束流为目前国内能量最高，特别适合用于太空放射生物学和质子治疗相关研究。本研究中，利用在束和离线等多种手段建立了中能质子束流诊断和剂量测量方法，对加速器引出的100 MeV质子照射野大小、均匀性等束流品质以及剂量测量系统准确性进行了分析和评估。结果表明，对光子剂量响应好的LiF(Mg, Ti)热释光探测器，对90 MeV质子同样具有良好的剂量响应关系，可作为中能质子剂量准确性评估的手段之一。在5.0 cm×5.0 cm照射野范围内，加速器引出的100 MeV质子束流的均匀性好于90%，在线剂量测量系统准确性好于93%，束流品质和剂量测量条件基本满足辐射生物学的要求，可为质子辐射生物学效应研究的开展提供可靠保障。     

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.     

一种二进制降能器设计方法

为提升在中国原子能科学研究院的100 MeV质子回旋加速器上进行多能点质子单粒子效应实验的效率,针对该加速器提供的100 MeV质子设计了一种二进制降能器.降能器包括6片铝降能片,厚度分别为0.5,1,2,4,8,16,32 mm,即后一片厚度均为前一片的2倍.提出相对厚度的概念,此概念也可用来表示产生的质子能点的次序以及降能器的状态或操作.降能器产生的9.69 MeV以上的61个质子能点间隔在0.84—4.09 MeV之间,且能量岐离均在10%以下,散射角半高宽均在45 mrad以下,基本可满足质子单粒子效应实验的要求.对加速器直接提供的质子的能量精度对降能器产生的质子能点的影响进行分析,发现经降能器产生的质子能量越低,其影响也就越大.此外,降能器对加速器直接能够提供的70—100 MeV能区的质子也是适用的,且可通过增加降能片数量的方式来获得更加连续化的质子能点.本文提出的降能器设计方法简单有效,具有较强的借鉴价值.     

Irradiation effect of yttria-stabilized zirconia by high dose dual ion beam irradiation

Yttria-stabilized zirconia （YSZ） is irradiated with 2.0-MeV Au2＋ ions and 30-keV He＋ ions. Three types of He, Au, Au ＋ He （successively） ion irradiation are performed. The maximum damage level of a sequential dual ion beam implanted sample is smaller than single Au ion implanted sample. A comparable volume swelling is found in a sequential dual ion beam irradiated sample and it is also found in a single Au ion implanted sample. Both effects can be explained by the partial reorganization of the dislocation network into weakly damaged regions in the dual ion beam implanted YSZ. A vacancy-assisted helium trapping/diffusion mechanism in the dual ion beam irradiated condition is discussed. No phase transformation or amorphization behavior happens in all types of ion irradiated YSZ.     

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.