一种二进制降能器设计方法

韩金华; 覃英参; 郭刚; 张艳文

doi:10.7498/aps.69.20191514

摘要

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.

关键词:

Abstract

In order to improve the efficiency of the single event effect (SEE) experiments on the 100 MeV proton cyclotron of China Institute of Atomic Energy, a binary energy degrader that can lower the initial proton energy to other values rapidly is designed for the 100 MeV protons provided by the accelerator. The energy degrader is comprised of six aluminum plates of 0.5, 1, 2, 4, 8, 16 and 32 mm at thickness, where the thickness of the latter plate is twice that of the previous one. We introduce the concept of relative thickness, which can also represent the order of the energy of the produced protons, and the state or operation of the degrader. The energy interval of 61 protons with energy above 9.69 MeV, produced by the degrader, is between 0.84 MeV and 4.09 MeV. And their energy straggling degree is less than 10%, and full width at half maximum of the scattering angle is less than 45 mrad. So the energy degrader basically meets the requirements of the proton SEE experiments. The influence of the initial proton energy accuracy of the protons directly provided by the accelerator on the residual energy after they have passed through the degrader is discussed. It is found that the lower the residual energy, the greater the influence is. In addition, the degrader is also suitable for protons in the 70－100 MeV energy range that the accelerator can directly provide, and more continuous energy can be obtained by using more plates designed with this method. The design method of the energy reducer proposed in this paper is simple and effective, and has a strong reference value.

Keywords:

作者及机构信息

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

通信作者: 郭刚, ggg@ciae.ac.cn

基金项目: 国家自然科学基金(批准号: 11805281)资助的课题

Authors and contacts

National Innovation Center of Radiation Application, Department of Nuclear Physics, China Institute of Atomic Energy, Beijing 102413, China

Corresponding author: Guo Gang, ggg@ciae.ac.cn

Funds: Project supported by the National Natural Science Foundation of China (Grant No. 11805281)

文章全文 : translate this paragraph

参考文献

[1]	黄建国, 韩建伟 2004 中国科学G辑 47 540 Google Scholar Huang J G, Han J W 2004 Science in China, Ser G 47 540 Google Scholar
[2]	Han J H, Guo G 2017 AIP Adv. 7 115220 Google Scholar
[3]	罗尹虹, 张凤祁, 郭红霞, 郭晓强, 赵雯, 丁李利, 王园明 2015 64 216103 Google Scholar Luo Y H, Zhang F Q, Guo H X, Guo X Q, Zhao W, Ding L L, Wang Y M 2015 Acta Phys. Sin. 64 216103 Google Scholar
[4]	赵雯, 郭晓强, 陈伟, 邱孟通, 罗尹虹, 王忠明, 郭红霞 2015 64 178501 Google Scholar Zhao W, Guo X Q, Chen W, Qiu M T, Luo Y H, Wang Z M, Guo H X 2015 Acta Phys. Sin. 64 178501 Google Scholar
[5]	罗尹虹, 张凤祁, 王燕萍, 王圆明, 郭晓强, 郭红霞 2016 65 068501 Google Scholar Luo Y H, Zhang F Q, Wang Y P, Wang Y M, Guo X Q, Guo H X 2016 Acta Phys. Sin. 65 068501 Google Scholar
[6]	何安林, 郭刚, 陈力, 沈东军, 任义, 刘建成, 张志超, 蔡莉, 史淑廷, 王惠, 范辉, 高丽娟, 孔福全 2014 原子能科学技术 48 2364 Google Scholar He A L, Guo G, Chen L, Shen D J, Ren Y, Liu J C, Zhang Z C, Cai L, Shi S T, Wang H, Fan H, Gao L J, Kong F Q 2014 Atom. Energ. Sci. Technol. 48 2364 Google Scholar
[7]	杨海亮, 李国政, 李原春, 姜景和, 贺朝会, 唐本奇 2001 原子能科学技术 35 490 Google Scholar Yang H L, Li G Z, Li Y C, Jiang J H, He C H, Tang B Q 2001 Atom. Energ. Sci. Technol. 35 490 Google Scholar
[8]	张付强, 郭刚, 刘建成, 陈启明 2018 原子能科学技术 52 1 Zhang F Q, Guo G, Liu J C, Chen Q M 2018 Atom. Energ. Sci. Technol. 52 1
[9]	Hajdas W, Burri F, Eggle C, Harboe-Sorensen R and Marino R 2002 Proc. IEEE Radiat. Effects Data Workshop Phoenix, Arizona, American, 2002 p160
[10]	韩金华, 郭刚, 刘建成, 隋丽, 孔福全, 肖舒颜, 覃英参, 张艳文 2019 68 054104 Google Scholar Han J H, Guo G, Liu J C, Sui L, Kong F Q, Xiao S Y, Qin Y C, Zhang Y W 2019 Acta Phys. Sin. 68 054104 Google Scholar
[11]	Ziegler J F http://www.srim.org. [2019-10-6]
[12]	Ziegler J F, Ziegler M D, Biersack J P 2010 Nucl.Instr. and Meth. B 268 1818 Google Scholar
[13]	复旦大学, 清华大学, 北京大学 1985 原子核物理实验方法(上册) (第2版) (北京: 原子能出版社) 第57−60页 Fudan University, Tsinghua University, Peking University 1985 Nuclear Physics Experimental Methods (Part I) (2nd Ed.) (Beijing: Atomic Energy Press) pp57−60 (in Chinese)
[14]	Zhang Z G, Liu J, Hou M D, Sun Y M, Zhao F Z, Liu G, Han Z S, Geng C, Liu J D, Xi K, Duan J L, Yao H J, Mo D, Luo J, Gu S, and Liu T Q 2013 Chin. Phys. B 22 096103 Google Scholar
[15]	Yang Q, O’Connor D J, Wang Z L 1991 Nucl. Instr. and Meth. B 61 149 Google Scholar
[16]	Lynch G R, Dahl O I 1991 Nucl.Instr. and Meth. B 58 6 Google Scholar
[17]	Gottschalk B, Koehler A M, Schneider R J, Sisterson J M, Wagner M S 1993 Nucl.Instr. and Meth. B 74 467 Google Scholar
[18]	Particle Data Group 2004 Physics Lett. B 592 1 Google Scholar
[19]	余建国, 郁庆长 1997 高能物理与核物理 21 851 Yu J G, Yu Q C 1997 High Energ. Phys. Nuc. 21 851
[20]	鞠志萍, 曹午飞, 刘小伟 2009 58 174 Google Scholar Ju Z P, Cao W F, Liu X W 2009 Acta Phys. Sin. 58 174 Google Scholar

施引文献

图 1 采用SRIM计算得到的1−100 MeV质子在铝中的阻止本领及射程

Fig. 1. Stopping power and range of 1−100 MeV protons in aluminum calculated by SRIM.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 2 入射质子穿过64种不同降能片组合之后的能量

Fig. 2. Residual energies of the incident protons after they pass through the energy degrader with 64 kinds of combinations of 6 energy degrader plates.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 3 质子经过降能器产生的各能点质子的能量岐离程度

Fig. 3. Energy straggling degree of the resulting protons at each energy point produced by the energy degrader.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 4 经过降能器产生的各能点质子的散射角半高宽

Fig. 4. Full width at half maximum of the scattering angle of the resulting protons at each energy point produced by the energy degrader.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 5 加速器直接提供的质子能量偏差0.1 MeV时造成质子经过降能器后剩余能量的偏差情况

Fig. 5. Variation of the residual energy after the protons with the energy deviation of 0.1 MeV directly provided by the accelerator pass through the energy degrader.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 6 降能器对加速器直接提供的100, 90, 80, 70 MeV 四种能量质子的降能效果

Fig. 6. Effects of the energy degrader for the protons at 100, 90, 80 and 70 MeV directly provided by the accelerator.

下载: 全尺寸图片幻灯片

图 7 降能器使用6, 7, 8片降能片时的降能效果

Fig. 7. Effects of the energy degrader using 6, 7 and 8 aluminum plates, respectively.

下载: 全尺寸图片幻灯片

map

[1]	黄建国, 韩建伟 2004 中国科学G辑 47 540 Google Scholar Huang J G, Han J W 2004 Science in China, Ser G 47 540 Google Scholar
[2]	Han J H, Guo G 2017 AIP Adv. 7 115220 Google Scholar
[3]	罗尹虹, 张凤祁, 郭红霞, 郭晓强, 赵雯, 丁李利, 王园明 2015 64 216103 Google Scholar Luo Y H, Zhang F Q, Guo H X, Guo X Q, Zhao W, Ding L L, Wang Y M 2015 Acta Phys. Sin. 64 216103 Google Scholar
[4]	赵雯, 郭晓强, 陈伟, 邱孟通, 罗尹虹, 王忠明, 郭红霞 2015 64 178501 Google Scholar Zhao W, Guo X Q, Chen W, Qiu M T, Luo Y H, Wang Z M, Guo H X 2015 Acta Phys. Sin. 64 178501 Google Scholar
[5]	罗尹虹, 张凤祁, 王燕萍, 王圆明, 郭晓强, 郭红霞 2016 65 068501 Google Scholar Luo Y H, Zhang F Q, Wang Y P, Wang Y M, Guo X Q, Guo H X 2016 Acta Phys. Sin. 65 068501 Google Scholar
[6]	何安林, 郭刚, 陈力, 沈东军, 任义, 刘建成, 张志超, 蔡莉, 史淑廷, 王惠, 范辉, 高丽娟, 孔福全 2014 原子能科学技术 48 2364 Google Scholar He A L, Guo G, Chen L, Shen D J, Ren Y, Liu J C, Zhang Z C, Cai L, Shi S T, Wang H, Fan H, Gao L J, Kong F Q 2014 Atom. Energ. Sci. Technol. 48 2364 Google Scholar
[7]	杨海亮, 李国政, 李原春, 姜景和, 贺朝会, 唐本奇 2001 原子能科学技术 35 490 Google Scholar Yang H L, Li G Z, Li Y C, Jiang J H, He C H, Tang B Q 2001 Atom. Energ. Sci. Technol. 35 490 Google Scholar
[8]	张付强, 郭刚, 刘建成, 陈启明 2018 原子能科学技术 52 1 Zhang F Q, Guo G, Liu J C, Chen Q M 2018 Atom. Energ. Sci. Technol. 52 1
[9]	Hajdas W, Burri F, Eggle C, Harboe-Sorensen R and Marino R 2002 Proc. IEEE Radiat. Effects Data Workshop Phoenix, Arizona, American, 2002 p160
[10]	韩金华, 郭刚, 刘建成, 隋丽, 孔福全, 肖舒颜, 覃英参, 张艳文 2019 68 054104 Google Scholar Han J H, Guo G, Liu J C, Sui L, Kong F Q, Xiao S Y, Qin Y C, Zhang Y W 2019 Acta Phys. Sin. 68 054104 Google Scholar
[11]	Ziegler J F http://www.srim.org. [2019-10-6]
[12]	Ziegler J F, Ziegler M D, Biersack J P 2010 Nucl.Instr. and Meth. B 268 1818 Google Scholar
[13]	复旦大学, 清华大学, 北京大学 1985 原子核物理实验方法(上册) (第2版) (北京: 原子能出版社) 第57−60页 Fudan University, Tsinghua University, Peking University 1985 Nuclear Physics Experimental Methods (Part I) (2nd Ed.) (Beijing: Atomic Energy Press) pp57−60 (in Chinese)
[14]	Zhang Z G, Liu J, Hou M D, Sun Y M, Zhao F Z, Liu G, Han Z S, Geng C, Liu J D, Xi K, Duan J L, Yao H J, Mo D, Luo J, Gu S, and Liu T Q 2013 Chin. Phys. B 22 096103 Google Scholar
[15]	Yang Q, O’Connor D J, Wang Z L 1991 Nucl. Instr. and Meth. B 61 149 Google Scholar
[16]	Lynch G R, Dahl O I 1991 Nucl.Instr. and Meth. B 58 6 Google Scholar
[17]	Gottschalk B, Koehler A M, Schneider R J, Sisterson J M, Wagner M S 1993 Nucl.Instr. and Meth. B 74 467 Google Scholar
[18]	Particle Data Group 2004 Physics Lett. B 592 1 Google Scholar
[19]	余建国, 郁庆长 1997 高能物理与核物理 21 851 Yu J G, Yu Q C 1997 High Energ. Phys. Nuc. 21 851
[20]	鞠志萍, 曹午飞, 刘小伟 2009 58 174 Google Scholar Ju Z P, Cao W F, Liu X W 2009 Acta Phys. Sin. 58 174 Google Scholar

[1]	黄馨雨, 张晋新, 王信, 吕玲, 郭红霞, 冯娟, 闫允一, 王辉, 戚钧翔. 基于锗硅异质结双极晶体管的低噪声放大器及其反模结构的单粒子瞬态数值仿真研究. , 2024, 73(12): 126103. doi: 10.7498/aps.73.20240307
[2]	李培, 董志勇, 郭红霞, 张凤祁, 郭亚鑫, 彭治钢, 贺朝会. SiGe BiCMOS低噪声放大器激光单粒子效应研究. , 2024, 73(4): 044301. doi: 10.7498/aps.73.20231451
[3]	杨卫涛, 胡志良, 何欢, 莫莉华, 赵小红, 宋伍庆, 易天成, 梁天骄, 贺朝会, 李永宏, 王斌, 吴龙胜, 刘欢, 时光. 近存计算架构AI芯片中子单粒子效应. , 2024, 73(13): 138502. doi: 10.7498/aps.73.20240430
[4]	琚安安, 郭红霞, 张凤祁, 刘晔, 钟向丽, 欧阳晓平, 丁李利, 卢超, 张鸿, 冯亚辉. N阱电阻的单粒子效应仿真. , 2023, 72(2): 026102. doi: 10.7498/aps.72.20220125
[5]	沈睿祥, 张鸿, 宋宏甲, 侯鹏飞, 李波, 廖敏, 郭红霞, 王金斌, 钟向丽. 全耗尽绝缘体上硅氧化铪基铁电场效应晶体管存储单元单粒子效应计算机模拟研究. , 2022, 71(6): 068501. doi: 10.7498/aps.71.20211655
[6]	傅婧, 蔡毓龙, 李豫东, 冯婕, 文林, 周东, 郭旗. 质子辐照下正照式和背照式图像传感器的单粒子瞬态效应. , 2022, 71(5): 054206. doi: 10.7498/aps.71.20211838
[7]	韩金华, 郭刚, 刘建成, 隋丽, 孔福全, 肖舒颜, 覃英参, 张艳文. 100 MeV质子双环双散射体扩束方案设计. , 2019, 68(5): 054104. doi: 10.7498/aps.68.20181787
[8]	王勋, 张凤祁, 陈伟, 郭晓强, 丁李利, 罗尹虹. 中国散裂中子源在大气中子单粒子效应研究中的应用评估. , 2019, 68(5): 052901. doi: 10.7498/aps.68.20181843
[9]	罗尹虹, 郭晓强, 陈伟, 郭刚, 范辉. 欧空局监测器单粒子翻转能量和角度相关性. , 2016, 65(20): 206103. doi: 10.7498/aps.65.206103
[10]	罗尹虹, 张凤祁, 郭红霞, 郭晓强, 赵雯, 丁李利, 王园明. 纳米静态随机存储器质子单粒子多位翻转角度相关性研究. , 2015, 64(21): 216103. doi: 10.7498/aps.64.216103
[11]	李培, 郭红霞, 郭旗, 文林, 崔江维, 王信, 张晋新. 锗硅异质结双极晶体管单粒子效应加固设计与仿真. , 2015, 64(11): 118502. doi: 10.7498/aps.64.118502
[12]	赵雯, 郭晓强, 陈伟, 邱孟通, 罗尹虹, 王忠明, 郭红霞. 质子与金属布线层核反应对微纳级静态随机存储器单粒子效应的影响分析. , 2015, 64(17): 178501. doi: 10.7498/aps.64.178501
[13]	张晋新, 贺朝会, 郭红霞, 唐杜, 熊涔, 李培, 王信. 不同偏置影响锗硅异质结双极晶体管单粒子效应的三维数值仿真研究. , 2014, 63(24): 248503. doi: 10.7498/aps.63.248503
[14]	肖尧, 郭红霞, 张凤祁, 赵雯, 王燕萍, 丁李利, 范雪, 罗尹虹, 张科营. 累积剂量影响静态随机存储器单粒子效应敏感性研究. , 2014, 63(1): 018501. doi: 10.7498/aps.63.018501
[15]	张晋新, 郭红霞, 郭旗, 文林, 崔江维, 席善斌, 王信, 邓伟. 重离子导致的锗硅异质结双极晶体管单粒子效应电荷收集三维数值模拟. , 2013, 62(4): 048501. doi: 10.7498/aps.62.048501
[16]	刘必慰, 陈建军, 陈书明, 池雅庆. 带有n+深阱的三阱CMOS工艺中寄生NPN双极效应及其对电荷共享的影响. , 2012, 61(9): 096102. doi: 10.7498/aps.61.096102
[17]	刘凡宇, 刘衡竹, 刘必慰, 梁斌, 陈建军. 90 nm CMOS工艺下p+深阱掺杂浓度对电荷共享的影响. , 2011, 60(4): 046106. doi: 10.7498/aps.60.046106
[18]	蔡明辉, 韩建伟, 李小银, 李宏伟, 张振力. 临近空间大气中子环境的仿真研究. , 2009, 58(9): 6659-6664. doi: 10.7498/aps.58.6659
[19]	张庆祥, 侯明东, 刘　杰, 王志光, 金运范, 朱智勇, 孙友梅. 静态随机存储器单粒子效应的角度影响研究. , 2004, 53(2): 566-570. doi: 10.7498/aps.53.566
[20]	贺朝会, 耿斌, 杨海亮, 陈晓华, 王燕萍, 李国政. 浮栅ROM器件的辐射效应实验研究. , 2003, 52(1): 180-187. doi: 10.7498/aps.52.180

计量

文章访问数: 8237
PDF下载量: 79
被引次数: 0

姓名
邮箱
手机号码
标题
留言内容
验证码

搜索

留言板

一种二进制降能器设计方法