一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置的制作方法

1.本发明属于抗辐射加固技术领域，具体为一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置。


背景技术：

2.太空探索和航天技术是国家战略安全的重要支撑，是国家综合国力的体现。航天器应用于宇宙中将面临严苛的辐射环境，高能粒子穿过航天器壳体入射到器件敏感区中将会导致辐射效应的出现，严重威胁航天器的安全。影响卫星安全运行的空间辐射环境主要来源于银河宇宙射线、太阳宇宙射线和地磁捕获带的高能带电粒子，主要成分为质子和重离子，其中90％以上是质子。
3.据统计，航天器在轨故障中45％是由辐射效应引起的，其中单粒子效应占80％以上。单粒子效应的研究方法主要有空间搭载飞行试验、地面模拟试验及计算机模拟仿真等，对于电子学元器件抗辐射性能评估最常用的手段为加速器地面模拟试验。我国一直缺乏能够开展单粒子效应研究的质子加速器装置，相关研究极大依赖于国外加速器装置；且随着器件特征尺寸的减小，新结构、新工艺的引入，质子单粒子效应新的损伤机制不断出现、使得原有较大工艺特征尺寸下器件的质子单粒子效应试验方法和加固技术等在纳米尺度工艺下受到挑战。因此，迫切需要建立空间质子辐射效应模拟装置，形成质子模拟辐照实验能力。
4.严峻的空间单粒子效应影响态势，对我国各类卫星的设计研制、功能实现、使命达成构成了严重的影响，已对我国在轨卫星稳定运行形成了技术制约。因此在实验室模拟空间辐射环境，研究器件损伤机理、提出有效加固手段、准确评估器件抗质子单粒子辐射能力，是发展宇航器件抗辐照技术最直接的途径。鉴于我国长期缺乏相应模拟辐照源，在机理研究及性能评估方面受到诸多限制，我们需要建立空间质子辐照装置，形成自主可控的质子模拟辐照能力，满足我国未来器件抗质子辐射效应加固技术的发展需求，保障航天器在轨长寿命安全可靠运行。


技术实现要素：

5.为解决现有技术存在的缺陷，本发明的目的在于提供一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，使用该装置能够在不影响设备各个部件正常运行的情况下，方便地控制束流强度，获得均匀化的大面积束斑，同时可实现秒量级的能量切换，满足我国未来器件抗质子辐射效应加固技术的发展需求，保障航天器在轨长寿命安全可靠运行。
6.为达到以上目的，本发明采用的一种技术方案是：
7.一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述装置沿束流线依次设置有离子源、加速器、降束模块、束流诊断模块、扩束模块和降能模块，各部分之间通过管道连接，其中：
8.所述离子源用于稳定地输出模拟试验所需要的强质子束流，强质子束流沿管道注
入到所述加速器中加速，所述加速器输出的质子束流经所述降束模块后输出弱强度的束流；弱束流通过所述扩束模块后获得均匀化的设定面积的质子束斑；扩束后的质子束流通过所述降能模块输出单能的质子束流；
9.辐射过程中，通过所述束流诊断模块对质子束流的能量进行快速测量。
10.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，在所述离子源后端、所述加速器注入前端设置有狭缝式束流筛子，所述狭缝式束流筛子上均匀开设有一系列平行狭缝，通过调整狭缝的束流通行宽度，能够精确控制注入所述加速器的束流强度。
11.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述狭缝式束流筛子包括两片平行设置的黄铜挡板，两个所述黄铜挡板上均匀开设有一系列平行狭缝，两个所述黄铜挡板可相互平行移动，通过电机控制两个所述黄铜挡板的运动距离以调整狭缝的比例，进而控制通过束流的比例，实现调整束流强度的目的。
12.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述降束模块设置在所述加速器引出后的束流线上，所述降束模块包括用于扩大质子束流束斑面积的四级磁铁，所述四级磁铁后设置有用于降低束流强度的可调狭缝，所述四级磁铁和所述可调狭缝设置在屏蔽体内。
13.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述扩束模块包括第一散射体和第二散射体，所述第一散射体和所述第二散射体按设定间距平行设置；所述第一散射体的结构为圆饼状，所述第二散射体包括内盘和外环，所述内盘嵌在所述外环的内圈底部；所述内盘的厚度小于所述外环的厚度，能够保证束流通过所述内盘和外环时能量损失保持一致。
14.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述第一散射体和第二散射体的内盘采用高密度材料，所述第二散射体的外环采用低密度材料。
15.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述降能模块采用组合式降能器使质子能量降到设定值，所述组合式降能器由一系列不同的降能片通过特定的组合方式形成。
16.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述组合式降能器的设计方法包括以下步骤：
17.s21、根据目标质子能量和加速器的特点，选定铝或石墨作为组合式降能器的候选材料；
18.s22、利用蒙特卡罗程序计算出将加速器引出质子的能量全部阻挡需要的降能材料厚度d；
19.s23、根据加速器引出质子的能量和降能片加工精度，将厚度为d的降能片按照设定的厚度比例分割成n片；
20.s24、将所述n个降能片按照设定的方式组合形成一个降能器，且每个降能片可通过相应的驱动机构实现放下和提起两种动作；
21.s25、利用蒙特卡罗模拟方法计算不同降能片组合时，通过降能器后的质子能量；按照通过降能器后质子能量从小到大的排列顺序，确定每一种能量下各个降能片对应的动作；
22.s26、将各个降能片放下或提起的动作设定为不同的信号指令，从而设计出所述组
合式降能器的控制系统。
23.进一步，如上所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，所述束流诊断模块采用法拉第筒对所述降束模块引出后的质子束流的能量进行快速测量。
24.采用本发明所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，具有以下显著的技术效果：
25.本发明采用多级降束方式可在不影响设备各个部件正常运行的情况下，方便地控制束流强度，并且不会增加束流本底影响；采用双环双散射体扩束技术可将束斑面积均匀区域扩展到10cm
×
10cm；二进制降能器可在秒量级进行能量切换，束流诊断系统可快速测量能量注量率等参数。
附图说明
26.图1为本发明实施例中提供的一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置的功能结构示意图；
27.图2为扩束模块的结构示意图；
28.图3为以ta材料作第一散射体时，100mev质子在其中损失的能量δe1与束流在dut位置形成的高斯分布的1/e半径r1之间的关系；
29.图4为组合式降能器的布局示意图；
30.图5为多叶法拉第筒的结构原理图；
31.图6为本发明采用的法拉第筒的结构示意图。
具体实施方式
32.下面结合具体的实施例与说明书附图对本发明进行进一步的描述。
33.图1为本发明实施例中提供的一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置的结构示意图，该装置包括硬件和软件两大部分，硬件部分沿束流线依次设置有离子源1、加速器3、降束模块4、束流诊断模块7、扩束模块5和降能模块6，离子源1用于稳定地输出模拟试验所需要的强质子束流，强质子束流注入到加速器3中加速，加速器3输出的质子束流经降束模块4后输出弱强度的束流；弱束流通过扩束模块5后获得均匀化的大面积质子束斑，再通过降能模块6后输出单能的质子束流；辐射过程中，通过束流诊断模块7对质子束流能量进行快速测量。软件包括各个模块的操作控制程序及计算机，下面分别对各模块进行详细方面。
34.本发明一具体实施例中，采用的加速器3为100mev强流回旋加速器。
35.为了降低加速器3输出的束流强度，获得稳定的na量级下的弱流束，本发明在离子源1后端、加速器3注入前端设置有一台能够精确调整注入束流强度的狭缝式束流筛子2，通过电机精确调节狭缝的束流通行宽度，将多余的束流卡掉(例如95％以上的束流)，即在不影响强流离子源工作在稳定输出状态的同时降低注入线上的束流强度。狭缝式束流筛子2由两片平行设置的黄铜挡板构成，两个黄铜挡板上均匀开设有一系列平行狭缝，在电机控制下两个黄铜挡板可相互平行移动，两个挡板的运动方向与束流方向垂直，通过控制两个黄铜挡板的运动距离以调整狭缝的比例，进而控制通过束流的比例，达到调整束流强度的目的。因为该狭缝式束流筛子2安装在加速器3的注入线上，束流能量低，辐射剂量小，且不
影响离子源1状态，即离子源1可稳定输出强流束，仅在注入线上卡掉束流即可实现强流回旋加速器中弱流束的稳定输出，并且束流强度灵活可调。
36.为进一步降低束流强度，在加速器3引出后的束流线上增设有一套降束模块4，该降束模块4包括用于扩束的四级磁铁41，四级磁铁41后设置有用于降束的可调狭缝42，四级磁铁41和可调狭缝42设置在屏蔽体43内。四级磁铁41用于扩大质子束流的束斑面积，可调狭缝42可将多余的束流卡掉，进一步降低通过的束流强度。狭缝式束流筛子2和降束模块4相结合可达到大范围降低束流强度的目的，同时不影响束流品质。
37.为获得均匀化的大面积质子束斑，在降束模块4引出后的束流线上设置扩束模块5。本发明扩束模块5采用双环双散射体扩束技术以获得均匀化的大面积质子束斑，扩束模块5包括第一散射体51和第二散射体52，第一散射体51和第二散射体52按设定间距平行设置。
38.如图2所示，第一散射体51的结构为圆饼状，第二散射体52包括内盘和外环，内盘嵌在外环内圈底部，内盘的厚度小于外环厚度，一端面平齐。第一散射体51和第二散射体52的内盘采用高密度材料(如pb、ta)，第二散射体52的外环采用低密度材料(如铝al)。内盘和外环的厚度设置需保证束流通过二者时能量损失保持一致，这使得内盘较薄，外环较厚，但内盘相比于外环对束流的散射更强。束流经过第一散射体51后会有一定的扩展，形成中心强、边缘弱的高斯分布，其较强的中心部分再经内盘的较强散射，其较弱的边缘部分再经外环的较弱散射，最终在测量平面形成均匀分布。
39.下面对双环双散射体产生的束流分布函数及形成均匀分布的条件进行说明。从质子加速器引出的理想细小束流，经一散射体散射以后，束流分布在测量平面可用高斯分布函数来描述，即
[0040][0041]
其中，r是测量点到束流中心的径向距离，l是散射体到测量平面的距离，θ是散射角半高宽，r为相应高斯分布的1e半径。散射角半高宽θ标志着散射体的散射能力，θ与散射体的原子序数、密度、厚度成正相关，与入射粒子能量成负相关。
[0042]
经双环双散射体，束流分布函数f在测量平面相当于各散射体单独存在时分布函数的迭加。最终，f可表达为4个参量的函数，即
[0043]
f＝f(r1,r2/r1,a/r1,r2′
/r2)
ꢀꢀ
(2)
[0044]
其中，r1是第一散射体引起束流高斯分布的1e半径，r2、r2′
分别是第二散射体内盘和外环引起束流高斯分布的1e半径，a是第二散射体内盘和外环的交界线在测量平面的投影半径。束流经双环双散射体形成均匀分布的条件为：r2/r1～1、a/r1～1、r2′
/r2＜1，r1则决定了形成的束流均匀分布区域的半径。
[0045]
可通过模拟计算确定第一散射体51和第二散射体52的各个结构参数，使质子束流经过扩束模块5后能够得到均匀分布的设定面积的质子束斑。具体的计算过程为：
[0046]
s11、将第一散射体的厚度记为d1，对于材料ta，可计算出d1～r1关系。将100mev质子在第一散射体中的能损记为δe1，可通过srim程序的相关计算建立起d1～δe1关系，进而以d1为中介建立起δe1～r1关系，如图3所示；
[0047]
s12、考虑质子束流的扩展，令第一散射体到测量平面的初始距离l＝240cm；
[0048]
s13、考虑质子经第一散射体后需一段距离进行扩展才能让第二散射体发挥应有作用，令第一散射体到第二散射体的距离l1＝50cm；
[0049]
s14、给定r1，由r1可确定d1，进而可由d1确定δe1；
[0050]
s15、给定质子在两个散射体中的总能损δe，控制δe在10mev之内，质子在第二散射体内盘、外环中的能损均为δe-δe1，由此可确定d2、d2′
，从而r2、r2′
以及比例r2/r1、r2′
/r2也可确定；
[0051]
s16、给定比例a/r1，值控制在1附近，从而确定内盘半径a；
[0052]
s17、不断调节参数r1、δe、a/r1直至获得的d1、d2、d2′
、a能够使得束流形成均匀分布；
[0053]
s18、在蒙特卡罗程序geant4中建立双环双散射体的几何模型，模拟100mev质子入射，观察在测量平面位置的束流扩展效果，即距束流中心不同距离处的质子注量率；
[0054]
s19、不断调节参数r1、δe、a/r1直至获得的d1、d2、d2′
、a能够使得束流形成均匀分布，且在蒙特卡罗程序geant4模拟中能够得到满足要求的结果。
[0055]
为了对加速器引出的质子束流进行降能，获得单能的质子束流，在扩束模块5引出后的束流线上设置有降能模块6。为了实现该目的，现有技术是设置一系列不同厚度的降能片对加速器引出的质子束流进行降能，其特点是对于一种单能质子就需要一个降能片，若需要的单能质子能量点较多，需要制作多个降能片且使用较为繁琐。本发明采用由一系列不同的降能片通过特定的组合方式形成的组合式降能器使质子能量降到特定值。
[0056]
本发明采用的组合式降能器的设计方法包括以下步骤：
[0057]
s21、根据目标质子能量和加速器的特点，选定铝或石墨作为降能器候选材料；
[0058]
s22、利用蒙特卡罗程序计算出将加速器引出质子能量全部阻挡需要的降能材料厚度d；
[0059]
s23、将厚度为d的降能片按照一定的厚度比例分割成n片，当n＝6时，6个降能片厚度比设定为1∶2∶4∶8∶16∶32；当n＝7时，7个降能片厚度比设定为1∶2∶4∶8∶16∶32∶64；当n＝8时，8个降能片的厚度比设定为1∶2∶4∶8∶16∶32∶64：128；n也可以为其他值，取决于加速器引出质子的能量和降能片加工精度；
[0060]
s24、将这n个降能片按照一定的方式组合形成一个降能器，且每个降能片可通过相应的驱动机构实现放下和提起两种动作；
[0061]
s25、利用蒙特卡罗模拟方法计算不同降能片组合时，通过降能器后的质子能量；按照通过降能器后质子能量从小到大的排列顺序，确定每一种能量下各个降能片对应的动作；
[0062]
s26、将各个降能片放下动作设定为信号“1”，将降能片提起动作设定为“0”；例如，对于由6个降能片组成的降能器，第1、3、5降能片放下时的控制信号则为“101010”；对于由7个降能片组成的降能器相应的控制信号为“1010100”；对于8个降能片组成的降能器相应的控制信号为“10101000”，按照这样的规则设计降能器的控制系统。组合式降能器的布局示意图如图4所示。
[0063]
为了对降束模块4引出后的质子束流能量进行快速测量，在降束模块4和扩束模块5之间设置有束流诊断模块7。
[0064]
多叶法拉第筒(mlfc)是现在常用于高能质子加速器束流能量快速确认的能量测
量工具。如图5所示，mlfc由多个交替排列的导体和绝缘体组成，每个导体都与一个电流表连接。当质子进入mlfc后，会因为电离及核反应作用损失能量并停留在mlfc内，质子因为布拉格峰的存在在物质中有着固定的射程，因此大部分质子会停留在射程末端所对应的导体上，造成该导体电势升高，并且电子会被从地电位被拉到导体片上。通过测量所有导体上的电流可以得到一个电流谱，通过电流峰值所在导体片位置的厚度，可以在很短的时间里对质子能量进行探测。
[0065]
法拉第筒测量质子束流注量率的原理为直接阻挡入射的质子束流，由后接的皮安表测量电流强度，根据质子带单位正电荷则可以计算出质子束流注量率。由于法拉第筒是完全收集所测得的质子束流，因此常作为绝对测量工具，以校准其他测量工具。质子束流入射法拉第筒时还会产生二次电子，必须要收集这些电子才能保证电流强度测量的准确性。一般采取的做法是在法拉第筒入口位置设置负电压环以抑制内部二次电子逸出及外部二次电子进入电场。理论上只要法拉第筒接收到一个质子，就会产生一个相应的电流信号。但是，由于质子束流在空气中电离产生的电子空穴对和在接收电极上产生的二次电子的影响,以及电流计测量下限的限制,一般的法拉第筒可测得的最小电流在na量级。为了克服这些缺陷，本发明采用自主研制的弱束流测量用的法拉第筒对高能质子加速器束流能量进行快速测量，图6为该法拉第筒的结构示意图，该法拉第筒已申请专利并获得授权(申请号为202011419740.0，一种质子注量率测量装置及系统)。
[0066]
本发明提供的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，采用多级降束方式可在不影响设备各个部件正常运行的情况下，方便地控制束流强度，并且不会增加束流本底影响；采用双环双散射体扩束技术可将束斑面积均匀区域扩展到10cm
×
10cm；二进制降能器可在秒量级进行能量切换，束流诊断系统可快速测量能量注量率等参数。
[0067]
上述实施例只是对本发明的举例说明，本发明也可以以其它的特定方式或其它的特定形式实施，而不偏离本发明的要旨或本质特征。因此，描述的实施方式从任何方面来看均应视为说明性而非限定性的。本发明的范围应由附加的权利要求说明，任何与权利要求的意图和范围等效的变化也应包含在本发明的范围内。

技术特征：
1.一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述装置沿束流线依次设置有离子源(1)、加速器(3)、降束模块(4)、束流诊断模块(7)、扩束模块(5)和降能模块(6)，各部分之间通过管道连接，其中：所述离子源(1)用于稳定地输出模拟试验所需要的强质子束流，强质子束流沿管道注入到所述加速器(3)中加速，所述加速器(3)输出的质子束流经所述降束模块(4)后输出弱强度的束流；弱强度的束流通过所述扩束模块(5)后获得均匀化的设定面积的质子束斑；扩束后的质子束流通过所述降能模块(6)输出单能的质子束流；辐射过程中，通过所述束流诊断模块(7)对质子束流的能量进行快速测量。2.根据权利要求1所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，在所述离子源(1)后端、所述加速器(3)注入前端设置有狭缝式束流筛子(2)，所述狭缝式束流筛子(2)上均匀开设有一系列平行狭缝，通过调整狭缝的束流通行宽度，能够精确控制注入所述加速器(3)的束流强度。3.根据权利要求2所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述狭缝式束流筛子(2)包括两片平行设置的黄铜挡板，两个所述黄铜挡板上均匀开设有一系列平行狭缝，两个所述黄铜挡板可相互平行移动，通过电机控制两个所述黄铜挡板的运动距离以调整狭缝的比例，进而控制通过束流的比例，实现调整束流强度的目的。4.根据权利要求2或3所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述降束模块(4)设置在所述加速器(3)引出后的束流线上，所述降束模块(4)包括用于扩大质子束流束斑面积的四级磁铁(41)，所述四级磁铁(41)后设置有用于降低束流强度的可调狭缝(42)，所述四级磁铁(41)和所述可调狭缝(42)设置在屏蔽体(43)内。5.根据权利要求1所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述扩束模块(5)包括第一散射体(51)和第二散射体(52)，所述第一散射体(51)和所述第二散射体(52)按设定间距平行设置；所述第一散射体(51)的结构为圆饼状，所述第二散射体(52)包括内盘和外环，所述内盘嵌在所述外环的内圈底部；所述内盘的厚度小于所述外环的厚度，能够保证束流通过所述内盘和外环时能量损失保持一致。6.根据权利要求5所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述第一散射体(51)和第二散射体(52)的内盘采用高密度材料，所述第二散射体(52)的外环采用低密度材料。7.根据权利要求6所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述降能模块(6)采用组合式降能器使质子能量降到设定值，所述组合式降能器由一系列不同的降能片通过特定的组合方式形成。8.根据权利要求7所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述组合式降能器的设计方法包括以下步骤：s21、根据目标质子能量和加速器的特点，选定铝或石墨作为组合式降能器的候选材料；s22、利用蒙特卡罗程序计算出将加速器引出质子的能量全部阻挡需要的降能材料厚度d；s23、根据加速器引出质子的能量和降能片加工精度，将厚度为d的降能片按照设定的厚度比例分割成n片；
s24、将所述n个降能片按照设定的方式组合形成一个降能器，且每个降能片可通过相应的驱动机构实现放下和提起两种动作；s25、利用蒙特卡罗模拟方法计算不同降能片组合时，通过降能器后的质子能量；按照通过降能器后质子能量从小到大的排列顺序，确定每一种能量下各个降能片对应的动作；s26、将各个降能片放下或提起的动作设定为不同的信号指令，从而设计出所述组合式降能器的控制系统。9.根据权利要求1所述的空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，其特征在于，所述束流诊断模块(7)采用法拉第筒对所述降束模块(4)引出后的质子束流的能量进行快速测量。

技术总结
本发明涉及一种空间质子单粒子效应地面模拟试验装置，属于抗辐射加固技术领域，该装置沿束流线依次设置有离子源、加速器、降束模块、束流诊断模块、扩束模块和降能模块，各部分之间通过管道连接，其中离子源用于稳定地输出强质子束流，强质子束流沿管道注入到加速器中加速，加速器输出的质子束流经降束模块后输出弱束流；弱束流通过扩束模块后获得均匀化的设定面积的质子束斑；扩束后的质子束流通过降能模块输出单能的质子束流；辐射过程中，通过束流诊断模块对质子束流的能量进行快速测量。使用该装置能够在不影响设备各个部件正常运行的情况下，方便地控制束流强度，获得均匀化的大面积束斑，同时可实现秒量级的能量切换。同时可实现秒量级的能量切换。同时可实现秒量级的能量切换。


技术研发人员：郭刚 张艳文 韩金华 殷倩 刘建成 张峥
受保护的技术使用者：中国原子能科学研究院
技术研发日：2023.03.02
技术公布日：2023/5/16