楊垂柏，荊　濤，張申毅，張斌全

（中國科學院國家空間科學中心，北京　100190）

空間質(zhì)子探測儀器定標的10 MeV質(zhì)子束源需求分析

楊垂柏，荊濤，張申毅，張斌全

（中國科學院國家空間科學中心，北京100190）

分析了國內(nèi)空間質(zhì)子探測現(xiàn)狀及其向著寬量程、高精度的發(fā)展趨勢，并對比分析了國內(nèi)外空間粒子探測儀器地面質(zhì)子束源。依據(jù)空間質(zhì)子能譜范圍，從技術(shù)指標和業(yè)務(wù)運行角度，給出了空間質(zhì)子探測儀器定標束流的加速器類型、離子源類型及束流輸運和總體布局等方面需求。

空間質(zhì)子探測；儀器定標；質(zhì)子加速器

0　引言

我國自1970年代開展空間環(huán)境探測以來，中科院空間中心等單位研制了各類空間粒子探測儀器，應(yīng)用于國內(nèi)各個軌道的衛(wèi)星、飛船、空間實驗室等，獲得了大量空間粒子環(huán)境數(shù)據(jù)，為航天器安全運行保障和科學研究提供服務(wù)［1-5］。

空間粒子輻射探測的其中一項重要任務(wù)是對空間中的質(zhì)子的測量，測量能譜、方向等。空間質(zhì)子存在各個日地間區(qū)域、日球?qū)蛹捌渌麉^(qū)域，來自太陽、宇宙線以及行星輻射帶?？臻g質(zhì)子可能造成航天器的輻射劑量效應(yīng)、原子位移效應(yīng)及單粒子效應(yīng)等，這些效應(yīng)輕者導(dǎo)致航天器性能下降，重者造成系統(tǒng)失效。風云一號（B）衛(wèi)星便是由于單粒子效應(yīng)，造成自控系統(tǒng)損壞，而整星失效，損失巨大［2］。

通過對于空間質(zhì)子通量、方向等方面進行探測，獲取空間質(zhì)子的能譜分布、區(qū)域分布以及變化規(guī)律等方面。從而一方面為空間粒子演化規(guī)律等研究創(chuàng)新提供數(shù)據(jù)支持；另外一方面為航天設(shè)計提供保障。為保證科學儀器在軌可以實現(xiàn)任務(wù)目標，在地面開展儀器定標是儀器研制過程中重要環(huán)節(jié)，通過地面定標可以對儀器性能和指標進行考核驗證［1，4］。

粒子加速器定標是考驗一臺儀器性能指標的重要手段，而加速器定標重要關(guān)注的是粒子加速器，其指標性能直接影響儀器定標問題。國內(nèi)外對于空間探測儀器定標所需加速器，基本上采用專用加速器和改造大型加速器方法進行［6-8］。因此，開展基于國內(nèi)空間質(zhì)子探測發(fā)展趨勢分析的情況下，分析空間質(zhì)子探測儀器定標的加速器技術(shù)指標需求。

1　空間質(zhì)子探測

自從范愛倫發(fā)現(xiàn)地球輻射帶，并且確認輻射帶由質(zhì)子和電子為主構(gòu)成。空間質(zhì)子探測成了大部分空間科學研究和空間環(huán)境監(jiān)測任務(wù)內(nèi)容，無論是地球空間科學衛(wèi)星還是行星際探測［1-11］。通過對于空間質(zhì)子探測，了解空間不同軌道輻射環(huán)境的變化特點和規(guī)律及惡劣狀態(tài)，獲取空間輻射環(huán)境的耦合、擴散及傳播等演化機理和機制。

如圖1所示，日地空間主要區(qū)域的質(zhì)子能譜分布。能量上從太陽風質(zhì)子eV到宇宙線質(zhì)子TeV的范圍，跨越了8個數(shù)量級；通量從宇宙線10-5Pa/cm2·s到太陽風1015Pa/cm2·s的范圍，跨越了20個數(shù)量級［12］。

圖1　日地間空間質(zhì)子能譜分布

空間質(zhì)子探測根據(jù)能量不同，在低端可以采用靜電分析器結(jié)合微通道板實現(xiàn)，而在keV到MeV采用半導(dǎo)體望遠鏡方式實現(xiàn)，在高能量可以采用閃爍體組合及切倫科夫等方法實現(xiàn)。通常在空間探測領(lǐng)域會將低能質(zhì)子探測歸為空間等離子體探測，所以后繼討論均為空間高能質(zhì)子探測方面。

國際經(jīng)過多年的空間探測任務(wù)牽引，質(zhì)子探測器已經(jīng)向小型化、高精度等方面發(fā)展［9-12］。國內(nèi)歷經(jīng)多年的發(fā)展，經(jīng)過早期實踐4號等航天工程起步階段，而后在空間氣象監(jiān)測、載人航天及空間科學先導(dǎo)專項等任務(wù)需求下，不斷在向高精度、寬能譜等方向推進。如下表1所示，為國內(nèi)部分典型航天任務(wù)空間質(zhì)子探測指標。

表1　國內(nèi)典型航天任務(wù)空間質(zhì)子探測指標［1，3-5］

國內(nèi)空間質(zhì)子探測由早期重點關(guān)注輻射帶粒子測量，拓展到關(guān)注包括地球極區(qū)粒子上下行、太陽爆發(fā)、日球?qū)拥葏^(qū)域粒子的測量；由早期關(guān)注高能段帶電粒子拓展到關(guān)注產(chǎn)生高能粒子的種子粒子的中、低能量段，并且同時向更高能量段進行延伸；由早期的帶電粒子能譜測量，拓展到同時開展帶電粒子方向分布測量。

2　空間質(zhì)子探測定標

隨著國內(nèi)空間環(huán)境保障和空間科學研究對于空間粒子探測需求的增長，空間粒子探測內(nèi)容和指標的不斷拓展和深化，空間儀器定標完備和充分是科學任務(wù)實現(xiàn)的保證。

2.1定標內(nèi)容及方法

儀器定標方法包括電子學定標、放射源定標、加速器定標的地面定標以及在軌交叉定標等。電子學定標指采用信號發(fā)生器等產(chǎn)生一個模擬傳感器遭受粒子后形成的信號對儀器電子學進行定標的方法；放射源定標指利用放射源釋放出來的粒子射線對傳感器進行輻射照射的方法；而加速器定標是利用加速器模擬空間粒子對傳感器進行輻射照射的方法；交叉定標指利用相近位置等因素的同類儀器之間進行相互比對的方法。

電子學定標是空間粒子探測類儀器在儀器研制過程完成，而放射源定標需要根據(jù)儀器測量范圍進行選用。加速器定標是儀器在發(fā)射之前需要開展的性能和指標測試工作，開展包括能量、通量的指標測試。圖2為空間粒子探測儀器定標過程示意圖，待測儀器置于粒子束流源出口位置，不斷調(diào)整束流參數(shù)和轉(zhuǎn)臺指向，完成儀器定標。

本報訊近日，為切實提高黨員干部廉潔自律意識和法紀觀念，增強“四個意識”，湖北省黃麥嶺控股集團有限公司黨委組織公司領(lǐng)導(dǎo)、各支部書記、分子公司及職能部門負責人、紀檢專員等30余人，赴湖北省反腐倡廉警示教育基地洪山監(jiān)獄和武昌農(nóng)民運動講習所舊址紀念館開展警示教育和“不忘初心廉潔自律”的“主題黨日+”活動。

圖2　空間粒子探測儀器定標示意圖

由于探測儀器在測量范圍以內(nèi)設(shè)置了不同閾值能檔，而儀器在軌測量不同能量粒子將被歸入不同能檔范圍以內(nèi)，因此對儀器測量能量定標也就轉(zhuǎn)化為對儀器能檔的定標。而對儀器通量范圍的定標將分解為對于儀器計數(shù)和張角的定標。如圖2所示，通過轉(zhuǎn)動靶室轉(zhuǎn)臺，并且調(diào)節(jié)粒子束流能量，將獲得儀器的不同能量下張角特性。在獲取了儀器計數(shù)和張角特性之后就可以獲得儀器通量特性。

2.2定標所需設(shè)施

如圖2所示，開展儀器定標需要有加速器束流源以及靶室等輔助設(shè)施，束流源是開展粒子探測儀器定標的核心設(shè)備。

美歐等國家由于長期開展空間粒子探測需要，如表2所示，建設(shè)了許多適用于空間儀器定標的束流源，包括粒子槍類型和加速器類型，并同時利用其他用途加速器。束源粒子能量基本覆蓋了空間質(zhì)子的大部分能量范圍，極大支撐了空間科學任務(wù)的高質(zhì)量完成，并且不斷取得突破性產(chǎn)出。

表2　部分國外定標用質(zhì)子束流源

STEREO任務(wù)的SEPT儀器的質(zhì)子測量范圍在60 keV～7 MeV，采用了放射源和加速器聯(lián)合的定標方式，加速器定標利用了PTB實驗室的范德格拉芙式加速器的質(zhì)子，完成了閾值、測量效率、符合邏輯及計數(shù)率等參數(shù)定標。

國內(nèi)也在風云四號氣象衛(wèi)星研制的航天工程牽引下，正在建設(shè)空間粒子定標專用粒子束流源，其中包括2 MeV和200 keV電子加速器和30 keV電子離子束流槍。國內(nèi)目前可以被用來開展空間質(zhì)子探測定標的加速器為蘭州近代物理研究所重離子加速器RIBLL終端、原子能科學研究院直線加速器以及北京大學重離子加速器。其中RIBLL終端為回旋加速器的重離子與靶物質(zhì)作用后產(chǎn)生二次質(zhì)子，進行質(zhì)譜篩選后再利用電磁鐵裝置選擇定標所需要能量的質(zhì)子束流輸出，提供給儀器進行定標。

3　專用定標粒子束源分析

隨著國內(nèi)載人航天、空間天氣觀測、空間科學先導(dǎo)專項等航天任務(wù)發(fā)展需求［2-8］，一方面為空間粒子探測營造了大牽引，另一方面對儀器定標需求形成了新要求。存在的問題為：（1）儀器定標次數(shù)需求極大提高；（2）儀器定標內(nèi)容也更加豐富；（3）定標儀器能量范圍更寬，大型加速器能量低端較之依然偏高。使得過去依賴大型加速器開展定標或者國際協(xié)作定標的方法，將可能極大限制儀器研發(fā)進展。雖然國內(nèi)依據(jù)材料輻照等需求建設(shè)有不少加速器［15］，但粒子束流通量普遍過高，并不適合空間粒子探測儀器定標需要。

中科院空間中心正在建設(shè)空間電子探測儀器定標系統(tǒng)，建成后將基本可以滿足空間電子探測類儀器定標。已建好和正在建設(shè)的質(zhì)子束流系統(tǒng)只是覆蓋了30 keV以下能量范圍，而國內(nèi)正在開展的質(zhì)子探測儀器研制是覆蓋空間全能譜段，因此國內(nèi)需要建設(shè)空間質(zhì)子探測儀器定標束流系統(tǒng)。通過部分高能段定標采用借助國內(nèi)大型加速器時外協(xié)完成，而在低能段研制專用質(zhì)子加速器實現(xiàn)定標。

同時在工程應(yīng)用業(yè)務(wù)角度出發(fā)也存在著三個方面需要：（1）加速器運行穩(wěn)定可靠，儀器研制進度要求定標時間窗口有限，需要加速器高完好率、單次穩(wěn)定運行時間長，可以穩(wěn)定在規(guī)定時間內(nèi)完成定標任務(wù)；（2）加速器操作性好，單次啟動時間短，穩(wěn)定快，能量點、通量點間調(diào)節(jié)時間短，運行過程安全，具有高可操作性；（3）加速器維護簡單，定標用加速器服務(wù)于儀器研制，需要加速器維護人力、精力盡量少，具有高可維護性。

因此，需要采用較低能段采用專用束流源定標，而高能段借助國內(nèi)已有的大型加速器實現(xiàn)定標。對于儀器研制過程的性能測試先利用專用束流源進行，在低能段進行充分驗證，其后在大型加速器上進行較高能段的定標。

采用單臺加速器在保證實現(xiàn)能量高端要求設(shè)計時，將難以保證低端指標同時實現(xiàn)，因此考慮分能量段加速器組合方法實現(xiàn)寬能譜。采用2臺加速器聯(lián)合實現(xiàn)30 keV～10 MeV的質(zhì)子輸出，從而實現(xiàn)涵蓋內(nèi)外輻射帶、太陽暴質(zhì)子及太陽耀斑質(zhì)子。具體加速器系統(tǒng)研制需要考慮五個主要方面：

（1）加速器類型選擇

實現(xiàn)30 keV～10 MeV能量段質(zhì)子的加速器類型包括回旋加速器、靜電加速器、倍壓加速器等［16-17］，而適合連續(xù)出粒子束的為靜電加速器和倍壓加速器兩類加速器。因此采用2臺高壓直流型加速器：1臺實現(xiàn)30～300 keV低能段粒子輸出，另外1臺實現(xiàn)300 keV～10 MeV相對高能段粒子輸出。300 keV質(zhì)子只需要采用單級加速管就可實現(xiàn)，離子源引出質(zhì)子進行直接加速；10 MeV質(zhì)子加速器需要采用串級加速管，離子源引出離子而后剝離掉電子，獲得質(zhì)子后再次加速輸出目標能量質(zhì)子，如圖3所示。

圖3　高壓加速器示意圖

（2）離子源類型選擇

不同類型離子源存在著功耗、氣體利用率、引出離子等不同［16-17］，如雙燈離子源具有高電離效率，國內(nèi)正在研制的30 keV離子束源即是采用此類源，此類源同時存在著結(jié)構(gòu)復(fù)雜的問題。本系統(tǒng)設(shè)置有2臺加速器，2臺加速器分別需要帶正電一價離子和帶負電一價離子。引出一價正離子也即質(zhì)子的離子源安置于300 keV加速器的注入端，而引出負氫離子的離子源安裝在10 MeV加速器的注入端。多種離子源可以引出正離子，而可以引出負離子只有雙等離子體源、潘寧源及磁控管源等有限幾類。為了將來運行階段維護方便，2臺離子源采用相同類型，都采用潘寧型，相對維護簡單［17-18］，利用不同電位引出電極從放電腔體徑向引出不同類型離子。

（3）束線輸運類型選擇

由于從離子源引出來的離子強度通常在μA量級、甚至mA量級［18］，而空間粒子探測儀器定標需要是在nA以下、甚至更低，因此需要在整個過程進行降低強度。降低束流強度的方法可以采用交流高壓或交變磁場束流掃描，或者擴束方法實現(xiàn)。采用束流掃描的方法降強度，只是把平均強度降下來，而峰值是不會降，因此，需要采用擴束的方法實現(xiàn)降低降強度并提高束斑均勻性。

擴束降低流強方法通常是采用多次擴束，從而實現(xiàn)降低束流強度，如圖4所示為兩級擴束示意圖。通過第1次擴束將束流擴散成圓錐形，只取圓錐中央輸運管線內(nèi)相對均勻性更好的部分，其余粒子將與束流管壁碰撞而被吸收；第2級擴束是將第1次擴束降強度以后的束流再次進行擴束。

圖4　束流兩次擴束降低流強示意圖

（4）束流管線布局

2臺加速器的粒子輸出在同一個真空靶室，2臺加速器束流管中心交匯于靶室中心。靶室中央位置設(shè)置轉(zhuǎn)臺，適合于將待定標儀器轉(zhuǎn)向不同方向?qū)崿F(xiàn)不同能量定標，如圖5所示。地球表面存在著磁場，而磁場將對帶電粒子產(chǎn)生偏轉(zhuǎn)效應(yīng)，因此在設(shè)置束線布局需要盡可能的順著當?shù)卮帕€，避免地磁場對束流方向產(chǎn)生干擾。10 MeV能量的加速器1與300 keV能量的加速器2形成30°夾角，300 keV加速器束線順著地磁場方向。

圖5　定標質(zhì)子加速器系統(tǒng)布局示意圖

（5）可擴展性

隨著空間科學技術(shù)的發(fā)展需求，空間中性原子觀測正在成為空間活動機理和規(guī)律特性等研究有力手段［7，8，20］，因此，在國內(nèi)建設(shè)中性原子束流源保障儀器定標成為必要。在質(zhì)子輸運管道和靶室之間，增加氣體混合器和偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)。中性原子束流可以利用質(zhì)子束流與中性氣體混合獲得，其后束流管道連接磁偏轉(zhuǎn)或靜電偏轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)，去除帶電離子成分而引出中性原子進入靶室，供中性原子儀器定標。

圖6　質(zhì)子束流轉(zhuǎn)化為中性原子束流示意圖

4　小結(jié)

空間質(zhì)子定標束流系統(tǒng)研制完成以后，可以模擬各類活動狀態(tài)下空間輻射環(huán)境的質(zhì)子狀態(tài)，可以為國內(nèi)高能質(zhì)子、中能質(zhì)子及中性原子探測儀器的定標提供粒子束流，為空間科學儀器數(shù)據(jù)產(chǎn)出的質(zhì)量提供保障。

質(zhì)子束流系統(tǒng)研制完成以后，加上國內(nèi)正在建設(shè)的30 keV質(zhì)子束流源，將可以提供10 MeV能量以下所有能量質(zhì)子束流，進一步完善國內(nèi)空間質(zhì)子探測儀器研制試驗測試基礎(chǔ)設(shè)備能力，從而為穩(wěn)固國內(nèi)在國際上空間粒子探測一流水平提供支撐。

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THE REQUIREMENTS OF CALIBRATION PROTON BEAM FOR SPACE PARTICLE INSTRUMENT

YANG Chui-bai，JING Tao，ZHANG Shen-yi，ZHANG Bin-quan
（National Space Science Center，ChineseAcademy of Sciences，Beijing，100190）

The trend of space proton exploration is reviewed，which is more wider band spectrum，and more precise. The compare of different calibration proton beam systems is also done.According to the space proton spectrum and space engineering，proton accelerator type choice，the ion source type choice，ion transportation type choice，and the accelerators layout are provided.

space proton detection；space instrument calibration；proton accelerator

V423.6

A

1006-7086（2015）01-0015-05

10.3969/j.issn.1006-7086.2015.01.004

2014-09-05

楊垂柏（1981-），男，江西省人，副研究員，主要從事空間環(huán)境及其效應(yīng)探測研究。E-mail：ycb@nssn.ac.cn。