HIRFL装置束流损失探测器的模拟计算与实验测试.pdf

摘要

摘要

随着加速器设计和建造技术的不断进步，束流功率逐步提升，给加速器带来

了更高的失控风险。为确保加速器的安全运行，在新建强流加速器中普遍采用了

束流损失监测系统，该系统对束流损失的测量是保障加速器安全稳定运行的基础。

塑料闪烁体探测器因其对辐射灵敏度高、响应时间快，常用于加速器的束流损失

监测。不同种类、不同能量的离子束需要相应的标定系数，通过人为制造束流损

失来校准探测器是最直接、有效的方式，由于重离子种类众多，逐一校准的成本

巨大。所以对重离子束的损失场景以及束流损失探测器进行建模仿真模拟并给出

相应的比例系数便成为了常用的手段。

本文针对兰州重离子加速器HIRFL装置的束流损失探测进行了模拟计算和实

验测试。通过分析束流经过传输线上的损失概率，为束流传输线上的束损探测器

的安装位置提供了初步依据，使用蒙特卡罗仿真软件G4beamline对实验使用到的

探测器、法拉第筒、靶室和关键的管道进行模型的仿真建模，选择合适的物理列

表对实验进行模拟仿真计算，模拟了束流损失发生在法拉第筒上产生的次级粒子

种类及塑料闪烁体探测器探测次级粒子的情况，还对H、C、N、Ar等多种重离子

束流损失产生次级产物的种类和能量沉积进行了详尽的计算，通过仿真计算结果

拟合得到比例系数，以及不同束流剖面和动量分散的情况下，会对束流损失产生

的γ射线的影响。通过模拟不同条件下的束流损失过程，获得了探测器在不同能

量和离子种类下的响应特性，为校准工作提供了宝贵的数据参考。

同时在兰州重离子加速器开展了束流实验，在容易发生束流损失的位置摆放

探测器，特别是二极铁和四极铁前后或者法拉第筒旁边，实验采用全阻挡型法拉

第筒来精确测量束流强度，并在其附近布置了塑料闪烁体探测器，用以记录束流

损失产生的次级产物信息。经过对实验数据的分析得出探测器计数与流强成正比

关系，证明探测器计数准确。并将实验测得的探测器计数的比例系数与

G4beamline模拟计算的结果进行对比，发现两者高度一致，这充分验证了利用

G4beamline进行束流损失模拟的可靠性。

关键词：蒙特卡洛；G4beamline；塑料闪烁体探测器；束流损失

I

目录

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摘要I

AbstractIII

第1章绪论1

1.1研究背景与意义1

1.2塑料闪烁体探测器国内外研究现状4

1.3本文研究工作和意义8

第2章束流损失与蒙特卡洛方法11

2.1束流损失11

2.1.1不规则损失11

2.2束流损失探测器13

2.2.1束流损失探测器测量原理14

2.2.2束流损失探测器的本质特征14

2.2.3束流损失探测器的选型17

2.3蒙特卡洛基本思想21

2.4蒙特卡洛软件22

2.4.1MCNP22

2.4.2FLUKA22

2.4.3Geant422

2.4.4G4beamline23

2.5本章小结24

第3章HIRFL装置束流损失监测系统概述25

3.1塑料束流损失探测器结构26

3.2前端电子学28

3.3后端电子学29

3.4本章小结29

第4章HIRFL装置束流损失模拟计算31

4.1建模仿真计算流程31

4.2建模仿真计算程序的编写32

4.2.1事件粒子产生32

4.2.2探测器描述和物理相互作用33

4.2.3结果输出和可视化36

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4.3HIRFL束流损