用于高能重离子探测的闪烁体Bragg峰探测器的研制

The heavy ion has wide application in the world frontier fields of plasma physics, inertial confinement fusion and heavy ion therapy and so on. It is very important for plasma physics and nuclear fusion to the energy deposition and transport process for ion beam with high energy in matter. The task, aiming at warm-dense-matter study based on a new project HIAF, will measure the information of intensity, position and time with the typical fluorescence emission to obtain accurately and quickly the position of Bragg peak using heavy ion beam which are provided by heavy ion accelerators in Lanzhou impacting on the scintillators, i.e., instantaneously diagnose the energy loss in the interaction of high-energy heavy ion and plasma and warm dense matter, and the phase transformation can be obtained by the energy loss. In addition, a liquid scintillator detector with high position resolution and sensitivity will be developed by adding the fluorescence matter in water to simulate an environment of human body. The fluorescence emission and the position of Bragg peak from the CsI(Tl) crystal induced by the high-energy C ions have been studied by the members of the research group, and the results are good. These provide the basic data for CsI(Tl) scintillator detector for the high-energy heavy ions. So this task deserves to be proceeded by systematic studied and testing.

重离子在等离子体物理研究、惯性约束聚变以及重离子诊疗等世界前沿领域具有非常重要的应用。其中，在等离子体物理以及核聚变中，强流离子束在物质中的能量沉积是最为关键的物理问题之一。本项目瞄准于国家大科学装置(HIAF)上的温稠密物质研究，旨在利用兰州重离子加速器所提供的高能、高品质的离子束与闪烁体相互作用，通过测量其特征荧光发射的强度、位置以及时间信息来更为精确地得到其Bragg峰的位置等信息，即瞬时诊断高能重离子与等离子体以及温稠密物质相互作用的能量损失及其所引起的相变。另外，利用水中添加荧光物质，模拟接近人体密度的环境，开发出一用于重离子治癌的高位置分辨的、灵敏的液体闪烁体探测器。课题组成员已经测量了高能C离子轰击CsI(Tl)晶体的荧光发射以及Bragg峰的位置，取得了理想的实验结果。这为该项目的执行提供了思路以及基础数据的支持，因此，有望通过系统化研究与测试使得这一课题得到突破。

强流重离子束在等离子体中的能量沉积是离子束驱动的高能量密度物质以及惯性约束聚变等前沿研究中的关键物理问题之一,另外，在医学研究中，重离子诊疗也具有重要的应用。加速器产生的重离子束在物质中的能量沉积会诱导荧光发射以及形成Bragg峰，精确地测量特征荧光发射的强度、位置以及时间信息可以准确地得到Bragg峰的位置等信息，即瞬时诊断高能离子与等离子体以及温稠密物质相互作用的能量损失及其相变。除此之外，利用在水中添加荧光物质模拟一种接近人体密度的环境，开发一种用于重离子治癌的液体闪烁体探测器。所发展的探测器在高能量密度物理、天体物理以及医学研究中具有重要的应用。. 该项目设计的Bragg峰探测器，为了有效地得到离子束与闪烁体相互作用的荧光发射，我们设计并制作了荧光探测的暗室，它能够对离子束和射线进行屏蔽，同时考虑了透镜、光纤以及光电探测器等的摆放。利用荧光光度计测量了闪烁体的荧光发射并进行分析；选取到了合适的荧光物质，奎宁和罗丹明B，制作了液体闪烁体，并进行了荧光辐射的测量和分析；另外，在高能重离子入射下，测量了闪烁体的荧光发射，对比得到了特征荧光发射的最佳闪烁体及入射离子。. 探寻到了合适的透镜、光纤阵列以及相匹配的光电探测系统，搭建了精确测量荧光发射和Bragg峰位等的测量系统，同时，利用标准光源对整个系统进行了标定和刻度。. 在高能离子与闪烁体的相互作用中，利用高分辨率的CCD相机拍摄了清晰的Bragg峰位，同时也得到了离子束在晶体中的径迹和剖面等信息。. 另外，受益于该项目的支持，为了有效地研究高能离子与等离子体以及温稠密物质相互作用的能量损失，我们还研究了低能离子与等离子体相互作用的能损，并得到了较好的结果。总结以上，基于目前的工作，后续将是在最佳的束靶结合下，利用滤光片提取出高能重离子的特征辐射，来对Bragg峰的位置等信息进行更为精确地测量，即得到准确的高能重离子穿过等离子体以及温稠密物质后的能损和相变信息。