K熒光X射線輻射裝置設計與模擬

陳　成，吳金杰，李　論，楊　揚

K熒光X射線輻射裝置設計與模擬

陳成1，2，吳金杰2，李論1，2，楊揚2

（1.成都理工大學，四川成都610059；2.中國計量科學研究院，北京100013）

針對K熒光具有穩(wěn)定性高、劑量率大、可控性好等優(yōu)點，設計一套K熒光X射線輻射裝置，為核輻射探測器在低能區(qū)能量響應呈現出非線性變化趨勢提供計量保障。梯形結構設計縮短光束路徑，同時有效降低散射干擾；提出以K吸收緣介于輻射體Kα和Kβ線之間的材料為次級過濾器，消除L線并減小Kβ相對于Kα線的強度得到參考輻射場。通過蒙特卡羅程序模擬，結果表明：在8.64～98.4 keV能量范圍內，可以找到相應的K吸收緣獲取純度較高的單能熒光參考輻射場。

熒光X射線；K吸收緣；MC模擬；輻射體；初、次級過濾

doi：10.11857/j.issn.1674-5124.2015.09.015

0　引言

在低能區(qū)，光子與物質的相互作用截面數值隨光子能量和物質原子序數的不同而急劇變化。促使核輻射探測器在低能區(qū)響應隨能量變化大，微小的能量差別都可能使儀器儀表出現較大的響應變化。因此，需要建立能量準確已知、空氣比釋動能率適宜的低能參考輻射場，為核儀器儀表能量響應的準確測量提供計量保障。

放射性同位素適用于探測器能量和效率刻度，由于放射源無時無刻都在衰減，長時間使用需要對半衰期系數進行修正［1］；由于其體積較小，保存、運輸、管理較為復雜，時常有放射源丟失造成財產損失的報道。利用布拉格原理［2］，通過雙晶體衍射分離出的單能光子可以應用于探測器計量刻度；其能量點多、純度也非常高，有一定應用范圍，但輻射束小、劑量率低，有一定的局限性。同步輻射源產生的輻射束大、劑量率高、能量點多，但是建立同步輻射裝置耗資巨大，設備維護也很昂貴，占地面積大，使用極其不方便［3-5］。K熒光輻射源能夠有效實現的能量范圍為8.64～98.4keV，滿足探測器在低能段計量刻度，相對于其他單能輻射源，K熒光有純度高、輻射束大、能量點多、可控性好等諸多優(yōu)點［6］，現已經逐漸受到重視。

目前，國外已陸續(xù)建立了K熒光輻射源裝置［7］，國內還處于起步階段，關于K熒光輻射源的應用研究較少。本文設計的一體化K熒光X射線輻射裝置結構緊湊穩(wěn)固，并能根據Kα、Kβ能量差找到相應的K吸收緣材料，過濾掉L線并減小Kβ進而實現單能熒光參考輻射場。

1　K熒光輻射源原理

用初級輻射源激發(fā)次級靶，主要產生K、L熒光輻射［8］，包括L、Kα1、Kα2、Kβ1、Kβ25條譜線，部分熒光材料產生的Kα1與Kα2、Kβ1與Kβ2能量相差＜0.05keV，采用儀器難以進行分辨，Kα與Kβ能量相差＞1 keV，相對于Kα過濾掉L線并降低Kβ到可接受的程度，可認為得到能量為Kα的單能熒光參考輻射場。其原理如圖1所示。

圖1　初級輻射源激發(fā)輻射體熒光原理

2　K熒光X射線輻射裝置

如圖2所示，設計裝置主要由X射線機、初級過濾器、初級光闌、輻射體、次級過濾器、次級光闌、捕集器以及監(jiān)測電離室組成。整個外層加一個鉛屏蔽箱，防止外界環(huán)境的干擾。

圖2　K熒光X射線輻射裝置圖

2.1初級輻射源

以X射線機為初級輻射源，X射線管的靶為反射型靶材，靶面取向與轟擊電子方向的夾角小，散射低；管高壓要求穩(wěn)定，其變化不超過預置電壓的±5%，確保產生熒光的穩(wěn)定性。

2.2初級過濾器

由于X射線機是以軔致輻射為背景產生光子，得到一個連續(xù)的譜，使用初級過濾器過濾對產生熒光沒有貢獻的低能部分光子。初級過濾一般采用高純度鋁制片（純度＞99.99%），根據激發(fā)熒光能量不同，厚度分別為0.5mm和1mm［9］，為了準確驗證初級過濾的作用，通過蒙特卡羅模擬軟件確定初級輻射源經過初級過濾的譜。模擬入射源選用德國聯邦物理技術研究院（PTB）實驗室管電壓為100 kV未經過濾的鎢靶譜數據，所用初級過濾為1mm Al（具體參數見表1），模擬結果如圖3、圖4所示。

表1　低能K熒光X射線輻射裝置的輻射體和過濾材料參數1）

從圖中可以看出，初級過濾器Al能有效過濾能量在20 keV以下的低能光子，是提高熒光純度的重要組成部分。

2.3初級光闌

初級光闌保證X射線機射線束面積限定在輻射體面積之內，以便將來自輻射體支撐物和熒光器件壁的外部散射輻射減到最小，初級光闌材料為高純度鉛（純度＞99.9%）。

2.4次級光闌

次級光闌用于限定熒光輻射束的發(fā)射角，使出射的熒光呈錐形，不僅可以減少來自環(huán)境的散射，還可以使出射的熒光束更均勻。次級光闌材料為高純度鉛（純度＞99.9%）。

2.5輻射體

輻射體是產生熒光的核心部件，不同材料被激發(fā)出相應的特征X射線即熒光，輻射體材料的最低純度應為99.9%，防止雜質產生熒光二次污染。輻射體可以是金屬薄片或是散布在可塑性粘合劑中的粉末狀化合物，如氧化物、碳酸鹽或硫酸鹽（見表1）。粘合劑與輻射體的支撐物均應由原子序數低于輻射體元素原子序數的物質構成（即Zeff≤8）［10］。

2.6次級過濾

初級輻射源激發(fā)輻射體后主要有Kβ、Kα、L射線以及X射線機高能段光子，為了得到純度較高的Kα線，在次級射束中應使用K吸收緣介于Kβ和Kα線之間的次級過濾器來消除L線并降低Kβ線相對于Kα線的強度。

圖3　未經鋁初級過濾器的譜圖

圖4　經鋁初級過濾器后的譜圖

利用X射線能量正好可以令原子的外層電子變成自由電子時達到吸收緣，物質吸收X射線的概率大大增加，其質能吸收系數會急劇增加。在現有的條件下很難找到這種恰好使熒光中Kβ部分完全吸收的物質。但是可以利用Kα、Kβ之間的能量差，找到一種材料能夠被Kβ射線能量激發(fā)出內層電子而Kα能量不滿足，從而吸收大部分的Kβ和L射線，提高Kα的純度。輻射體的熒光能量及所對應的次級過濾K吸收緣如表2所示。

表2　輻射體的熒光能量及所對應的次級過濾K吸收緣能量keV

從表中可以看出，當輻射體為GeO2，次級過濾為Ga2O3。Ga的質量衰減系數和質能吸收系數隨能量變化的曲線可在美國國家標準與技術研究院（NIST）查得。如圖5所示，可以看出，Ga在能量10.37 keV右側的質量衰減系數明顯低于左側，由于10.37 keV介于Ge熒光Kα和Kβ射線能量之間，因此當Ge的熒光輻射束穿過Ga2O3次級過濾器時，Kβ會比Kα衰減更多，從而達到消除L線和Kβ線得到單能的Kα射線。

圖5　Ga的質量衰減系數和質能吸收系數曲線圖

圖6　蒙特卡羅模擬建立熒光發(fā)生裝置剖面圖

3　蒙特卡羅模擬熒光發(fā)生裝置

利用蒙特卡羅模擬程序建立熒光發(fā)生裝置模型，如圖6所示。設計整個裝置呈梯形結構，GeO2熒光輻射體材料填充在45°斜邊，實現初級輻射光束路徑與熒光光束路徑相互垂直，互不干擾；初級輻射源入口處設置厚為0.5mm Al初級過濾器；輻射體上方半徑為2.5 cm的圓柱體通道用于源的照射，輻射體右邊半徑為2.5 cm的圓柱體通道用以反射熒光光束；源設置在出口正上方2.5 cm處以25°立體散射角照射輻射體，保證初級輻射源全部照射在輻射體上，在熒光出射口2cm處為Ga2O3次級過濾器；外壁為2 cm厚銅材料。根據表1中給出的輻射體、初級過濾以及次級過濾材料的面質量厚度值，就可得到相應的參考厚度值，源選用60 keV未過濾的軔致輻射譜作為模擬入射譜。在熒光裝置外壁設置多個2 cm×2 cm×2 cm的體柵元作為監(jiān)測單元，其計數值都為0，說明裝置的屏蔽效果良好。將模擬計數結果作圖處理，如圖7、圖8所示。

由圖7可看出，未過濾的熒光譜有4個吸收限（實際應有能量為1.4keV Ge的L吸收譜限，由于其占熒光的份額少于1%沒有顯示出來），能量為8.0，8.9keV對應的是銅裝置材料產生的熒光，另外兩個是輻射體材料Ge產生的Kα、Kβ能量分別是9.9，11.0keV，在其兩側發(fā)現部分散射，這是由Kα和Kβ發(fā)生瑞利散射和康普頓散射而形成的兩個平臺，而高能段的散射光子主要來自X射線機初始能譜中光子的散射成分。這部分光子在總的光子數目中所占比例較小，相對于Kα和Kβ貢獻可以忽略不計。從圖8中可以看出，Ga2O3材料的次級過濾器可以有效消除輻射質Ge的L、Kβ光子，以及Cu熒光裝置材料的熒光，大大提高了Kα熒光純度?；诶碚撚嬎愕玫降妮椛潴w以及次級過濾器厚度，通過蒙特卡羅模擬獲取最佳厚度值［11］，計算得出輻射質Ge次級熒光注量譜中Kα熒光光子最佳純度可達92.07%。

圖7　輻射質Ge初級熒光注量譜

圖8　輻射質Ge次級熒光注量譜

4　結束語

K熒光X射線裝置梯形結構設計，合理的輻射體和次級過濾位置分布可以充分利用材料，節(jié)約成本。緊湊的結構使光子的路徑最小化，促進熒光產額的最大化；此外，有效降低了裝置環(huán)境外部及自身內部引起的散射對Kα熒光純度的影響。次級光闌促使熒光的發(fā)射呈錐束狀，擴大了輻射場的范圍，能充分利用K熒光劑量率大的特點。

熒光的純度與輻射體材料、次級過濾器密切相關，基于蒙特卡羅模擬結合理論計算可以指導實驗制作各輻射體及次級過濾相應的厚度；純度高達92%熒光參考輻射場可滿足較大探頭的核輻射探測器在8.64～98.4 keV低能區(qū)的能量和效率刻度。

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Design and simulation of K-fluorescent X-ray radiation devices

CHEN Cheng1，2，WU Jinjie2，LI Lun1，2，YANG Yang2
（1.Chengdu University of Technology，Chengdu 610059，China；2.National Institute of Metrology，Beijing 100013，China）

K-fluorescence is characterized by good stability，large dose rate and controllability.A K-fluorescent X-ray generating device is thereby designed to provide metrology support for nuclear radiation detector to present nonlinear variation trend in energy response in low energy regions. The device shaped in a ladder has both shortened the beam path and reduced the clutter.The materials，which K absorption margins are between the radiators Kαand Kβ，are proposed as secondary filters to remove the L-ray and reduce the radiate intensity of Kβrelative to Kαso as to get a reference radiation field.Monte Carlo simulation shows that corresponding K absorption edges can be found in 8.64keV-98.4keV energy range to obtain reference radiation fields of high purity and single energy.

X-ray fluorescence；K absorption margin；MC simulation；radiator；primary and secondary filtering

A

1674-5124（2015）09-0066-05

2015-02-02；

2015-04-07

質檢公益性行業(yè)科研專項（201210003）中國計量科學院基本科研業(yè)務費資助（25-AKY1307）

陳成（1990-），男，湖北武漢市人，碩士研究生，專業(yè)方向為核能與核技術工程、X射線輻射劑量學。