基于金剛石超短超強(qiáng)激光脈沖X射線劑量儀研制

宋鴻鵠,武 禎,邱 睿,魏朔陽,宮 輝,張 輝,李君利

(1.清華大學(xué) 工程物理系,北京 100084;2.粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,北京 100084)

隨著超短脈沖激光技術(shù)的發(fā)展,國內(nèi)外涌現(xiàn)出許多功率密度超過1018W/cm2的超短超強(qiáng)激光裝置[1-2]。根據(jù)強(qiáng)激光裝置委員會(huì)[3]數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì),世界范圍現(xiàn)有強(qiáng)激光裝置數(shù)量為103個(gè),相較于2009年數(shù)量增加超過一倍。這些裝置的出現(xiàn)促成了許多前沿學(xué)科的出現(xiàn),如激光驅(qū)動(dòng)的超快X射線源等[4-7]。當(dāng)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用時(shí),預(yù)脈沖激光會(huì)在極短時(shí)間內(nèi)剝離掉靶表面原子的核外電子,形成高溫高密度等離子體,之后主脈沖激光將進(jìn)一步與等離子體相互作用并通過多種加速機(jī)制加速電子使其變?yōu)槌瑹犭娮?。電子進(jìn)一步輸運(yùn)并通過高密度固體靶時(shí),發(fā)生軔致輻射產(chǎn)生脈沖X射線,此類脈沖X射線具有持續(xù)時(shí)間短(ps)、射線注量大(1012keV-1·sr-1)、能譜范圍寬(數(shù)十MeV)、瞬時(shí)劑量率高(109Gy/s)等特點(diǎn)。

在實(shí)驗(yàn)中觀測到超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用過程中會(huì)產(chǎn)生顯著的輻射劑量,為周圍環(huán)境和工作人員帶來了輻射風(fēng)險(xiǎn)[8-10],超短超強(qiáng)激光裝置的電離輻射防護(hù)問題非常有必要研究。目前多采用被動(dòng)式劑量計(jì)(如TLD、OSL等)對激光裝置周圍輻射水平進(jìn)行監(jiān)測。重頻數(shù)是激光裝置未來發(fā)展的重要指標(biāo)[2],隨著激光打靶頻次的增加,對激光裝置所致脈沖輻射場劑量水平在線監(jiān)測將變得尤為重要。實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)常用的主動(dòng)式劑量計(jì)存在低響應(yīng)問題[11-12],目前還缺少超短超強(qiáng)激光裝置的劑量在線監(jiān)測手段。本文基于金剛石探測器研制了一臺(tái)主動(dòng)式劑量測量儀[13],對其性能開展了模擬計(jì)算和實(shí)驗(yàn)測試分析。

1 金剛石劑量測量儀器

1.1 金剛石探測器

金剛石劑量測量儀實(shí)物如圖1所示,測量儀主體由金剛石半導(dǎo)體探測器[14]、預(yù)積分電路以及電磁屏蔽外殼組成。金剛石探測器靈敏體積為:4.5 mm×4.5 mm×0.14 mm。考慮輻射場存在的電磁脈沖干擾因素,確保測量儀器在輻射監(jiān)測期間劑量測量功能不中斷,電池模塊與金剛石探測器整體被封裝于鋁殼中。

圖1 金剛石劑量測量儀實(shí)物圖

1.2 工作原理

在超短超強(qiáng)激光產(chǎn)生的脈沖X射線輻射場中,單脈沖電荷的產(chǎn)生時(shí)間為亞納秒量級,瞬時(shí)電流約為0.2 A。對于金剛石探測器輸出的瞬時(shí)大電流進(jìn)行測量,采用預(yù)積分電路對電流進(jìn)行濾波處理,利用弱電流測量電路來實(shí)時(shí)測量金剛石探測器產(chǎn)生的脈沖電流。圖2為金剛石劑量測量儀工作原理示意圖,通過對金剛石探測器輸出的電流積分獲得探測器收集到的電荷值,進(jìn)行A/D轉(zhuǎn)換后做數(shù)據(jù)處理,最終將電荷轉(zhuǎn)換為劑量。本儀器目前支持劑量閾值報(bào)警、數(shù)據(jù)存儲(chǔ)與讀出等功能。

圖2 金剛石劑量測量儀工作原理圖

2 模擬計(jì)算與實(shí)驗(yàn)測量校準(zhǔn)

(1)

式中,Q為電荷量,C,通過模擬金剛石探測器位置處的能量沉積獲得;K為相同位置下空氣比釋動(dòng)能,Gy。通過兩者比值即可獲得探測器對X射線能量響應(yīng)R,pA/(mGy/h)。

根據(jù)GB/T 12162.3—2004規(guī)定,通過改變劑量儀相對于輻射入射方向進(jìn)行角響應(yīng)測量?？紤]到金剛石劑量測量儀的應(yīng)用場景,能譜平均能量以及儀器對稱性,選擇137Cs對儀器進(jìn)行0～180°范圍校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。以垂直地面方向?yàn)樾D(zhuǎn)軸,金剛石靈敏體積為圓心,進(jìn)行角響應(yīng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)。在模擬中通過改變錐形束相對于測量儀器的入射方向獲得角響應(yīng)。

2.1 劑量測量儀模擬計(jì)算

考慮結(jié)構(gòu)材料散射或各項(xiàng)異性設(shè)計(jì)帶來的影響,采用蒙特卡羅軟件FLUKA[15]對金剛石劑量測量儀進(jìn)行了精細(xì)建模,如圖3所示,包括樣機(jī)整體金屬結(jié)構(gòu)、內(nèi)部電池,探測器金屬封裝與電極材料等因素。FLUKA中采用Precision物理模型,電子、光子對應(yīng)輸運(yùn)閾值與產(chǎn)生閾值設(shè)置為1 keV,源項(xiàng)設(shè)置為錐形束,大小可覆蓋整個(gè)儀器。基于以上設(shè)置,完成對儀器的能量、角度響應(yīng)模擬分析。

圖3 金剛石劑量測量儀FLUKA精細(xì)建模

2.2 校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

金剛石劑量測量儀搭建完成后,在中國計(jì)量科學(xué)研究院對儀器開展了校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),如圖4所示。實(shí)驗(yàn)內(nèi)容包括儀器對于X射線、137Cs、60Co(距離源1 m處活度為95.9 mCi)的能量響應(yīng),劑量率響應(yīng)(劑量率范圍為:3.39 mGy/h～10.58 Gy/h),以及儀器對于137Cs的角響應(yīng)。

圖4 劑量測量儀的校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn)

2.2.1劑量率實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)

在137Cs和60Co兩種輻射場中測得儀器的劑量率線性如圖5和圖6所示,采用最小二乘法對測量數(shù)據(jù)進(jìn)行擬合可得到測量儀的劑量率線性度以及能量響應(yīng)。表1為劑量測量儀對不同能量X射線以及放射源的響應(yīng);劑量測量儀器對6種能量X射線以及2個(gè)輻射源所得擬合線性度分別為:1.02、1.02、1.00、1.01、1.02、1.00、0.86、0.87。

表1 劑量測量儀對不同能量射線的響應(yīng)與劑量率線性度

圖5 劑量測量儀對137Cs源射線響應(yīng)

圖6 劑量測量儀對60Co源射線響應(yīng)

圖7 金剛石劑量測量儀校準(zhǔn)能量響應(yīng)與(效率修正)模擬響應(yīng)比較

2.2.2角響應(yīng)實(shí)驗(yàn)校準(zhǔn)

金剛石劑量測量儀對劑量率為30 mGy/h的137Cs源校準(zhǔn)的角響應(yīng)結(jié)果如圖8所示,模擬角響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果整體趨勢相當(dāng)。儀器在0～180°范圍內(nèi)具有較高的一致性,最大差異為17.9%,滿足GB/T 12162.3對儀器角響應(yīng)不超過30%的規(guī)定。90°～180°范圍響應(yīng)結(jié)果相較于0°～90°略高,可能是由于在金屬電極材料附近的劑量增強(qiáng)效應(yīng)所致[17]。

圖8 金剛石劑量測量儀的角響應(yīng)校準(zhǔn)結(jié)果

3 脈沖輻射場測試

基于電子加速器以及超短超強(qiáng)激光裝置開展了相關(guān)實(shí)驗(yàn),比較了金剛石劑量測量儀與標(biāo)準(zhǔn)電離室所測脈沖X射線劑量水平,驗(yàn)證金剛石劑量測量儀的可行性。

3.1 電子脈沖加速器測試

使用同方威視3 MV和6 MV電子加速器產(chǎn)生不同能量的X射線,通過改變電子脈沖頻率控制X射線劑量水平。輻射場內(nèi)某一參考點(diǎn)單位時(shí)間X射線劑量水平由30013 Farmer型電離室(靈敏體積:0.6 cm3)進(jìn)行測量,配套PTW Unidos Webline劑量監(jiān)測計(jì)進(jìn)行讀出。測量過程中始終保持本劑量測量儀內(nèi)金剛石與Unidos電離室靈敏體積位置相同。測量結(jié)果如圖9和圖10所示,可以看出兩者給出的1 s內(nèi)的劑量基本一致,最大偏差不超過7%。

圖9 3 MV電子加速器測量結(jié)果

圖10 6 MV電子加速器測量結(jié)果

3.2 激光脈沖X射線測試

為進(jìn)一步驗(yàn)證儀器的可行性,在“XG-III”超短超強(qiáng)激光裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,實(shí)驗(yàn)布局如圖11所示,在激光裝置靶室內(nèi)強(qiáng)激光與靶相互作用產(chǎn)生脈沖X射線,使用濾片堆棧譜儀測量激光出射方向的X射線能譜,使用劑量測量儀和校準(zhǔn)的TLD探測器測量靶室外相同位置處的X射線劑量。為直觀表明儀器在不同激光裝置中的適用性,圖12中給出了XG-III和SG-II Upgrade激光裝置中測量的能譜,其中#011～#015發(fā)次為SG-II Upgrade裝置測量結(jié)果,#032～#034發(fā)次為XG-III測量結(jié)果。

圖11 XG-III激光裝置中實(shí)驗(yàn)布局圖

圖12 SG-II Upgrade與XG-III激光裝置上測量X射線譜

在FLUKA模擬中,采用實(shí)驗(yàn)裝置布局進(jìn)行建模,輻射源項(xiàng)為實(shí)驗(yàn)測量X射線能譜,采用2.1節(jié)方法獲得劑量測量儀對激光裝置產(chǎn)生脈沖X射線如圖12的模擬響應(yīng),使用2.2.1節(jié)所得電荷收集效率因子對上述模擬響應(yīng)進(jìn)行修正,測量結(jié)果列于表2。

表2 FLUKA計(jì)算模擬響應(yīng)與實(shí)驗(yàn)響應(yīng)

將表2中劑量測量儀所測量電荷(電流)轉(zhuǎn)化為劑量,與TLD測量結(jié)果繪制于圖13,可以看出二者結(jié)果整體符合情況良好,較為均勻地分布在y=x直線附近,兩者之間最大測量誤差不超過36%,進(jìn)一步驗(yàn)證了劑量測量儀應(yīng)用于超短超強(qiáng)激光裝置進(jìn)行劑量測量的可行性。

圖13 金剛石測量劑量與TLD測量結(jié)果對比

4 結(jié)果與討論

超短超強(qiáng)激光裝置中產(chǎn)生的脈沖X射線注量高,能量大,對職業(yè)工作人員會(huì)產(chǎn)生輻照風(fēng)險(xiǎn)。目前多采用被動(dòng)式劑量計(jì)(如TLD、OSL等)對激光裝置周圍輻射水平進(jìn)行監(jiān)測,隨著激光打靶頻次的增加,對激光裝置所致脈沖輻射場劑量水平在線監(jiān)測將變得尤為重要,實(shí)驗(yàn)中發(fā)現(xiàn)常用主動(dòng)式劑量計(jì)存在低響應(yīng)問題,目前還缺少超短超強(qiáng)激光裝置的劑量在線監(jiān)測手段。本工作基于課題組所研制金剛石劑量測量裝置,在標(biāo)準(zhǔn)輻射場中開展了能量校準(zhǔn)與角響應(yīng)校準(zhǔn)實(shí)驗(yàn),獲得了儀器的電荷收集效率修正因子,驗(yàn)證了該儀器具有較好的角響應(yīng)一致性。在3、6 MV脈沖電子加速器以及超短超強(qiáng)激光裝置XG-III上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測試,基于上述電荷收集效率以及響應(yīng)因子對劑量測量儀器的測量結(jié)果進(jìn)行修正,獲得了與TLD探測器和Unidos劑量率儀較為一致的結(jié)果?；谝陨瞎ぷ?進(jìn)一步驗(yàn)證了該劑量測量儀應(yīng)用于超短超強(qiáng)激光裝置劑量在線監(jiān)測的可行性,為此類脈沖輻射場的劑量測量手段提供參考。