脈沖硬X射線能譜軟化方法數(shù)值分析

來(lái)定國(guó)，張永民，李進(jìn)璽，全 林，姚偉博，楊 莉，張玉英，任書(shū)慶，楊 實(shí)，程 亮

（西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024）

脈沖硬X射線能譜軟化方法數(shù)值分析

來(lái)定國(guó)，張永民，李進(jìn)璽，全 林，姚偉博，楊 莉，張玉英，任書(shū)慶，楊 實(shí)，程 亮

（西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024）

基于軔致輻射原理，提出了通過(guò)軔致輻射靶優(yōu)化設(shè)計(jì)軟化脈沖硬X射線能譜的方法。采用MCNP程序模擬了復(fù)合薄靶和反射靶的輸出參數(shù)，分析了復(fù)合薄靶中轉(zhuǎn)化靶和電子吸收材料厚度對(duì)脈沖硬X射線能譜、轉(zhuǎn)換效率以及透射電子份額的影響；給出了反射靶透射和反射X射線能譜、轉(zhuǎn)換效率的差異及其隨電子入射角度的變化規(guī)律。根據(jù)模擬結(jié)果分析了兩種方法的可行性，并進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，為軔致輻射靶的優(yōu)化設(shè)計(jì)提供參考。

軔致輻射；脈沖硬X射線；能譜；復(fù)合靶；反射靶

脈沖硬X射線穿透部件腔體，在內(nèi)部結(jié)構(gòu)和材料上激發(fā)出光電子，產(chǎn)生強(qiáng)的脈沖電磁場(chǎng)和大電流，對(duì)腔體內(nèi)部電子系統(tǒng)產(chǎn)生嚴(yán)重的干擾和毀傷，這種效應(yīng)稱(chēng)為系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)（SGEMP）。由于光電子的產(chǎn)生與X射線能譜相關(guān)，因此SGEMP效應(yīng)與X射線的能譜相關(guān)，試驗(yàn)研究要求X射線的平均能量小于100keV，且具有較高的能注量和較大的輻照面積［1］。目前，實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生硬X射線的基本方法是采用強(qiáng)流電子束打靶產(chǎn)生軔致輻射，軔致輻射產(chǎn)生X射線的能譜、轉(zhuǎn)換效率與電子能量、靶材料、結(jié)構(gòu)相關(guān)［2-3］，通常采用高能電子轟擊高Z材料厚靶獲得較高的劑量，而電子能量越高、靶厚度越大，X射線能譜越硬。為了在實(shí)驗(yàn)室開(kāi)展SGEMP效應(yīng)研究，采用強(qiáng)流箍縮型二極管，強(qiáng)流電子束在自磁場(chǎng)的作用下，多次穿透陽(yáng)極靶可獲得比電子束直接打靶產(chǎn)生的X射線能譜稍軟的X射線，但主要成分大于100keV［4］；采用外加角向磁場(chǎng)約束電子束在陽(yáng)極靶附近作回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)，使電子多次穿透陽(yáng)極靶，能軟化到20～120keV，但難以獲得較高的能注量和較大的輻照面積［5］，無(wú)法滿(mǎn)足SGEMP效應(yīng)研究的要求。本文針對(duì)該技術(shù)難題，提出采用復(fù)合薄靶和反射靶，在損失一定轉(zhuǎn)換效率的情況下軟化X射線能譜。以“閃光二號(hào)”加速器電子束作為輸入?yún)?shù)，采用MCNP程序數(shù)值模擬兩種轉(zhuǎn)換靶X射線參數(shù)，分析兩種能譜軟化方法的可行性，并開(kāi)展初步的實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。

1 基本原理

電子與原子核碰撞，發(fā)生驟然減速時(shí)，由此伴隨產(chǎn)生的輻射稱(chēng)為軔致輻射。在靶核庫(kù)倫力的作用下電子速度連續(xù)變化，因此輻射的X射線具有連續(xù)譜性質(zhì)。電子束打靶產(chǎn)生X射線包括兩個(gè)物理過(guò)程，一是X射線的產(chǎn)生過(guò)程，二是X射線在靶材中的傳輸過(guò)程。

X射線產(chǎn)生過(guò)程中，當(dāng)電子穿過(guò)原子序數(shù)為Z、厚度為dx的吸收體時(shí)，X射線輻射強(qiáng)度可由式（1）表示，稱(chēng)為物質(zhì)的輻射阻止本領(lǐng)：

式中：ρ為材料密度，g／cm3；T為電子動(dòng)能，MeV；N為單位體積內(nèi)的原子數(shù)，cm-3；k為與電子能量相關(guān)的常數(shù)；q為電子電荷。對(duì)于一定材料轉(zhuǎn)換靶，軔致輻射強(qiáng)度dT與材料厚度dx呈正比，隨電子動(dòng)能的增大而增大；對(duì)于一定厚度的靶材，能量損失與原子序數(shù)的平方呈正比。由于X射線的能量取決于電子速度的變化，其能譜只與電子動(dòng)能相關(guān)。

由于脈沖電子束軔致輻射發(fā)生在物質(zhì)的不同深度，產(chǎn)生的X射線要穿透靶材料，低能X射線將會(huì)被吸收，對(duì)能譜造成影響。X射線穿過(guò)物質(zhì)時(shí)的衰減規(guī)律為：

式中：I0（E）為能量為E的X射線初始強(qiáng)度；μ（Z，E）為光子衰減系數(shù)，與X射線能量和物質(zhì)屬性相關(guān)，cm2／g；a為穿過(guò)物質(zhì)的面密度，g／cm2。低能X射線的衰減系數(shù)大于高能X射線的衰減系數(shù)，因此靶的厚度越大，低能X射線損失越大，造成能譜變硬。

實(shí)驗(yàn)室中采用脈沖連續(xù)能譜電子束打靶產(chǎn)生X射線，低能電子穿透能力較低，采用薄靶使低能電子軔致輻射的低能X射線具有較高的強(qiáng)度，使高能電子穿過(guò)轉(zhuǎn)換靶降低高能X射線的強(qiáng)度，從而提高低能X射線的份額。同時(shí)薄靶保證大量的低能X射線能透射，達(dá)到能譜軟化的目的。強(qiáng)流電子束轟擊轉(zhuǎn)化靶產(chǎn)生的X射線包括透射和反射X射線，低能電子產(chǎn)生的軔致輻射發(fā)生在深度較小的位置，反射X射線避免了通過(guò)轉(zhuǎn)換靶造成的損失，因此反射靶也是軟化能譜的一種有效方法。

2 數(shù)值分析

2.1 復(fù)合薄靶

復(fù)合薄靶采用厚度較小的靶材料軟化X射線能譜，在靶后采用電子吸收能力較強(qiáng)、X射線吸收較弱的輕材料過(guò)濾透射電子，降低X射線場(chǎng)中的電子份額，結(jié)構(gòu)如圖1所示。根據(jù)薄靶軔致輻射過(guò)程，采用能量低的電子配合不同厚度重材料靶更易于降低能譜和電子份額，模擬中采用“閃光二號(hào)”加速器Marx發(fā)生器單級(jí)充電40kV下的電子束參數(shù)［6］，電子束能譜如圖2所示。

圖1 復(fù)合薄靶結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of composite convertor

圖2 “閃光二號(hào)”加速器電子能譜Fig.2 Electron energy spectrum of“FlashⅡ”accelerator

薄靶的模擬分為兩個(gè)方面：重材料厚度對(duì)能譜的影響以及輕材料厚度對(duì)透射電子、X射線能譜的影響。重材料采用鉭，輕材料為聚乙烯。首先給定聚乙烯厚度3mm，模擬鉭厚度對(duì)能譜和產(chǎn)額的影響。圖3為鉭厚度10～50μm的軔致輻射能譜結(jié)果。圖4為鉭厚度對(duì)X射線平均能量的影響。圖5為X射線能量轉(zhuǎn)換效率和鉭厚度的關(guān)系。給定鉭厚度20μm，模擬聚乙烯對(duì)電子的吸收情況和對(duì)X射線能譜的影響，圖6和圖7分別為不同厚度聚乙烯透射電子能譜和X射線平均能量隨聚乙烯厚度的變化。

圖3 厚度10～50μm鉭的X射線能譜Fig.3 Energy spectra of X-ray of tantalum foil with thickness of 10-50μm

圖4 X射線平均能量隨鉭厚度的變化曲線Fig.4 Curve of average energy of X-ray vs tantalum thickness

圖5 X射線轉(zhuǎn)換效率隨鉭厚度的變化曲線Fig.5 Curve of conversion efficiency of X-ray vs tantalum thickness

圖6 不同厚度聚乙烯透射電子能譜Fig.6 Electron energy spectra after different thickness polythene

圖7 X射線平均能量隨聚乙烯厚度的變化曲線Fig.7 Curve of average energy of X-ray vs polythene thickness

X射線平均能量和能量轉(zhuǎn)換效率隨鉭厚度的增加而增加，鉭厚度在10～20μm之間變化較大，鉭厚度大于40μm時(shí)，增加趨勢(shì)趨于平緩。對(duì)于“閃光二號(hào)”加速器的電子束，X射線平均能量小于120keV，要求鉭厚度小于50μm，采用10μm的鉭靶X射線平均能量可接近80keV。當(dāng)聚乙烯厚度大于2mm時(shí)，透射電子的能量降低3個(gè)量級(jí)。在聚乙烯厚度為1mm時(shí)，由于透射電子的軔致輻射，導(dǎo)致X射線的平均能量有所降低；聚乙烯厚度增加對(duì)低能光子的吸收增強(qiáng)，導(dǎo)致X射線平均能量增加，但變化較小。計(jì)算結(jié)果表明：采用復(fù)合薄靶，在損失一定轉(zhuǎn)換效率的情況下，可較大幅度地軟化X射線能譜，同時(shí)獲得電子份額較低的X射線場(chǎng)。

2.2 反射靶

反射靶計(jì)算輸入?yún)?shù)與復(fù)合薄靶相同，鉭厚度為20μm，電子束入射角度分別為0°、30°、45°和60°，計(jì)算結(jié)果為靶前、后5cm處的X射線參數(shù)。圖8為反射靶的結(jié)構(gòu)。圖9為電子束垂直入射時(shí)，透射和反射的X射線能譜。圖10為透射和反射X射線平均能量隨入射角的變化。圖11為透射和反射X射線轉(zhuǎn)換效率隨入射角度的變化。

圖8 反射靶結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Structure of reflection convertor

圖9 電子束垂直入射時(shí)透射和反射X射線能譜Fig.9 Energy spectra of X-ray under vertical incidence of electron beams

圖10 透射和反射X射線平均能量隨角度的變化Fig.10 Curve of average energy of transmission and reflection X-ray vs incidence angle

圖11 透射和反射X射線轉(zhuǎn)換效率隨角度的變化Fig.11 Curve of conversion efficiency of transmission and reflection X-ray vs incidence angle

反射X射線的平均能量低于透射X射線，從100keV左右減小到80keV以下；透射X射線平均能量因電子束入射角不同而變化，但變化幅度不大，在電子束30°入射時(shí)最低，入射角不同反射X射線的平均能量基本不變，在垂直入射時(shí)最??；反射X射線轉(zhuǎn)換效率隨入射角增大而減小，減小幅度較小，反射X射線的轉(zhuǎn)換效率約為透射X射線的1／3。計(jì)算結(jié)果表明：采用反射靶可達(dá)到軟化X射線能譜的目的，同樣需要損失轉(zhuǎn)化效率。

3 實(shí)驗(yàn)

以“閃光二號(hào)”加速器作為電子束源，實(shí)驗(yàn)研究了厚度100μm和23μm兩種復(fù)合轉(zhuǎn)換靶的X射線能譜變化，其中靶材料為鉭，電子吸收材料為聚乙烯，厚度4mm，電子束參數(shù)同計(jì)算輸入?yún)?shù)。圖12為實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)。圖13為兩種轉(zhuǎn)換靶的X射線能譜。從能譜曲線可看出，轉(zhuǎn)換靶厚度增加導(dǎo)致能譜最大值增加，23μm時(shí)最大值為90keV左右，而100μm時(shí)，最大值為120keV左右，厚度較小的轉(zhuǎn)換靶在低能段的份額高于厚度較大的轉(zhuǎn)換靶，而在大于150keV的能段，二者的高能光子份額基本相同，因此造成平均能量降低的主要原因在于薄靶低能部分光子份額的增加，這與理論分析和數(shù)值模擬結(jié)果一致。100μm和23μm轉(zhuǎn)換靶實(shí)驗(yàn)得到的X射線平均能量分別為143keV和118keV，模擬計(jì)算值分別為137keV和108keV，實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果較為吻合。由于在強(qiáng)流真空電子束二極管上開(kāi)展反射靶實(shí)驗(yàn)難度較大，尚未進(jìn)行實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證。但復(fù)合轉(zhuǎn)化靶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果和計(jì)算結(jié)果表明，采用的數(shù)值模擬方法是可信的。

圖12 實(shí)驗(yàn)系統(tǒng)Fig.12 Experimental system

圖13 兩種轉(zhuǎn)換靶的X射線能譜Fig.13 X-ray energy spectra of two convertors

4 結(jié)論

基于軔致輻射原理，提出了采用復(fù)合薄靶和反射靶軟化脈沖硬X射線能譜的方法，利用MCNP程序模擬了兩種靶的X射線輸出參數(shù)，分析了能譜軟化方法的可行性。復(fù)合薄靶X射線平均能量隨高Z轉(zhuǎn)化靶厚度增加而增加，低Z材料能過(guò)濾大量的透射電子而對(duì)X射線的平均能量影響較??；反射X射線平均能量低于透射X射線，且隨電子的入射角度變化不大，兩種方法都將造成軔致輻射轉(zhuǎn)換效率的降低。對(duì)于大型的脈沖硬X射線設(shè)備，在損失一定輻射轉(zhuǎn)換效率的情況下，針對(duì)其電子束參數(shù)設(shè)計(jì)相應(yīng)的復(fù)合薄靶或反射靶可達(dá)到軟化X射線能譜的目的。

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Numerical Analysis of Spectrum Degradation Methods of Pulsed Hard X-ray

LAI Ding-guo，ZHANG Yong-min，LI Jin-xi，QUAN Lin，YAO Wei-bo，YANG Li，ZHANG Yu-ying，REN Shu-qing，YANG Shi，CHENG Liang
（State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China）

Spectrum degradation methods of pulsed hard X-ray by optimum design of bremsstrahlung convertor were introduced based on bremsstrahlung principal.Output parameters of composite convertor and reflection convertor were simulated by using MCNP code.Influence of convertor thickness on spectrum，conversion efficiency of X-ray and transmission electron quota was analyzed.The difference of spectrum and conversion efficiency between transmission and reflection X-ray of reflection convertor and the change law of these parameters according to electron incidence angle were presented.Experiments of two convertors with different thickness were carried out，and the experimental result is close to simulation result.These methods can be used to degrade spectrum of pulsed hard X-ray.

bremsstrahlung；pulsed hard X-ray；energy spectrum；composite convertor；reflection convertor

TM836

A

1000-6931（2014）02-0336-05

10.7538／yzk.2014.48.02.0336

2012-11-30；

2013-04-12

來(lái)定國(guó)（1980—），男，陜西安康人，助理研究員，博士研究生，從事脈沖功率技術(shù)研究