四路并聯二極管輻射X射線場參數計算

李進璽，邱孟通，程引會，吳 偉，來定國，馬 良，趙 墨，郭景海（西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安 710024）

四路并聯二極管輻射X射線場參數計算

李進璽，邱孟通，程引會，吳 偉，來定國，馬 良，趙 墨，郭景海
（西北核技術研究所強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西西安 710024）

摘要：利用二極管的電壓、電流計算了發射電子束能譜參數，建立了四路并聯二極管陽極靶蒙特卡羅粒子輸運計算模型，給出了輻射X射線場參數；將四路并聯二極管的每個二極管劃分為若干小單元，將其作為點源，采用數值積分的方法計算了輻射X射線劑量分布，并分析了空間不同位置處每路二極管對劑量的貢獻。結果表明：真空中，距離四路并聯二極管陽極靶5cm位置處，X射線注量為3．55mJ／cm2，光子平均能量為62．18keV，120keV以下的光子占輻射X射線譜總能量的81．84%，電子束轉換效率為0．30%；在2 700cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性分別為3．20和6．31；在2 000cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性均小于2。

關鍵詞：并聯二極管；X射線場；蒙特卡羅方法；劑量均勻性

脈沖X射線環境，特別是大面積、高能注量脈沖X射線，在電離輻照效應測試方面有重要的應用價值［1－4］。如何獲得滿足要求的X射線輻射場環境一直是脈沖功率技術領域研究的問題［5－8］。大面積多環二極管技術［6－7］是產生強脈沖硬X射線的技術途徑之一，其主要用于產生輸出窗面積大且輻射均勻的硬X射線。大面積多環二極管的陰極由多個直徑不等的圓環構成，陽極為平面輻射靶。多路脈沖功率源各自驅動輻射二極管，各路二極管輻射場在空間疊加形成大面積的輻射X射線場，同時，通過降低脈沖功率源的電壓可降低輻射X射線的能量。

本文利用二極管電子束能譜參數，采用蒙特卡羅方法對四路并聯二極管輻射產生的X射線輻射場參數進行數值模擬，并采用點源數值積分的方法計算輻射X射線劑量分布，分析每路二極管對劑量的貢獻，給出劑量隨空間距離的變化曲線。

1　計算模型

四路并聯二極管計算模型結構如圖1所示。每個陰極環外徑200mm，環內、外徑相差10mm，相鄰兩個環外徑之間的距離為30mm。四路二極管電子束能譜參數相同，單路二極管脈沖功率源輸出電壓、電流如圖2所示。

圖1　 四路并聯二極管計算模型結構Fig．1 Structure of calculation model for four parallel diodes

利用二極管的電壓、電流在時間上的對應關系可換算得到對應的電子能譜［9］，圖3示出了圖2中的二極管電壓、電流所對應的電子能譜，四路并聯電子束總能量為3．2kJ。

圖2　 單路脈沖功率源輸出電壓、電流Fig．2 Current and voltage of single pulse power supply

圖3　 四路并聯二極管電子能譜Fig．3 Electron energy spectrum of four parallel diodes

2　計算結果

2．1 X射線能譜

輻射靶結構如圖4所示，陽極轉換靶由20μm的鉭和3mm的聚乙烯構成。

圖4　 輻射靶結構Fig．4 Structure of radiation targets

鉭、聚乙烯以及真空中距陽極靶5cm處截面的輻射X射線能譜和前向電子能譜如圖5所示。表1列出了不同截面處的輻射X射線和前向電子參數的比較。

圖5　 不同截面處輻射X射線（a）和前向電子（b）能譜Fig．5 Energy spectra of X－ray（a）and forward electron（b）at different sections

表1　 不同截面處輻射X射線和前向電子參數的比較Table 1 Comparison of parameters of X－ray and forward electron at different sections

由圖5及表1可看出：

1）輻射X射線能譜由軔致輻射和特征X射線兩部分組成；

2）只有鉭靶時，輻射場中的電子數和電子總能量的份額均比X射線的大得多；

3）聚乙烯靶對鉭靶產生的輻射X射線的能譜分布的影響很小，只會衰減部分低能光子，但可明顯衰減鉭靶的前向電子；

4）真空中距陽極靶5cm截面處，輻射X射線轉換效率為0．30%，平均光子能量為62．18keV，在邊長為52cm的正方形平面上，X射線注量為3．55mJ／cm2，光子與電子數之比為1．96×104，120keV以下光子占X射線譜總能量的81．84%。

2．2 劑量分布

設S0為點源強度，a為點源到測量點的距離，φ為測量點的強度，不考慮衰減時，有［10］：

將圖1中的每個二極管劃分為若干小單元，將其作為點源，利用上式采用數值積分的方法計算了輻射X射線劑量分布，并分析了每路二極管對空間不同距離處劑量的貢獻。計算中，考慮了點源在不同距離平面上投影角度不同。

4個二極管順序以及對角線和中軸線的定義如圖1所示，測量點在邊長為52cm的正方形平面上。對于中軸線上的劑量，環1和環2、環3和環4是對稱的，其貢獻也相同，因此，只給出環1和環3的貢獻；對于對角線上的劑量，環1和環4是對稱的，其貢獻也相同，因此，只給出環1、環2和環3的貢獻。假設源強度為1，圖6～8分別示出了距陽極靶1、7、30cm位置處的劑量分布。

由圖6～8可看出：

1）環1、環3對中軸線上劑量的貢獻沿中軸線對稱，4個環對中軸線上劑量的貢獻相同。

圖6　 距離陽極靶1cm處劑量分布Fig．6 Dose distribution from anode target 1cm

圖7　 距離陽極靶7cm處劑量分布Fig．7 Dose distribution from anode target 7cm

2）環1對對角線上劑量的貢獻沿對角線方向對稱，環2、環3對對角線上劑量的貢獻沿對角線方向對稱；距環較近時，環2、環3對對角線上劑量的貢獻遠大于環1、環4的貢獻，隨著距離的增大，4個環對對角線上劑量的貢獻趨于一致。

3）距環較近時，中軸線上劑量呈馬鞍形分布，而對角線上劑量呈多個馬鞍形分布，對角線上劑量大于中軸線上劑量，隨著距離的增大，兩個方向均逐漸過渡為余弦分布，劑量大小也趨于一致。

圖9示出了不同位置中軸線以及對角線上歸一化劑量的比較，圖10示出了總的歸一化劑量與空間距離D的關系曲線。

圖8　 距離陽極靶30cm處劑量分布Fig．8 Dose distribution from anode target 30cm

圖9　 不同位置處歸一化劑量Fig．9 Normalized dose for different locations

圖10　 總的歸一化劑量與距離的關系曲線Fig．10 Total normalized dosefor different distances

由圖9可看出：

1）中軸線上劑量均勻性好于對角線。

2）5cm位置處，在2 700cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性分別為3．20、6．31；在2 000cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性均小于2。

3）20cm位置處，在2 700cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性分別為1．73、2．60；在2 000cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性分別為1．41、1．90。

由圖10可看出，歸一化劑量隨著空間距離的增大呈指數衰減，可用以下擬合公式計算不同距離處的歸一化劑量：

其中：A＝0．85；t＝12．79cm；y0＝0．17；D為空間距離，cm。

表2列出了強光一號［5］、閃光二號［11］以及四路并聯二極管產生的硬X射線參數的比較。表中，閃光二號和四路并聯二極管的光子能量為平均光子能量，強光一號的為光子能譜范圍；光子份額指120keV以下光子占X射線總能量的份額；強光一號和閃光二號的數據為測量結果，四路并聯二極管的數據為計算結果。

表2　 不同加速裝置X射線參數的比較Table 2 Comparison of X－ray parameters of different accelerators

3　結論

利用二極管的電壓、電流計算得到了電子的能譜分布；建立了四路并聯二極管蒙特卡羅粒子輸運計算模型，計算得到了X射線輻射場參數；采用點源數值積分的方法計算了輻射X射線劑量分布特性。給出的二極管電壓電流和陽極靶厚度條件下，距離陽極靶5cm截面處，輻射X射線轉換效率為0．30%，平均光子能量為62．18keV，在邊長為52cm的正方形平面上，X射線注量為3．55mJ／cm2，光子與電子數之比為1．96×104，120keV以下光子占X射線譜總能量的81．84%，在2 000cm2范圍內，中軸線和對角線上的劑量均勻性均小于2。

模擬結果表明：四路并聯二極管產生的脈沖硬X射線環境滿足電離輻照效應實驗要求［1－4，11－12］，能應用于系統電磁脈沖等電離損傷效應研究中。

參考文獻：

［1］ 李進璽，程引會，吳偉，等．系統電磁脈沖綜合環境中導線響應的計算［J］．強激光與粒子束，2010，22（7）：1 615－1 618．LI Jinxi，CHENG Yinhui，WU Wei，et al．Calculation of wires responses caused by SGEMP comprehensive environments［J］．High Power Laser and Particle Beams，2010，22（7）：1 615－1 618（in Chinese）．

［2］ 李進璽，程引會，李寶忠，等．不同能量光子輻照電纜響應規律研究［J］．原子能科學技術，2011，45（7）：893－896．LI Jinxi，CHENG Yinhui，LI Baozhong，et al．Responses laws of coaxial cable to different X－ray energy［J］．Atomic Energy Science and Technology，2011，45（7）：893－896（in Chinese）．

［3］ 林鵬，王肖鈞．強脈沖X射線輻射熱力學效應的數值模擬［J］．中國科學技術大學學報，2007，37（7）：732－737．LIN Peng，WANG Xiaojun．Numerical simulation of thermal－mechanical effects by intense pulsed X－ray irradiation［J］．Journal of University of Science and Technology of China，2007，37（7）：732－737（in Chinese）．

［4］ 郭紅霞，陳雨生，張義門，等．穩態、瞬態X射線

輻照引起的互補性金屬－氧化物－半導體器件劑量增強效應研究［J］．物理學報，2001，50（12）：2 279－2 283．GUO Hongxia，CHEN Yusheng，ZHANG Yimen，et al．Study of relative dose－enhancement effects on CMOS device irradiated by steady－state and transient pulsed X－rays［J］．Acta Physica Sinica，2001，50（12）：2 279－2 283（in Chinese）．

［5］ 邱愛慈．脈沖X射線模擬源技術的發展［J］．中國工程科學，2000，2（9）：24－28．QIU Aici．The development of technology for pulsed X－ray simulators［J］．Engineering Science，2000，2（9）：24－28（in Chinese）．

［6］ 蒯斌，邱愛慈，王亮平，等．強脈沖超硬X射線產生技術研究［J］．強激光與粒子束，2005，17（11）：1 739－1 743．KUAI Bin，QIU Aici，WANG Liangping，et al．Generation of intense pulsed super hard X－ray ［J］．High Power Laser and Particle Beams，2005，17（11）：1 739－1 743（in Chinese）．

［7］ BLOOMQUIST D D，STINNETT R W，Mc－DANIEL D H，et al．Saturn，a large area X－ray simulation accelerator［C］∥Proc of 6th IEEE Power Pulsed Conference．US：IEEE，1987：310－317．

［8］ 樊亞軍，石磊，邱愛慈．相對論電子束在角向磁場中產生硬X射線的實驗研究［J］．強激光與粒子束，2002，14（6）：929－932．FAN Yajun，SHI Lei，QIU Aici．Experimental study on hard X－ray generation of relativistic electron beams in azimuthal magnetic field［J］．High Power Laser and Particle Beams，2002，14（6）：929－932（in Chinese）．

［9］ 全林，張永民，屠荊，等．強流二極管產生脈沖X

射線能譜場穩定性研究［J］．強激光與粒子束，2006，18（2）：317－320．QUAN Lin，ZHANG Yongmin，TU Jing，et al．Stability of pulse X－ray spectrum field generated by intense diod［J］．High Power Laser and Particle Beams，2006，18（2）：317－320（in Chinese）．

［10］馮江平，陳羽，孫慧斌，等．屏蔽材料對γ射線屏蔽情況的蒙特卡羅模擬［J］．核電子學與探測技術，2011，31（1）：106－112．FENG Jiangping，CHENG Yu，SUN Huibin，et al．Study on theγ－ray shielding effect of shielding material with MCNP－4C［J］．Nuclear Electronics ＆Detection Technology，2011，31（1）：106－112（in Chinese）．

［11］來定國，張永民，李進璽，等．強流電子束軔致輻射復合薄靶設計［J］．強激光與粒子束，2013，25（6）：1 396－1 400．LAI Dingguo，ZHANG Yongmin，LI Jinxi，et al．Design of bremstrahlung composite thin converter for high current electron beams［J］．High Power Laser and Particle Beams，2013，25（6）：1 396－1 400（in Chinese）．

［12］周輝，李寶忠，王立君，等．不同注量X射線系統電磁脈沖響應的數值計算［J］．計算物理，1999，16（2）：157－161．ZHOU Hui，LI Baozhong，WANG Lijun，et al．The calculation of SGEMP response in various ranges of X－ray fluence［J］．Chinese Journal of Computational Physic，1999，16（2）：157－161（in Chinese）．

Calculation of X－ray Field Parameters Generated by Four Parallel Diodes

LI Jin－xi，QIU Meng－tong，CHENG Yin－hui，WU Wei，LAI Ding－guo，MA Liang，ZHAO Mo，GUO Jing－hai
（National Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China）

Abstract：The electron energy distribution of diode was calculated using current and voltage．Moreover，the characteristics of X－ray spectrum in parallel diodes environment were calculated using Monte Carlo simulation model．The dose distribution of X－ray of four parallel diodes environment was calculated using numerical integral method．In the model，the small cells，which were divided by diodes，were used as radiation source．The results indicate that the X－ray fluence in the position from the target 5cm is 3．55mJ／cm2．The energy of photons with less than 120keV in the X－ray spectrum is less than 81．84%of the total energy．The average photon energy of the X－ray spectrum is 62．18keV，and the diode electron beams conversion efficiency is 0．30%．In the area of 2 700cm2，the dose uniformities of axial and diagonal orientation are 3．20and 6．31 separately，and in the area of 2 000cm2，the values are less than 2．

Key words：parallel diode；X－ray field；Monte Carlo method；dose uniformity

作者簡介：李進璽（1978—），男，甘肅白銀人，副研究員，碩士，從事輻射效應研究

收稿日期：2014－04－10；修回日期：2014－09－25

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1460

文章編號：1000－6931（2015）08－1460－07

文獻標志碼：A

中圖分類號：TL501