超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用所致X射線劑量實(shí)驗(yàn)研究

邱 睿，魏朔陽，楊 博，于明海，矯金龍，路 偉，馬 馳，閆永宏，吳玉遲,3，周維民,3，張 輝，李君利

(1.清華大學(xué) 粒子技術(shù)與輻射成像教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，北京 100084； 2.中國工程物理研究院 激光聚變研究中心 等離子體物理重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，四川 綿陽 621900； 3.上海交通大學(xué) IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心，上海 200240)

短脈沖激光技術(shù)在進(jìn)入20世紀(jì)下半葉迎來了一個(gè)快速發(fā)展的時(shí)期，越來越多的大型高功率激光裝置在世界各地投入使用。這些裝置能通過高功率密度激光產(chǎn)生非常極端的物理學(xué)條件，從而助力包括慣性約束核聚變[1]、基于激光尾場加速的X射線檢測[2]、X射線閃光照相[3]及天體物理[4]等方向在內(nèi)的眾多物理學(xué)科的發(fā)展。當(dāng)一束超短超強(qiáng)激光照射在固體靶上時(shí)，原子或分子內(nèi)部的電子會(huì)被瞬間電離，形成等離子體；在多種激光吸收與加速機(jī)制的作用下，靶表面處會(huì)產(chǎn)生眾多相對(duì)論級(jí)的超熱電子及這些電子通過軔致輻射產(chǎn)生的X射線；除此之外，在光核反應(yīng)和電子對(duì)效應(yīng)的作用下，部分能量較高的X射線還會(huì)在靶中產(chǎn)生中子和正電子[5]。由于激光與等離子體之間的復(fù)雜相互作用，產(chǎn)生了不同類型與能量分布的輻射粒子，使得超短超強(qiáng)激光裝置成為一類新型的電離輻射源。有研究人員針對(duì)超短超強(qiáng)激光裝置產(chǎn)生的輻射劑量開展了實(shí)驗(yàn)測量，發(fā)現(xiàn)在現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件下，X射線劑量占主導(dǎo)，且能產(chǎn)生相當(dāng)高的X射線劑量，如2002年Borne等[6]在法國LULI實(shí)驗(yàn)室百TW激光實(shí)驗(yàn)中觀察到激光脈沖能量為5～20 J、功率密度為5×1018～2×1019W/cm2的激光脈沖打固體靶150次，靶室周圍不同角度的X射線劑量范圍為0.7～73 mSv。2006年Clarke等[7]在英國RAL實(shí)驗(yàn)室的PW激光裝置VULCAN中測得能量為230 J、功率密度為4×1020W/cm2的激光脈沖與1 mm金靶相互作用，在靶前方1 m處產(chǎn)生的X射線劑量高達(dá)43 mSv。

然而，超短超強(qiáng)激光裝置的輻射防護(hù)與傳統(tǒng)加速器的輻射防護(hù)存在顯著區(qū)別。一方面，相比傳統(tǒng)加速器具有明確且固定的初級(jí)輻射源項(xiàng)，超短超強(qiáng)激光裝置中的初級(jí)輻射源項(xiàng)存在較大的不確定性，表現(xiàn)為在不同的激光及等離子體參數(shù)下，可能會(huì)加速產(chǎn)生不同類型及源項(xiàng)特性的帶電粒子；另一方面，不同于傳統(tǒng)加速器中高能電子或質(zhì)子束具有良好的單能性和準(zhǔn)直性，超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的超熱電子或質(zhì)子一般具有連續(xù)的能譜分布，并具有較大的發(fā)散角，這必然會(huì)影響后續(xù)次級(jí)電離輻射(X射線和中子)的源項(xiàng)特性。因此，對(duì)于超短超強(qiáng)激光裝置的輻射防護(hù)工作，無法僅依賴于傳統(tǒng)加速器輻射防護(hù)的相關(guān)報(bào)告或方法進(jìn)行，需結(jié)合激光技術(shù)、等離子體物理領(lǐng)域最新的研究成果對(duì)其中各類初級(jí)、次級(jí)輻射源項(xiàng)開展全面系統(tǒng)的分析。目前，國內(nèi)外對(duì)超短超強(qiáng)激光裝置的輻射防護(hù)研究尚少，并未見系統(tǒng)性的研究。近年來，清華大學(xué)工程物理系針對(duì)超短超強(qiáng)激光裝置的輻射防護(hù)問題開展了系統(tǒng)性的研究，包括超熱電子源項(xiàng)理論分析[8-9]、超短超強(qiáng)激光裝置劑量的蒙特卡羅模擬與評(píng)估[10-11]、相關(guān)輻射的屏蔽計(jì)算[12]及超短超強(qiáng)激光裝置劑量的實(shí)驗(yàn)測量研究。本文將對(duì)超短超強(qiáng)激光裝置所致劑量的研究進(jìn)展進(jìn)行概述，對(duì)在星光-Ⅲ裝置上開展的X射線劑量測量實(shí)驗(yàn)進(jìn)行介紹，進(jìn)而對(duì)劑量估算公式加以比較和驗(yàn)證。

1 超短超強(qiáng)激光裝置劑量評(píng)估相關(guān)研究進(jìn)展

在超短超強(qiáng)激光裝置劑量評(píng)估的理論與模擬方面，Hayashi等[13]在2006年基于電子加速器的經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)得到可用于估算超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用所致X射線劑量的公式，這一公式可基于電子溫度與電子能量對(duì)激光入射前向的光子劑量進(jìn)行估算。2011年，QIU等[9,14]基于該公式，對(duì)功率密度大于1016W/cm2的激光裝置提出了實(shí)用的輻射防護(hù)劑量估算公式，可直接基于功率密度得到激光入射前向的光子劑量，并將該模型應(yīng)用于世界上第1臺(tái)硬X射線自由電子激光裝置LCLS的MEC實(shí)驗(yàn)站上，開展了輻射屏蔽計(jì)算研究，并提出了分層次的輻射安全系統(tǒng)，為此類裝置的輻射防護(hù)工作提供了參考。

然而，Hayashi等所提出的公式存在一定的局限性，主要是由于該公式是由電子加速器的經(jīng)驗(yàn)公式推導(dǎo)而來的，且做了一系列的假設(shè)，如高Z厚靶、有質(zhì)動(dòng)力加速、電子單向發(fā)射等。由于超短超強(qiáng)激光裝置產(chǎn)生的X射線是由激光與等離子體相互作用產(chǎn)生的超熱電子導(dǎo)致的，其X射線特性研究需建立在對(duì)超熱電子源項(xiàng)進(jìn)行分析的基礎(chǔ)上。文獻(xiàn)[15-21]研究了不同的激光參數(shù)和靶參數(shù)對(duì)超短超強(qiáng)激光裝置產(chǎn)生X射線劑量的影響，通過設(shè)置超熱電子能譜、激光-超熱電子能量轉(zhuǎn)換效率[16, 22-24]及超熱電子發(fā)散角[25]3個(gè)關(guān)鍵參數(shù)，可很好地描述超熱電子源項(xiàng)，可用于模擬研究。本課題組利用蒙特卡羅程序FLUKA對(duì)X射線劑量隨超熱電子溫度、能譜及發(fā)散角的變化進(jìn)行了模擬研究，并基于Haines定標(biāo)率、相對(duì)論麥克斯韋分布及正入射模型提出了用于估計(jì)激光入射方向上X射線劑量的計(jì)算公式[10]為：

H′x=0.044×((1+(2Iλ2/

1.37)0.5)0.5-1)1.77×η(Iλ2)

(1)

其中：H′x為單位激光能量在靶前方1 m處產(chǎn)生的光子劑量，mSv/J；Iλ2為歸一化激光功率密度，1018W/cm2·μm2；η(Iλ2)為激光到超熱電子的能量轉(zhuǎn)換效率。將該公式計(jì)算的結(jié)果與國外不同激光裝置上的實(shí)驗(yàn)測量結(jié)果[13]進(jìn)行比較發(fā)現(xiàn)，該公式的計(jì)算結(jié)果與文獻(xiàn)中的實(shí)驗(yàn)結(jié)果吻合得更好。

2013年，Henderson等[26]在美國奧斯汀的激光裝置Texas上測量得到，當(dāng)脈沖能量為510 J、功率密度為2×1021W/cm2的激光脈沖打在2～10 mm厚的金靶上時(shí)，其在距離靶面1 m處產(chǎn)生的X射線劑量高達(dá)70 mSv。2015年，Liang等[27]對(duì)SLAC國家加速器實(shí)驗(yàn)室的MEC裝置產(chǎn)生的光子劑量進(jìn)行了測量發(fā)現(xiàn)，當(dāng)MEC裝置的激光功率密度為1×1018～7.1×1019W/cm2、激光能量為0.5 ～1 J時(shí)，其打在金、銅與鋁靶上產(chǎn)生的輻射劑量約為7×10-5～0.005 mSv。

2 超短超強(qiáng)激光裝置產(chǎn)生X射線的劑量測量實(shí)驗(yàn)

為進(jìn)一步驗(yàn)證本課題組提出的劑量估算公式，同時(shí)對(duì)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線特性開展深入的研究，本工作在中國工程物理研究院的強(qiáng)激光裝置星光-Ⅲ上對(duì)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線劑量進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)測量，同時(shí)對(duì)不同劑量測量探測器對(duì)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線響應(yīng)進(jìn)行了比較。

2.1 實(shí)驗(yàn)裝置及條件

星光-Ⅲ裝置是百TW級(jí)ps激光裝置，該裝置的ps激光束線能提供最大能量為300 J、脈寬為1 ps、峰值功率為300 TW、功率密度為1019～1020W/cm2的激光。星光-Ⅲ靶室壁的主要材料為鋁鎂合金，平均厚度約為4 cm。靶室壁上設(shè)有玻璃觀察窗，平均厚度約為3 cm。本工作共進(jìn)行了3次激光打靶實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)中采用直徑和厚度均為1 mm的鉭靶，激光入射方向與靶面法線呈15°，其目的是防止靶面濺射污染聚焦光束的離軸拋物鏡。激光參數(shù)列于表1。

表1 激光參數(shù)Table 1 Laser parameter

2.2 X射線劑量測量方法

對(duì)不同角度上的X射線劑量進(jìn)行了測量，實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示。在靶室內(nèi)，采用帶有屏蔽體的熱釋光劑量計(jì)(TLD)，而在靶室外則同時(shí)采用TLD、光致發(fā)光劑量計(jì)(OSL)以在進(jìn)行劑量測量的同時(shí)進(jìn)行不同探測器測量結(jié)果的對(duì)比。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局Fig.1 Layout of experiment device

為了對(duì)強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線劑量角分布進(jìn)行測量，實(shí)驗(yàn)中在相對(duì)激光傳播方向的不同角度上放置多組劑量計(jì)。其中，靶前方-90°～90°方向上的劑量計(jì)位于靶室內(nèi)部，距離靶中心位置50 cm，每個(gè)測量位置上有3個(gè)TLD。-135°、135°和180°方向上的3組劑量計(jì)位于距靶135 cm的靶室觀察窗外，每個(gè)位置上除有3個(gè)TLD外，還增加了1個(gè)OSL。此外，雖然451P空氣電離室一般不適用于超短超強(qiáng)激光裝置產(chǎn)生的脈沖輻射場的劑量測量，但為了比較不同種類探測器在此種超快超強(qiáng)輻射場下的響應(yīng)情況，本實(shí)驗(yàn)也在靶室外側(cè)布置了451P巡測儀，位于-135°方向的觀察窗外，與該處TLD和OSL置于相同位置。

TLD是一種常見的被動(dòng)式劑量探測器，被廣泛地應(yīng)用于超短超強(qiáng)激光產(chǎn)生X射線的劑量測量。本實(shí)驗(yàn)使用了TLD-100H(LiF:Mg，Cu，P)，該型號(hào)的TLD可探測的X/γ射線能量范圍為20 keV～10 MeV，劑量范圍為10 μGy～10 Gy。為了保證更準(zhǔn)確的測量，使用中國計(jì)量科學(xué)研究院的137Cs源對(duì)TLD片進(jìn)行嚴(yán)格的篩選，實(shí)驗(yàn)中使用的TLD分散性達(dá)到±1%。劑量計(jì)檢定工作由中國計(jì)量科學(xué)研究院137Cs放射源裝置檢定，檢定量為空氣比釋動(dòng)能。

圖2 靶室內(nèi)TLD的屏蔽設(shè)計(jì)Fig.2 Shielding design for TLD in target chamber

強(qiáng)激光與固體靶的相互作用會(huì)向外發(fā)射高能的電子、光子等多種粒子，這些粒子均會(huì)在靶室內(nèi)部產(chǎn)生輻射劑量，而由于靶室壁對(duì)電子及其他一些粒子的屏蔽作用，靶室外的劑量主要來自光子，但靶室外的劑量會(huì)受到更多因素如靶室壁屏蔽等的干擾。為了使靶室內(nèi)的TLD測量結(jié)果僅表征X射線產(chǎn)生的劑量，實(shí)驗(yàn)中在TLD周圍設(shè)置一系列屏蔽組件(圖2)。考慮到能量為9 MeV的電子在有機(jī)玻璃(PMMA)中的射程約為3.9 cm，而靶室內(nèi)的散射光子能量一般在500 keV以下，僅需1.8 cm厚的鉛就可將其衰減至原來的1/20[28]，實(shí)驗(yàn)中采用的屏蔽構(gòu)成為4 cm厚的PMMA、2 cm厚的鉛和5 mm厚的銅，分別用于屏蔽電子、散射光子及電子產(chǎn)生的特征X射線。

為驗(yàn)證上述屏蔽的效果，本文在電子溫度為1 MeV且超熱電子能譜服從麥克斯韋分布的情況下，模擬計(jì)算了超熱電子產(chǎn)生的不同類型射線對(duì)屏蔽后的TLD劑量貢獻(xiàn)，模擬結(jié)果列于表2。

表2 不同類型射線對(duì)探測器的劑量貢獻(xiàn)Table 2 Dose contribution of different types of radiations to detector

從表2中可看到，在加裝上述屏蔽結(jié)構(gòu)后，TLD中沉積的能量主要由靶發(fā)射出的光子造成，由電子產(chǎn)生的劑量僅占據(jù)了不到1%，而散射光子與軔致輻射光子對(duì)探測器總劑量的貢獻(xiàn)則小于17%。由于該屏蔽結(jié)構(gòu)中的PMMA對(duì)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用所產(chǎn)生的X射線(即所希望測量的對(duì)象)也有一定的衰減，在對(duì)實(shí)驗(yàn)結(jié)果的分析中根據(jù)X射線的平均能量進(jìn)行了修正。

2.3 結(jié)果與分析

1) 測量結(jié)果不確定度分析

在對(duì)TLD數(shù)據(jù)進(jìn)行處理的過程中，主要考慮的是A類和B類兩類不確定度。其中A類標(biāo)準(zhǔn)不確定度即為重復(fù)多次測量平均值的標(biāo)準(zhǔn)差，B類標(biāo)準(zhǔn)不確定度的主要來源有校準(zhǔn)不確定度、能量響應(yīng)不確定度、非線性不確定度及角響應(yīng)不確定度。對(duì)于本次實(shí)驗(yàn)，劑量計(jì)檢定單位給出的TLD校準(zhǔn)不確定度為5.4%，而根據(jù)本實(shí)驗(yàn)中的X射線劑量及光子平均能量，可估計(jì)非線性不確定度約為2%，能量響應(yīng)不確定度約為2%。另外，根據(jù)此前的比對(duì)實(shí)驗(yàn)，得到TLD 0°～90°方向上的角響應(yīng)不確定度約為3%。

本實(shí)驗(yàn)中使用的是蘭道爾公司的OSL，其主要成分是Al2O3:C。該OSL劑量計(jì)的X/γ射線能量探測范圍為5 keV～20 MeV，其劑量探測范圍為0.01 mSv～10 Sv。對(duì)于OSL的測量不確定度，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，當(dāng)劑量超過1 mSv后，OSL的不確定度一般在10%左右[29]。

2) X射線劑量角分布

圖3為3次激光打靶實(shí)驗(yàn)測量到的光子劑量隨角度的分布。其中，橫坐標(biāo)θ為測量角度與激光傳播方向的夾角，縱坐標(biāo)為單位激光能量在距源1 m處產(chǎn)生的光子劑量。可看到，隨角度的增大，X射線劑量逐漸減小。其中，位于激光入射方向(0°)附近的X射線劑量為6.2～40.5 μSv/J，90°方向上的X射線劑量為2.7～7.3 μSv/J，而在180°方向上，X射線劑量為1.6～3.2 μSv/J。可發(fā)現(xiàn)，隨激光功率密度的增大，激光入射方向的X射線劑量增加較為明顯，相比之下，大角度方向上的X射線劑量則變化較小，即隨激光功率密度的增加，X射線劑量分布的前向性越發(fā)明顯，這與超熱電子溫度的增加有關(guān)，低能電子產(chǎn)生的X射線趨于各向同性發(fā)射，而高能電子產(chǎn)生的X射線則具有很好的前向性。另外，X射線劑量角分布大體上服從高斯分布，但具有一定的不對(duì)稱性，靠近靶背法線方向一側(cè)的劑量略高，這與超熱電子發(fā)射的不對(duì)稱性有關(guān)。

圖3 實(shí)測X射線劑量角分布Fig.3 Measured X-ray dose angular distribution

3) 與劑量估算公式結(jié)果的比較

為了對(duì)本課題組提出的劑量估算公式進(jìn)行驗(yàn)證，本文進(jìn)一步將本實(shí)驗(yàn)在激光0°方向測得的X射線劑量與使用Hayashi等提出的公式及本課題組提出的公式計(jì)算得到的結(jié)果進(jìn)行了比較，結(jié)果如圖4所示。圖4同時(shí)給出了Lefebvre等[30]在LULI激光裝置上的測量結(jié)果，其使用的激光、靶參數(shù)與本實(shí)驗(yàn)接近。可看出，星光-Ⅲ裝置上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果與式(1)的計(jì)算結(jié)果、LULI的實(shí)驗(yàn)結(jié)果均符合較好，而Hayashi等提出的公式則存在明顯的劑量高估現(xiàn)象，從而驗(yàn)證了使用式(1)對(duì)超短超強(qiáng)激光裝置所產(chǎn)生的X射線劑量進(jìn)行評(píng)估的準(zhǔn)確性。

圖4 不同公式計(jì)算的劑量結(jié)果及實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比Fig.4 Comparison of doses calculated by different estimation formulas and experimental results

4) 不同探測器的測量結(jié)果比較

表3列出了TLD、OSL與451P空氣電離室在靶室外的不同方向上測量的劑量結(jié)果，可發(fā)現(xiàn)，OSL與TLD的測量結(jié)果符合較好，二者測量結(jié)果之間的偏差主要來自于自身的測量誤差。而451P電離室則出現(xiàn)了明顯的劑量低估現(xiàn)象，這一現(xiàn)象可能與其響應(yīng)時(shí)間慢及載流子自身的復(fù)合現(xiàn)象有關(guān)。

表3 TLD、OSL與451P電離室在靶室外的測量結(jié)果Table 3 Measurement result of TLD, OSL and 451P ionization chamber outside target chamber

注：1) 假設(shè)X射線平均能量為0.5 MeV，采用的空氣比釋動(dòng)能-周圍劑量當(dāng)量轉(zhuǎn)換系數(shù)為1.2 Sv/Gy

3 結(jié)論

本文利用中國工程物理研究院的星光-Ⅲ裝置對(duì)超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生的X射線劑量開展了實(shí)驗(yàn)測量研究。為了僅測量超熱電子和固體靶作用所產(chǎn)生的X射線劑量，設(shè)計(jì)了用于屏蔽靶室內(nèi)超熱電子和散射光子的屏蔽結(jié)構(gòu)，并開展蒙特卡羅模擬計(jì)算以對(duì)其屏蔽效果加以驗(yàn)證，計(jì)算結(jié)果表明，TLD中沉積的能量主要由靶發(fā)射出的X射線貢獻(xiàn)。利用TLD和OSL測量得到了在激光功率密度為7×1018、2×1019與4×1019W/cm2的條件下，激光在前向方向上產(chǎn)生的X射線劑量范圍為6.2～40.5 μSv/J，側(cè)向方向上產(chǎn)生的X射線劑量范圍為2.7～7.3 μSv/J。通過公式對(duì)比驗(yàn)證了該公式的準(zhǔn)確性，對(duì)不同劑量測量探測器的響應(yīng)進(jìn)行比較，發(fā)現(xiàn)OSL與TLD的測量結(jié)果符合較好，而451P電離室則出現(xiàn)了明顯的劑量低估現(xiàn)象。本文結(jié)果為超短超強(qiáng)激光裝置的輻射防護(hù)工作提供了一定的參考。