李進(jìn)璽，吳 偉，來定國，程引會，馬 良，趙 墨，郭景海，周 輝

（西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點實驗室，陜西 西安 710024）

不同的應(yīng)用領(lǐng)域?qū)γ}沖X 射線環(huán)境的要求也不同［1-4］。目前，實驗室產(chǎn)生強(qiáng)脈沖X 射線輻射場的技術(shù)路線有等離子體輻射和強(qiáng)流電子束軔致輻射兩種［5-6］。等離子體焦點裝置（DPF）可提供X 射線能量小于60keV、脈寬100ns、單次脈沖總輻射能量達(dá)100J的脈沖X射線場［7］，但輻射窗口很小，可提供給輻照樣品的面積不夠；Z 箍縮等離子體輻射主要產(chǎn)生keV 能段的X 射線［8］。利用高功率電子束加速器產(chǎn)生電子束并使之與物質(zhì)作用產(chǎn)生軔致輻射，是實驗室中產(chǎn)生強(qiáng)脈沖超硬X 射線的機(jī)理之一。理論上，通過強(qiáng)流電子束的軔致輻射可產(chǎn)生任意能段的X 射線，但由于軔致輻射產(chǎn)生X 射線的能譜、轉(zhuǎn)換效率與帶電粒子能量、靶材料等有關(guān)，為滿足研究中對脈沖X 射線輻射場能譜的要求，對軔致輻射靶的物理結(jié)構(gòu)提出了一定的要求。

本工作擬以西北核技術(shù)研究所“閃光二號”加速器的電子束為輸入?yún)?shù)，采用粒子輸運(yùn)模擬程序，研究靶材料對軔致輻射硬X 射線場的影響。

1 物理機(jī)理

電子與物質(zhì)相互作用有以下幾種類型：1）與原子核的非彈性碰撞；2）與原子中電子的非彈性碰撞；3）與原子核的彈性碰撞；4）與原子中電子的彈性碰撞。其中，彈性碰撞不輻射能量，與電子的非彈性碰撞只釋放或激發(fā)電子，而在電子與原子核碰撞時，損失的能量以脈沖的電磁輻射（光子）形式出現(xiàn)。電子穿過原子序數(shù)為Z、厚度為dx 的吸收體時，轉(zhuǎn)換成的光子能量由式（1）［9］表示，也稱為物質(zhì)的輻射阻止本領(lǐng)。

式中：ρ為材料密度，g／cm3；N 為單位體積內(nèi)的原子數(shù)，cm-3；T 為電子動能，MeV；m0為電子靜止質(zhì)量，g；c為光速，m／s；q為電子電荷；k為與電子動能相關(guān)的常數(shù)。

由式（1）可看出，轉(zhuǎn)換成的光子能量dT 與吸收材料厚度dx 呈正比，當(dāng)dx 一定時，輻射阻止本領(lǐng)與吸收材料原子序數(shù)Z 的平方呈正比，并隨電子動能T 的增大而增大。因此，采用薄吸收材料、低Z 材料靶或低能電子束源均能達(dá)到產(chǎn)生較低能量X 射線能譜的目的。

電子轟擊靶產(chǎn)生軔致輻射的同時，也會產(chǎn)生特征X 射線，特征X 射線的能量只與材料特性有關(guān)，但在產(chǎn)生的整個X 射線能譜中，軔致輻射占主要份額；部分高能電子或次級電子將穿透輻射靶進(jìn)入X 射線場，影響了輻射場的特性。為降低輻射場中電子的份額，必須在軔致輻射靶后疊加吸收靶，減小進(jìn)入輻射場中電子的份額，同時，吸收靶對X 射線的衰減要盡可能小。

連續(xù)譜X 射線穿透材料是通過吸收和散射兩種方式衰減的，衰減規(guī)律由式（2）表示：

式中：I0（E）為能量為E 的光子的初始強(qiáng)度；μ（Z，E）為光子的衰減系數(shù)，cm2／g，與光子能量和物質(zhì)屬性相關(guān)；a為穿過物質(zhì)的厚度，g／cm2。衰減系數(shù)μ 是吸收系數(shù)和散射系數(shù)之和。在大多數(shù)情況下，吸收系數(shù)遠(yuǎn)大于散射系數(shù)，因此，散射系數(shù)可忽略。衰減系數(shù)可用吸收系數(shù)近似表示為式（3）［10］：

式中：k為系數(shù)，與射線能量有關(guān)；ρ 為材料密度；λ為入射X 射線的波長。

由式（2）可看出，X 射線穿過物質(zhì)時的衰減隨穿透深度和衰減系數(shù)的增大而增大；由式（3）可看出，X 射線能量一定時，材料的密度和原子序數(shù)越大，對X 射線的衰減也越大。

2 數(shù)值模擬結(jié)果

根據(jù)以上分析，數(shù)值模擬中，輻射靶的結(jié)構(gòu)采用如圖1所示的復(fù)合靶，該靶由高Z 薄靶和低Z 吸收靶構(gòu)成。電子束中的低能電子通過薄靶軔致輻射產(chǎn)生能量較低的X 射線，高能電子部分損失能量并產(chǎn)生能量較高的X 射線，部分透射出靶，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濾透射電子，降低X射線場中的電子份額，從而獲得能譜、劑量和電子份額滿足一定實驗要求的X 射線場。圖1中，高Z 材料選用鉭，低Z 材料選用聚乙烯。

數(shù)值模擬中采用的電子束能譜示于圖2［11］。該能譜是利用測得的“閃光二號”加速器2Ω 電子束二極管的電壓、電流近似計算得到的。采用MCNP 程序模擬分析靶參數(shù)對X射線參數(shù)的影響。

圖1 輻射靶結(jié)構(gòu)Fig.1 Structure of target

圖2 二極管電子束能譜Fig.2 Electron energy spectrum of diode

2.1 鉭厚度對輻射場參數(shù)的影響

本文以鉭靶為例，模擬不同厚度靶對輻射場中X 射線能譜和電子份額的影響。鉭厚度不同時，鉭靶后的輻射X 射線能譜示于圖3。圖3中X 射線能譜的平均能量和X 射線能量轉(zhuǎn)換效率與鉭厚度的關(guān)系分別示于圖4 和圖5。其中，X 射線能量轉(zhuǎn)換效率是指輻射X射線總能量與圖2所示的電子束總能量之比。

鉭厚度不同時，鉭靶后的電子能譜示于圖6；圖3和圖6所示X 射線能譜和電子能譜的總光子數(shù)與總電子數(shù)之比以及光子總能量與電子總能量之比與鉭厚度的關(guān)系示于圖7。

由圖3～5 可看出，輻射X 射線能譜有兩個峰，第1個峰X 射線能量約為10keV，當(dāng)鉭厚度為5μm 時，兩個峰值基本相同，當(dāng)鉭厚度大于5μm時，第2個峰X 射線能量逐漸增大，最后穩(wěn)定在60keV 左右，第1 個峰是鉭的L殼層特征X 射線，而第2個峰是鉭的K 殼層特征X 射線，峰值的移動是因為特征X 射線與軔致輻射貢獻(xiàn)的相對份額變化引起的；輻射X 射線平均能量隨鉭厚度的增加而增大，能量轉(zhuǎn)換效率隨鉭厚度的增大呈非單調(diào)增加，當(dāng)鉭厚度大于60μm 時，能量轉(zhuǎn)換效率開始減小。因此，要獲得能量較低的X 射線，鉭靶的厚度要?。坏沟媚芰哭D(zhuǎn)換效率足夠高，靶厚度又不能太薄。

圖3 鉭厚度與輻射X 射線能譜的關(guān)系Fig.3 Energy spectrum of X-ray vs.tantalum thickness

圖4 X 射線能譜的平均能量與鉭厚度的關(guān)系Fig.4 Average energy of X-ray vs.tantalum thickness

圖5 X 射線能量轉(zhuǎn)換效率與鉭厚度的關(guān)系Fig.5 Conversion efficiency of X-ray vs.tantalum thickness

由圖6、7可看出，輻射場中，總光子數(shù)與總電子數(shù)之比以及光子總能量與電子總能量之比均隨鉭厚度的增加而增大；與X 射線能譜相比，無論是電子數(shù)還是電子總能量的份額均很高。因此，要使得輻射場中電子譜的份額減小，鉭靶要足夠厚，或在鉭靶后增加吸收靶，降低電子份額。

2.2 吸收靶厚度對輻射場參數(shù)的影響

由前面的模擬結(jié)果可看出，當(dāng)鉭厚度為20～30μm 時，X 射線平均能量小于120keV，能量轉(zhuǎn)換效率大于0.6%；但X 射線輻射場中電子譜的份額很大，需在薄靶后增加一層吸收靶，以降低電子份額。以鉭厚度20μm 為例，模擬不同厚度聚乙烯吸收靶對X射線輻射場中X 射線能譜和電子份額的影響，結(jié)果示于圖8～11。

圖6 鉭厚度與鉭靶后電子能譜的關(guān)系Fig.6 Energy spectrum of electron vs.tantalum target thickness

圖7 鉭厚度不同時鉭靶后總光子數(shù)與總電子數(shù)之比及光子總能量與電子總能量之比Fig.7 Ratio of photons to electrons number and total energy for different tantalum thicknesses

圖8 聚乙烯厚度不同時的X 射線能譜Fig.8 X-ray spectrum for different polythene thicknesses

由圖8～11可看出，聚乙烯對X 射線平均能量的影響不是很大，但對電子的吸收效果影響很明顯，聚乙烯厚度為3mm 時，X 射線能量與透射電子的電子能量的比值達(dá)103以上；同時，聚乙烯對低能光子也有一定的衰減。

圖9 X 射線能譜的平均能量與聚乙烯厚度的關(guān)系Fig.9 Average energy of X-ray for different polythene thicknesses

3 數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較

實驗在“閃光二號”加速器2Ω 電子束二極管上進(jìn)行。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果和實驗條件設(shè)計了復(fù)合靶。圖12 為計算和實測的X 射線能譜。實驗和數(shù)值模擬中，復(fù)合靶由23μm 的鉭箔和5mm 的有機(jī)玻璃構(gòu)成。

圖10 聚乙烯厚度不同時的透射電子能譜Fig.10 Forward electron spectrum for 0.5-5mm polythene

圖11 聚乙烯厚度不同時的光子總能量與電子總能量之比Fig.11 Ratio of total energy of photons to electrons for 0.5-5mm polythene

圖12 X 射線能譜Fig.12 Spectrum of X-ray

根據(jù)圖12 可得，X 射線的平均能量為108keV，120keV 以下的光子數(shù)占總光子數(shù)的70%，能量占65%；實測X 射線平均能量為121keV，120keV 以下的光子數(shù)占總光子數(shù)的69%，能量占58%。根據(jù)X 射線劑量、能量和注量的關(guān)系，計算得到X 射線的能注量在700cm2面積上為5.5mJ，400cm2上為23mJ。

實驗中，采用疊片吸收法測軔致輻射X 射線能譜［12］，考慮到探測器的飽和、空氣對X 射線能譜的衰減以及測量與計算誤差，計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合得較好。

4 結(jié)論

采用粒子輸運(yùn)模擬程序，研究了高Z 材料和低Z 材料組成的復(fù)合陽極靶對X 射線場的影響。為使X 射線場參數(shù)滿足實驗要求，并考慮實際工程和實驗要求，以鉭和聚乙烯為例，鉭的厚度應(yīng)選取在20μm 附近，而聚乙烯的厚度應(yīng)大于3mm。以“閃光二號”加速器2Ω 電子束二極管為平臺，設(shè)計了復(fù)合轉(zhuǎn)換靶，實驗得到的X 射線參數(shù)與計算結(jié)果較為一致，復(fù)合陽極靶可作為獲得硬X 射線的一條技術(shù)途徑。

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