黃林茹，姚馨博，王 繼，陳 燦，孫 堅，郭思明，郭曉煒，張小改，徐紅偉

(1.中國計量大學，浙江 杭州 310018； 2.浙江省計量科學研究院，浙江 杭州 310018；3. 中國計量科學研究院，北京 100029)

1 引 言

隨著電離輻射應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，對于計量技術(shù)的需求不斷向極強、極弱等極端情況擴展。為滿足熱核聚變等科技領(lǐng)域探測器性能評定、大型科學儀器診斷元件參數(shù)標定的需求以及材料、能源、環(huán)境、天文等研究領(lǐng)域的發(fā)展，急需進行同步輻射單能X射線能量的測量與量值傳遞方法研究[1,2]。我國已實現(xiàn)了50 eV～6 keV同步輻射光束線強度的絕對測量與量值傳遞[3,4]，目前正在進行6 keV以上X射線能量計量方法的研究。在同步輻射X射線量傳方法研究實驗中，需要確定傳遞探測器的探測效率等性能[5～7]。

美國IRD公司生產(chǎn)的硅光電二極管AXUV-100G的有效面積大,無表面“死層”,量子效率接近100%，還具有高抗輻照能力、暗電流小等優(yōu)異性能，已用于極紫外和軟X射線波段量值傳遞，且被美國NIST、德國PTB等大型實驗室認可作為傳遞標準探測器[8]。

在同步輻射X射線量傳方法研究實驗中，我們選擇AXUV-100G作為傳遞探測器，其有效面積為10×10 mm2，同步輻射光源通過標準探測器后照射在傳遞探測器上的光束大小為φ3 mm光闌的光斑。當照射在傳遞探測器上的光束直徑遠小于探測器的有效面積時，探測器的非均勻性會導致光束照射在探測器不同位置時引入測量誤差。為減小光斑照射在傳遞探測器不同位置帶來的影響，需要標定傳遞探測器的探測效率即傳遞探測器在不同能量光源照射下的響應(yīng)度，再使用傳遞探測器測量光源輻射場的均勻野。

2 實驗原理及實驗裝置

傳遞探測器在不同能量光源照射下的響應(yīng)度，即在X射線輻射場的參考平面處，AXUV-100G在不同輻射質(zhì)射線束照射下復現(xiàn)空氣比釋動能的刻度因子及其重復性。

根據(jù)GB/T 12162.1-2000《用于校準劑量儀和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射第一部分：輻射特性及產(chǎn)生方法》[9]對于場均勻性的規(guī)定：在每一個檢驗點，在整個探測器靈敏體積上空氣比釋動能的變化不應(yīng)超過5%。因此認為在X射線輻射場的參考平面處，X射線束幾何尺寸范圍內(nèi)以X射線束中軸線為原點，AXUV-100G在垂直中軸線的水平方向上劑量分布非均勻性在5%以內(nèi)的輻射野是均勻的。

2.1 空氣比釋動能

空氣比釋動能或空氣比釋動能率(單位時間的空氣比釋動能)是我國現(xiàn)有的X射線輻射計量領(lǐng)域的國家標準量，是電離室輻射領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于統(tǒng)一量值、量值傳遞、檢測校準測量儀表及應(yīng)用過程中質(zhì)量保證的基礎(chǔ)。

比釋動能定義為：在質(zhì)量為dm的某種物質(zhì)中，不帶電粒子釋放出的全部帶電粒子的初始動能總和dEtr除以dm。當定義的物質(zhì)為空氣時，即為空氣比釋動能Kair：

(1)

(2)

2.2 刻度因子

(3)

2.3 實驗裝置

實驗在中國計量科學研究院的低能X射線10～50 kV標準輻射裝置[11,12]上進行，裝置信息見表1。低能X射線標準輻射裝置是電離輻射空氣比釋動能國家計量基準與國家計量標準的重要組成部分，輻射源為X射線光機，產(chǎn)生的低能X射線通過限束光闌，在距離X光機焦斑1.0 m的參考平面處獲得滿足空氣比釋動能量值復現(xiàn)與傳遞的均勻野，水平方向非均勻性在1%以內(nèi)的輻射野直徑約為68 mm，垂直方向非均勻性在1%以內(nèi)的輻射野直徑為91 mm，滿足該參考位置處所有劑量儀的照射。并采用適當?shù)倪^濾器對輻射質(zhì)進行調(diào)整，使其具備與國際標準(ISO)和CCRI會議推薦的輻射質(zhì)規(guī)范比對以及量值復現(xiàn)、傳遞的條件。

表1 低能X射線標準輻射裝置信息Tab.1 The information of low energy X-ray standard radiation device

3 AXUV-100G的探測效率與不確定度

3.1 AXUV-100G的探測效率測量

利用低能X射線標準輻射裝置上的激光定位器，將AXUV-100G固定于距離光機焦斑1 m處，確保X光機焦斑、AXUV-100G中心在同一直線上，圖1為實驗布局圖，圖2為實驗裝置圖。

圖1 標定傳遞探測器實驗布局圖Fig.1 Calibration transfer detector experimental layout

圖2 實驗裝置Fig.2 Experimental Installation

在不同能量射線束的輻照下，每隔20 s測量AXUV-100G產(chǎn)生的電離電流，每個條件下測量10次，由式(3)轉(zhuǎn)化為刻度因子后取平均值，并由式(4)得到AXUV-100G作為傳遞探測器在各個輻射場中復現(xiàn)空氣比釋動能的相對標準偏差即重復性。

(4)

實驗數(shù)據(jù)見表2。圖3表示AXUV-100G在不同能量下的刻度因子曲線。根據(jù)探測器刻度因子η與響應(yīng)度間的特性，當η最小時，探測器的響應(yīng)度最大。同時根據(jù)相關(guān)文獻[8]，探測器在10～40 keV能量范圍內(nèi)的輻射響應(yīng)變化極限以不超過40%為佳。對圖3的關(guān)系曲線進行分析，可得AXUV-100G在輻射質(zhì)有效能量10～40 keV的輻射場中能量響應(yīng)較高。

圖3 AXUV-100G刻度因子與能量的關(guān)系曲線Fig.3 Curve of AXUV-100G scale factor and energy

表2 不同輻射質(zhì)射線束輻照下AXUV-100G的刻度因子Tab.2 The scale factor of AXUV-100G in different radiation substances

3.2 不確定度分析

中國計量科學研究院提供的低能X射線空氣比釋動能基準的研究報告,分析了傳遞探測器復現(xiàn)空氣比釋動能的B類不確定度分量(表3)。由此可得AXUV-100G作為傳遞探測器復現(xiàn)空氣比釋動能的B類不確定度uB=0.285%。探測器測量重復性引入的不確定度分量urel(M10)用A類不確定度評定，計算公式為：

表3 B類標準不確定度匯總表Tab.3 Summery of class B standard uncertainty

(5)

式中：Sr為測量值的相對標準偏差；n為測量次數(shù)。

因此，AXUV-100G作為傳遞探測器復現(xiàn)空氣比釋動能的A類不確定度為uA=urel(M10)。合成不確定度urel與擴展不確定度Urel見表4。在低能X射線輻射場中，AXUV-100G在各個輻射質(zhì)下復現(xiàn)空氣比釋動能的不確定度均為0.57%。

表4 AXUV-100G的不確定度分析表Tab.4 The uncertainty of AXUV-100G (%)

4 AXUV-100G測量低能X射線輻射場的均勻野

將AXUV-100G置于低能X射線輻射場中，距離光機焦斑1 m處的位置，選擇CCRI-50(a)輻射質(zhì)射線束進行輻照。以X射線輻射野中軸線為原點，在垂直中軸線的水平方向上以5 mm為步長向兩端移動AXUV-100G，測量其在每個位置的電離電流，按原點處電流值歸一化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳遞探測器在輻射場中的相對電離電流Fig.4 Relative ionization current of transfer detector in radiation field

分析圖4中曲線可得，距離光機焦斑1 m處水平方向上非均勻性低于1%的輻射野直徑約為61 mm，非均勻性在5%以內(nèi)的輻射野直徑約為96 mm，所得結(jié)果接近標準探測器自由空氣電離室的測量結(jié)果。

5 結(jié) 論

硅光電二極管AXUV-100G作為傳遞探測器在輻射質(zhì)有效能量10～40 keV的輻射場中輻射響應(yīng)較高；在低能X射線輻射場中，不同輻射質(zhì)條件下復現(xiàn)空氣比釋動能的不確定度較小，具有較好的一致性。在CCRI-50(a)輻射質(zhì)射線束輻照下距離光機焦斑1 m處水平方向上，AXUV-100G測量輻射野非均勻性低于1%時的直徑約為61 mm，低于5%時的直徑約為86 mm，且穩(wěn)定性良好。因此AXUV-100G滿足次級傳遞標準量值復現(xiàn)與傳遞的要求，能夠作為同步輻射X射線在10～40 keV范圍內(nèi)能量標定與量值傳遞的傳遞探測器。