基于金刚石超短超强激光脉冲X射线剂量仪研制

宋鸿鹄,武 祯,邱 睿,魏朔阳,宫 辉,张 辉,李君利

(1.清华大学 工程物理系,北京 100084;2.粒子技术与辐射成像教育部重点实验室,北京 100084)

随着超短脉冲激光技术的发展,国内外涌现出许多功率密度超过1018W/cm2的超短超强激光装置[1-2]。根据强激光装置委员会[3]数据统计,世界范围现有强激光装置数量为103个,相较于2009年数量增加超过一倍。这些装置的出现促成了许多前沿学科的出现,如激光驱动的超快X射线源等[4-7]。当超短超强激光与固体靶相互作用时,预脉冲激光会在极短时间内剥离掉靶表面原子的核外电子,形成高温高密度等离子体,之后主脉冲激光将进一步与等离子体相互作用并通过多种加速机制加速电子使其变为超热电子。电子进一步输运并通过高密度固体靶时,发生轫致辐射产生脉冲X射线,此类脉冲X射线具有持续时间短(ps)、射线注量大(1012keV-1·sr-1)、能谱范围宽(数十MeV)、瞬时剂量率高(109Gy/s)等特点。

在实验中观测到超短超强激光与固体靶相互作用过程中会产生显著的辐射剂量,为周围环境和工作人员带来了辐射风险[8-10],超短超强激光装置的电离辐射防护问题非常有必要研究。目前多采用被动式剂量计(如TLD、OSL等)对激光装置周围辐射水平进行监测。重频数是激光装置未来发展的重要指标[2],随着激光打靶频次的增加,对激光装置所致脉冲辐射场剂量水平在线监测将变得尤为重要。实验中发现常用的主动式剂量计存在低响应问题[11-12],目前还缺少超短超强激光装置的剂量在线监测手段。本文基于金刚石探测器研制了一台主动式剂量测量仪[13],对其性能开展了模拟计算和实验测试分析。

1 金刚石剂量测量仪器

1.1 金刚石探测器

金刚石剂量测量仪实物如图1所示,测量仪主体由金刚石半导体探测器[14]、预积分电路以及电磁屏蔽外壳组成。金刚石探测器灵敏体积为:4.5 mm×4.5 mm×0.14 mm。考虑辐射场存在的电磁脉冲干扰因素,确保测量仪器在辐射监测期间剂量测量功能不中断,电池模块与金刚石探测器整体被封装于铝壳中。

图1 金刚石剂量测量仪实物图

1.2 工作原理

在超短超强激光产生的脉冲X射线辐射场中,单脉冲电荷的产生时间为亚纳秒量级,瞬时电流约为0.2 A。对于金刚石探测器输出的瞬时大电流进行测量,采用预积分电路对电流进行滤波处理,利用弱电流测量电路来实时测量金刚石探测器产生的脉冲电流。图2为金刚石剂量测量仪工作原理示意图,通过对金刚石探测器输出的电流积分获得探测器收集到的电荷值,进行A/D转换后做数据处理,最终将电荷转换为剂量。本仪器目前支持剂量阈值报警、数据存储与读出等功能。

图2 金刚石剂量测量仪工作原理图

2 模拟计算与实验测量校准

(1)

式中,Q为电荷量,C,通过模拟金刚石探测器位置处的能量沉积获得;K为相同位置下空气比释动能,Gy。通过两者比值即可获得探测器对X射线能量响应R,pA/(mGy/h)。

根据GB/T 12162.3—2004规定,通过改变剂量仪相对于辐射入射方向进行角响应测量。考虑到金刚石剂量测量仪的应用场景,能谱平均能量以及仪器对称性,选择137Cs对仪器进行0～180°范围校准实验。以垂直地面方向为旋转轴,金刚石灵敏体积为圆心,进行角响应校准实验。在模拟中通过改变锥形束相对于测量仪器的入射方向获得角响应。

2.1 剂量测量仪模拟计算

考虑结构材料散射或各项异性设计带来的影响,采用蒙特卡罗软件FLUKA[15]对金刚石剂量测量仪进行了精细建模,如图3所示,包括样机整体金属结构、内部电池,探测器金属封装与电极材料等因素。FLUKA中采用Precision物理模型,电子、光子对应输运阈值与产生阈值设置为1 keV,源项设置为锥形束,大小可覆盖整个仪器。基于以上设置,完成对仪器的能量、角度响应模拟分析。

图3 金刚石剂量测量仪FLUKA精细建模

2.2 校准实验

金刚石剂量测量仪搭建完成后,在中国计量科学研究院对仪器开展了校准实验,如图4所示。实验内容包括仪器对于X射线、137Cs、60Co(距离源1 m处活度为95.9 mCi)的能量响应,剂量率响应(剂量率范围为:3.39 mGy/h～10.58 Gy/h),以及仪器对于137Cs的角响应。

图4 剂量测量仪的校准实验

2.2.1剂量率实验校准

在137Cs和60Co两种辐射场中测得仪器的剂量率线性如图5和图6所示,采用最小二乘法对测量数据进行拟合可得到测量仪的剂量率线性度以及能量响应。表1为剂量测量仪对不同能量X射线以及放射源的响应;剂量测量仪器对6种能量X射线以及2个辐射源所得拟合线性度分别为:1.02、1.02、1.00、1.01、1.02、1.00、0.86、0.87。

表1 剂量测量仪对不同能量射线的响应与剂量率线性度

图5 剂量测量仪对137Cs源射线响应

图6 剂量测量仪对60Co源射线响应

图7 金刚石剂量测量仪校准能量响应与(效率修正)模拟响应比较

2.2.2角响应实验校准

金刚石剂量测量仪对剂量率为30 mGy/h的137Cs源校准的角响应结果如图8所示,模拟角响应与实验测量结果整体趋势相当。仪器在0～180°范围内具有较高的一致性,最大差异为17.9%,满足GB/T 12162.3对仪器角响应不超过30%的规定。90°～180°范围响应结果相较于0°～90°略高,可能是由于在金属电极材料附近的剂量增强效应所致[17]。

图8 金刚石剂量测量仪的角响应校准结果

3 脉冲辐射场测试

基于电子加速器以及超短超强激光装置开展了相关实验,比较了金刚石剂量测量仪与标准电离室所测脉冲X射线剂量水平,验证金刚石剂量测量仪的可行性。

3.1 电子脉冲加速器测试

使用同方威视3 MV和6 MV电子加速器产生不同能量的X射线,通过改变电子脉冲频率控制X射线剂量水平。辐射场内某一参考点单位时间X射线剂量水平由30013 Farmer型电离室(灵敏体积:0.6 cm3)进行测量,配套PTW Unidos Webline剂量监测计进行读出。测量过程中始终保持本剂量测量仪内金刚石与Unidos电离室灵敏体积位置相同。测量结果如图9和图10所示,可以看出两者给出的1 s内的剂量基本一致,最大偏差不超过7%。

图9 3 MV电子加速器测量结果

图10 6 MV电子加速器测量结果

3.2 激光脉冲X射线测试

为进一步验证仪器的可行性,在“XG-III”超短超强激光装置上进行了实验测试,实验布局如图11所示,在激光装置靶室内强激光与靶相互作用产生脉冲X射线,使用滤片堆栈谱仪测量激光出射方向的X射线能谱,使用剂量测量仪和校准的TLD探测器测量靶室外相同位置处的X射线剂量。为直观表明仪器在不同激光装置中的适用性,图12中给出了XG-III和SG-II Upgrade激光装置中测量的能谱,其中#011～#015发次为SG-II Upgrade装置测量结果,#032～#034发次为XG-III测量结果。

图11 XG-III激光装置中实验布局图

图12 SG-II Upgrade与XG-III激光装置上测量X射线谱

在FLUKA模拟中,采用实验装置布局进行建模,辐射源项为实验测量X射线能谱,采用2.1节方法获得剂量测量仪对激光装置产生脉冲X射线如图12的模拟响应,使用2.2.1节所得电荷收集效率因子对上述模拟响应进行修正,测量结果列于表2。

表2 FLUKA计算模拟响应与实验响应

将表2中剂量测量仪所测量电荷(电流)转化为剂量,与TLD测量结果绘制于图13,可以看出二者结果整体符合情况良好,较为均匀地分布在y=x直线附近,两者之间最大测量误差不超过36%,进一步验证了剂量测量仪应用于超短超强激光装置进行剂量测量的可行性。

图13 金刚石测量剂量与TLD测量结果对比

4 结果与讨论

超短超强激光装置中产生的脉冲X射线注量高,能量大,对职业工作人员会产生辐照风险。目前多采用被动式剂量计(如TLD、OSL等)对激光装置周围辐射水平进行监测,随着激光打靶频次的增加,对激光装置所致脉冲辐射场剂量水平在线监测将变得尤为重要,实验中发现常用主动式剂量计存在低响应问题,目前还缺少超短超强激光装置的剂量在线监测手段。本工作基于课题组所研制金刚石剂量测量装置,在标准辐射场中开展了能量校准与角响应校准实验,获得了仪器的电荷收集效率修正因子,验证了该仪器具有较好的角响应一致性。在3、6 MV脉冲电子加速器以及超短超强激光装置XG-III上进行了实验测试,基于上述电荷收集效率以及响应因子对剂量测量仪器的测量结果进行修正,获得了与TLD探测器和Unidos剂量率仪较为一致的结果。基于以上工作,进一步验证了该剂量测量仪应用于超短超强激光装置剂量在线监测的可行性,为此类脉冲辐射场的剂量测量手段提供参考。