CN113721284A - 脉冲x射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置及方法，属于脉冲功率技术测量领域，具有吸收辐射场内的电子和测量辐射场内光子数与电子数之比的功能，包括二极管、真空实验腔、实验腔后端盖板及剂量测量系统和电流测量系统。二极管与真空实验腔连接为一体，实验腔后端盖板密封连接真空实验腔，剂量测量系统测量脉冲X射线的剂量分布；电流测量系统测量辐射场内电子；由剂量和能谱计算得到光子数，电流计算得到电子数，获得光子数与电子数之比。本发明在吸收辐射场中电子的同时对光子影响较小，有效减小了脉冲X射线效应试验中电子的干扰，建立了辐射场内的光子数与电子数之比测量系统，有助于后续试验中对脉冲X射线效应进行更准确的分析。
Description
技术领域
本发明属于脉冲功率技术测量领域，涉及一种对脉冲X射线辐射场内电子的吸收结构和辐射场内的光子数与电子数之比测量装置及方法。
背景技术
脉冲X射线一般由真空二极管产生，高压脉冲加载到二极管，阴极发射电子，在二极管间隙中通过电场加速，轰击阳极转换靶。电子接近靶材料原子核时速度迅速降低，发生轫致辐射形成脉冲X射线，并有少量电子穿透阳极靶。阳极靶材料原子序数越大，靶的转换效率越高，产生脉冲X射线的强度越高。因此，一般选用高原子序数的金属材料作为转换靶。现有技术中，开展系统电磁脉冲效应、生物效应等研究时，效应物会受到光子和电子的共同作用，难以区分脉冲X射线的影响。因此，需要一种辐射场内的电子吸收结构，减少辐射场内的电子，且对光子的影响尽量小，以便后续脉冲X射线效应试验的开展。
为了评价脉冲X射线辐射场中光子与电子的占比，区分电子与光子对效应物的影响，需要测量光子数与电子数，为后续试验中更准确分析脉冲X射线效应提供支持。
发明内容
为了克服上述现有技术的缺点，本发明的目的在于提供一种脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置及方法，实现吸收辐射场内的电子和测量辐射场光子数与电子数的功能，评价脉冲X射线辐射场中光子与电子的占比，测量光子数与电子数，进而区分电子与光子对效应物的影响。
为了达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
本发明所公开的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，真空实验腔以及与真空实验腔呈一体设计的二极管，所述二极管设置在真空实验腔的一端，真空实验腔的另一端设有用于密封的实验腔后端盖板，在真空实验腔内还设有剂量测量系统和电流测量系统的罗氏线圈，且剂量测量系统嵌设在电流测量系统的罗氏线圈内侧，罗氏线圈与剂量测量系统同轴且均垂直于脉冲X射线方向设置；
所述剂量测量系统包括剂量片支架底板、盖板、剂量片和支撑底座；剂量片端面朝向脉冲X射线入射方向，放置在剂量片支架底板上由盖板固定，支撑底座嵌设在罗氏线圈内，剂量片支架底板固定在支撑底座上。
优选地，所述二极管包括真空绝缘隔板、阴极支座、二极管阴极和二极管阳极复合靶及固定结构；其中，阴极支座与真空绝缘隔板相连，二极管阳极复合靶及固定结构与真空实验腔相连，二极管阴极设置在阴极支座上，高压脉冲从二极管阴极输入。
优选地，所述二极管阳极复合靶及固定结构包括金属转换靶、聚乙烯膜、聚乙烯膜压环和金属转换靶固定结构；金属转换靶固定结构压紧并拉平金属转换靶，聚乙烯膜压环将聚乙烯膜固定在金属转换靶外侧。
更进一步地，金属转换靶选择高原子序数的材料，提高转换效率。
优选地，所述剂量片为氟化锂热释光探测器，氟化锂热释光探测器辐照区直径为4.5mm，氟化锂热释光探测器厚度为0.8mm，其测量范围10μGy-10Gy。
优选地，所述剂量片支架底板上开设有若干用来放置剂量片的凹槽，若干凹槽在剂量片支架底板上沿两个相互垂直的半径方向设置，且相邻凹槽之间间隔1cm。
优选地，罗氏线圈为差分式罗氏线圈，罗氏线圈设置有金属屏蔽外壳，经金属屏蔽外壳上BNC电缆头输出测量信号，金属屏蔽外壳与X射线系统外壳绝缘，不共地。
优选地，所述电流测量系统还包括数据传输单元和数据采集单元，数据传输单元和数据采集单元设置在真空实验腔外，罗氏线圈的测量结果通过数据传输单元传输至数据采集单元。
本发明还公开一种使用脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
步骤一：高压脉冲加载到二极管，转换形成脉冲X射线后，进入真空实验腔，真空实验腔内的剂量测量系统测量得到脉冲X射线剂量分布并通过计算得到总剂量，由总剂量和脉冲X射线的能谱分布计算得到总光子数；
步骤二：采用罗氏线圈测量电流，由电流得到辐射场中的总电子数；
步骤三：计算得到总光子数与总电子数之比。
优选地，步骤一中，每个剂量片测量值代表的面积随半径增加，通过面积加权求出测量面的总剂量，所述脉冲X射线的剂量是指吸收剂量，根据不同能段X射线的吸收剂量与光子注量的转换关系求出光子注量，即单位面积的光子数，再乘以辐照面积得到总光子数；
优选地，步骤二中，总电子数通过电流测量系统内的罗氏线圈测得电流计算，所测电流在脉冲X射线产生时间内积分得到。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
本发明公布的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，二极管与真空实验腔一体化设计，保持相同的真空度，电流测量系统的罗氏线圈和剂量测量系统放置在真空实验腔内，剂量测量系统嵌在电流测量系统的罗氏线圈内侧，电流测量系统的罗氏线圈和剂量测量系统同轴放置，用于测量同一位置的剂量与电流，得出光子数与电子数之比，减小外界因素带来的误差；本发明公布的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，操作简单，使用方便；可以应用在气压不低于10-3Pa的真空环境中，可以直接放置在与二极管相连的实验腔中，使用便捷，为后续效应实验的开展提供数据支持。
进一步地，二极管阳极复合靶及固定结构，包括金属转换靶、聚乙烯膜、聚乙烯膜压环和金属转换靶固定结构；电子吸收装置与金属转换靶共同通过聚乙烯膜压环和金属转换靶固定结构固定构成复合靶，无需额外附加装置，聚乙烯膜在吸收电子的同时对X射线的影响较小，达到了吸收效果好、操作简单等有益效果。
进一步地，采用辐照区直径4.5mm，厚度0.8mm，测量范围10μGy-10Gy的氟化锂热释光探测器为剂量片，体积小、使用方便。
进一步地，剂量片支架底板上沿两个相互垂直的半径方向间隔1cm设置若干凹槽放置剂量片，呈辐射状布置，可以同时获得辐射场的强度和均匀性。
进一步地，本发明采用的差分式罗氏线圈带有金属屏蔽外壳，与X射线系统外壳绝缘、不共地，克服了强辐射场对小电流测量的干扰，配合数据采集和处理系统，能够较准确的得到辐射场内的电子数目。
本发明提供的使用脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置进行测量的方法，光子数通过脉冲X射线的能谱和剂量计算得到；电子数通过罗氏线圈测得的电流在脉冲X射线产生时间内积分得到，电流为示波器的电压信号除以标定得到的灵敏度；同时测量出光子数与电子数之比，实现吸收辐射场内的电子和测量辐射场光子数与电子数的功能，使用便捷，为后续效应实验的开展提供数据支持。
附图说明
图1为本发明二极管及真空实验腔结构示意图；
图2为本发明剂量测量系统结构示意图；
图3为本发明光子数与电子数测量布局示意图；
图4为本发明实验测得的辐射场内剂量随半径分布图。
其中：1-二极管；2-真空绝缘隔板；3-阴极支座；4-二极管阴极；5-金属转换靶；6-聚乙烯膜压环；7-金属转换靶固定结构；8-真空实验腔；9-实验腔后端盖板；10-剂量片支架底板；11-盖板；12-固定螺钉；13-剂量片；14-支撑底座；15-二极管阳极复合靶及固定结构；16-罗氏线圈。
具体实施方式
为了使本技术领域的人员更好地理解本发明方案，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分的实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都应当属于本发明保护的范围。
需要说明的是，本发明的说明书和权利要求书及上述附图中的术语“第一”、“第二”等是用于区别类似的对象，而不必用于描述特定的顺序或先后次序。应该理解这样使用的数据在适当情况下可以互换，以便这里描述的本发明的实施例能够以除了在这里图示或描述的那些以外的顺序实施。此外，术语“包括”和“具有”以及他们的任何变形，意图在于覆盖不排他的包含，例如，包含了一系列步骤或单元的过程、方法、系统、产品或设备不必限于清楚地列出的那些步骤或单元，而是可包括没有清楚地列出的或对于这些过程、方法、产品或设备固有的其它步骤或单元。
下面结合附图对本发明做进一步详细描述：
如图1所示，本发明较佳实施例的二极管1与真空实验腔8一体化设计，保持相同的真空度，由真空绝缘隔板2、系统外壳和实验腔后端盖板9密封真空，实验时真空实验腔8中的真空度应保持在10-3Pa量级，以保证二极管1的绝缘和脉冲X射线的产生。二极管1主要由真空绝缘隔板2、阴极支座3、二极管阴极4、金属转换靶5、金属转换靶固定结构7、聚乙烯膜压环6和聚乙烯膜组成，金属转换靶固定结构7压紧并拉平金属转换靶5，聚乙烯膜压环6将聚乙烯膜固定在金属转换靶5外侧组成二极管阳极复合靶及固定结构15，二极管的阴极支座3与真空绝缘隔板2相连，二极管的阳极转换靶及固定结构15与真空实验腔8相连，二极管阴极4设置在阴极支座3上，阴极支座3设置在阳极转换靶及固定结构15和真空绝缘隔板2之间，高压脉冲从二极管阴极4输入，其中金属转换靶5一般选择高原子序数的材料，提高转换效率。本实施例中选用的金属转换靶5为20μm厚的钽膜，金属转换靶5与聚乙烯膜、聚乙烯膜压环6和金属转换靶固定结构7共同组成二极管阳极复合靶及固定结构15。
高压脉冲从二极管阴极4输入，二极管阳极接地，与系统外壳相连。脉冲加载到二极管1阴阳极间，在高压脉冲电场的作用下，二极管阴极4发射电子并在间隙中被加速，轰击金属转换靶5，发生轫致辐射转换为X射线，部分电子会穿透金属转换靶5，聚乙烯膜在其后吸收电子。实验腔中放置剂量测量系统和电流测量系统的罗氏线圈16，测量结果通过系统外壳壳体上的接口引出。
如图2所示，本发明的剂量测量系统包括剂量片支架底板10、盖板11、固定螺钉12、支撑底座14，剂量片13端面朝向脉冲X射线入射方向，放置在剂量片支架底板10上由盖板11固定，支撑底座14嵌设在罗氏线圈16内，剂量片支架底板10固定在支撑底座14上，剂量片支架底板10上沿两个相互垂直的半径方向间隔1cm设置凹槽放置剂量片13，每个凹槽直径5mm，共21个，支撑底座14支撑固定剂量片支架底板10；支撑底座14采用尼龙材质制成半圆形状。剂量片13选用直径4.5mm，厚0.8mm的圆形氟化锂热释光探测器，测量范围10μGy-10Gy，氟化锂热释光探测器主要是氟化锂LiF组成，包含镁Mg、铜Cu、磷P成分，使用前进行退火处理，保证测量的准确性。剂量片13呈辐射状布置，既可以得到辐射场剂量最大值，又能得到X射线的分布均匀性，可以根据需要放置不同数量的剂量片13。
如图3所示，由二极管阴极4发射的电子经过金属转换靶5和聚乙烯膜进入真空实验腔8中，剂量片13及剂量片支架底板10、支撑底座14与罗氏线圈16放置在真空实验腔8同一位置处，在罗氏线圈16所包围的区域布置剂量片13，测量同一位置的剂量与电流，得出光子数与电子数之比。其中，光子数由脉冲X射线的能谱和剂量计算得到，电子数由罗氏线圈16测得的电流在脉冲X射线产生时间内积分除以电子电荷得到。本发明的罗氏线圈16在矩形截面的圆环尼龙骨架上绕制，采用不锈钢外壳电磁屏蔽制成。由于透射电子束流较小，容易受到测试环境电磁辐射的干扰，影响测量结果，因此使用差分型绕制。本实施例中罗氏线圈16采用自积分电路结构输出波形，输出电压与待测电流成正比，无需外接积分器。使用前对罗氏线圈16的灵敏度进行标定，信号源产生被测电流，连接50Ω匹配电阻，使用标准电流环与待标定的罗氏线圈16同时测量信号源的输出电流，比对二者波形标定罗氏线圈的灵敏度。罗氏线圈16测量得到的电流信号由示波器采集的电压信号除以灵敏度得到。
参见图1、图2及图3，脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，包括二极管阳极复合靶及固定结构15、二极管1后真空实验腔8内的剂量测量系统和用于测量电子数目的电流测量系统；二极管阳极复合靶及固定结构15由高原子序数的金属转换靶5、聚乙烯膜、聚乙烯膜压环6和金属转换靶固定结构7组成，金属转换靶固定结构7固定金属转换靶5，聚乙烯膜压环6将聚乙烯膜固定在金属转换靶5外侧。电子经金属转换靶5发生韧致辐射产生脉冲X射线，聚乙烯膜在金属转换靶5后吸收透过的电子；剂量测量系统包括剂量片支架底板10、盖板11、剂量片13和支撑底座14；，剂量片13端面朝向脉冲X射线入射方向，放置在剂量片支架底板10上用盖板11固定，剂量片支架底板10固定在支撑底座14上。经如图2布置测量脉冲X射线剂量分布；电流测量系统包括差分式罗氏线圈16、数据传输单元和数据采集单元，罗氏线圈16在与剂量片同一位置处，垂直于脉冲X射线方向，使辐射场内的电子全部穿过罗氏线圈16；光子数与电子数之比，根据剂量、能谱和电流值计算得到。
所述二极管阳极复合靶及固定结构15由聚乙烯膜压环6和金属转换靶固定结构7固定，其中聚乙烯膜压环6固定聚乙烯膜，聚乙烯膜在金属转换靶5后吸收电子。
所述剂量测量系统内的剂量片支架底板10、盖板11、固定螺钉12和支撑底座14由聚乙烯和尼龙制成，；其中，剂量片支架底板10上设置间距1cm、半径方向相互垂直的21个凹槽，放置剂量片13；盖板11厚度1mm，通过螺钉12与剂量片支架底板10固定。
所述罗氏线圈16由矩形截面的尼龙材料作为骨架，差分绕线绕制100匝制成，不锈钢外壳屏蔽保护，经不锈钢外壳上BNC电缆头输出测量信号，不锈钢外壳与脉冲X射线系统外壳绝缘，不共地。
所述电流信号通过数据传输系统与数据采集系统相连；所述数据传输系统包括同轴电缆和电缆接头，其中，同轴电缆的电缆屏蔽层与脉冲X射线系统的外壳绝缘，不共地，减少干扰。
所述数据采集系统包括示波器和软件，其中软件为Matlab程序编写而成，用于对电流波形的积分处理。
进一步地，光子数通过脉冲X射线的能谱和剂量计算得到；
进一步地，电子数通过罗氏线圈测得的电流在脉冲X射线产生时间内积分得到，电流为示波器的电压信号除以标定得到的灵敏度；
进一步地，通过计算得到辐射场中的光子数与电子数之比。
如图4所示，为本发明实验测得的辐射场内剂量随半径分布图，剂量片13相对中心位置在±5cm之间时，所得剂量较多。
本发明提供一种使用脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置进行测量的方法，具体包括以下步骤：
第一步，用剂量测量系统测量得到脉冲X射线剂量分布并计算总剂量，由总剂量和脉冲X射线的能谱分布计算得到光子数。
每个剂量片13测量值代表的面积随半径增加，通过面积加权求出测量面的总剂量。脉冲X射线的剂量一般是指吸收剂量，即电离辐射授予单位体积中物质的平均能量。在总能量相同的情况下，不同能量脉冲X射线的吸收剂量不同，低能段的剂量较强。由脉冲X射线能谱获得不同能段脉冲X射线的份额，根据不同能段脉冲X射线的吸收剂量与光子注量的转换关系求出光子注量，即单位面积的光子数，再乘以辐照面积得到总光子数。本发明较佳实施例中测得的脉冲X射线平均剂量为50.5mGy，剂量分布如图4所示，根据脉冲X射线能谱求得光子数目为3.9×1013。
第二步，采用电流测量系统测量电流，由电流得到辐射场中的电子数。
电流测量系统内的罗氏线圈16信号经数据传输系统传到示波器，示波器采集到的电压信号除以标定的罗氏线圈16灵敏度为辐射场中的电流信号。该电流信号在脉冲时间内积分得到辐射场中电子的总电荷量，总电荷量除以电子电荷得到辐射场内的电子数目。本发明较佳实施例中测得通过罗氏线圈16测得辐射场内透射电子的总电荷量为1.14nC，辐射场内电子数目为7.1×109。
第三步，计算得到光子数与电子数之比，本发明较佳实施例中测得光子数与电子数之比为5493:1。以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均落入本发明权利要求书的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，包括真空实验腔(8)以及与真空实验腔(8)呈一体设计的二极管(1)，所述二极管(1)设置在真空实验腔(8)的一端，真空实验腔(8)的另一端设有用于密封的实验腔后端盖板(9)，在真空实验腔(8)内还设有剂量测量系统和电流测量系统的罗氏线圈(16)，且剂量测量系统嵌设在电流测量系统的罗氏线圈(16)内侧，罗氏线圈(16)与剂量测量系统同轴且均垂直于脉冲X射线方向设置；
所述剂量测量系统包括剂量片支架底板(10)、盖板(11)、剂量片(13)和支撑底座(14)；剂量片(13)端面朝向脉冲X射线入射方向，放置在剂量片支架底板(10)上由盖板(11)固定，支撑底座(14)嵌设在罗氏线圈(16)内，剂量片支架底板(10)固定在支撑底座(14)上。
2.根据权利要求1所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，所述二极管(1)包括真空绝缘隔板(2)、阴极支座(3)、二极管阴极(4)和二极管阳极复合靶及固定结构(15)；其中，阴极支座(3)与真空绝缘隔板(2)相连，阳极转换靶及固定结构(15)与真空实验腔(8)相连，二极管阴极(4)设置在阴极支座(3)上，高压脉冲从二极管阴极(4)输入。
3.根据权利要求2所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，所述二极管阳极复合靶及固定结构(15)包括金属转换靶(5)、聚乙烯膜、聚乙烯膜压环(6)和金属转换靶固定结构(7)；金属转换靶固定结构(7)压紧并拉平金属转换靶(5)，聚乙烯膜压环(6)将聚乙烯膜固定在金属转换靶(5)外侧。
4.根据权利要求1所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，所述剂量片(13)为氟化锂热释光探测器，氟化锂热释光探测器辐照区直径为4.5mm且厚度为0.8mm，其测量范围为10μGy-10Gy。
5.根据权利要求1所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，所述剂量片支架底板(10)上开设有若干用来放置剂量片(13)的凹槽，若干凹槽在剂量片支架底板(10)上沿两个相互垂直的半径方向设置，且相邻凹槽之间间隔1cm。
6.根据权利要求5所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，罗氏线圈(16)为差分式罗氏线圈，罗氏线圈(16)设置有金属屏蔽外壳，经金属屏蔽外壳上BNC电缆头输出测量信号，金属屏蔽外壳与X射线系统外壳绝缘，不共地。
7.根据权利要求1所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置，其特征在于，所述电流测量系统还包括数据传输单元和数据采集单元，数据传输单元和数据采集单元设置在真空实验腔(8)外，罗氏线圈(16)的测量结果通过数据传输单元传输至数据采集单元。
8.使用权利要求1～7中任意一项所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置进行测量的方法，包括以下步骤：
步骤一：高压脉冲加载到二极管(1)，转换形成脉冲X射线后，进入真空实验腔(8)，真空实验腔(8)内的剂量测量系统测量得到脉冲X射线剂量分布并通过计算得到总剂量，由总剂量和脉冲X射线的能谱分布计算得到总光子数；
步骤二：采用罗氏线圈(16)测量电流，由电流得到辐射场中的总电子数；
步骤三：计算得到总光子数与总电子数之比。
9.根据权利要求8所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置进行测量的方法，其特征在于，步骤一中，每个剂量片(13)测量值代表的面积随半径增加，通过面积加权求出测量面的总剂量，所述脉冲X射线的剂量是指吸收剂量，根据不同能段脉冲X射线的吸收剂量与光子注量的转换关系求出光子注量，即单位面积的光子数，再乘以辐照面积得到总光子数。
10.根据权利要求8所述的脉冲X射线辐射场内的光子数与电子数之比测量装置进行测量的方法，其特征在于，步骤二中，总电子数通过电流测量系统内的罗氏线圈(16)测得电流计算，所测电流在脉冲X射线产生时间内积分得到。
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