CN117388902A - 一种超高剂量率中高能x射线剂量率探测器及其应用 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器及其应用;包括用于屏蔽低能X射线而使中高能X射线通过,并构建电子平衡区域的屏蔽层;用于收集中高能X射线在发射极中产生的二次发射电子的外壳体;屏蔽层与外壳体构成密闭腔体,屏蔽层处于密闭腔体的迎光面上;用于沉积X射线能量,并发射二次电子的发射极;发射极置于密闭腔体内,密闭腔体内为真空环境;以Al平行平板电极作为X射线光电转换部件,收集X射线产生的次级电子在探测器发射极中产生的二次电子对剂量率进行测试;与传统的剂量率探测器具有完全不同的结构;具有较高饱和阈,剂量率探测线性上限达1014rad(Si)/s,满足超高剂量率中高能脉冲X射线剂量率的需求。
Description
技术领域
本发明涉及X射线剂量率测量技术领域,具体涉及一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器及其应用。
背景技术
超高剂量率(109rad(Si)/s以上)的脉冲中高能X射线源(几十到几百keV能段)是开展辐射效应实验研究的有力工具。该能段X射线既具有一定的穿透能力,又具有对原子序数极其敏感的吸收特性。它能够穿过电子学系统的外层,将X射线能量沉积在系统内部并与内部物质相互作用,诱发系统内部结构和器件产生热力学效应、电离辐射效应、瞬态辐照效应(剂量率效应)及系统电磁脉冲等效应。特别是在超高剂量率条件下,各种辐射效应相互耦合,对系统的损伤效应更加明显,作用机制也更加复杂。剂量率作为辐射效应研究的主要输入参数,对其开展精确测试具有重要意义。强脉冲辐射场在极短时间内出现大量粒子,探测器测量输出信号是大量粒子共同作用的结果,具有瞬发剂量高、脉冲宽度窄,持续时间短,测量对象不重复出现等特征。目前市面上的X-γ辐射剂量率仪主要分两类,一类为脉冲计数型,一类为电流电离室型。脉冲计数型存在分辨时间,即计数电路能够分开记录两个相邻信号之间的最小时间间隔,这种剂量率计无法处理脉冲辐射瞬发大量粒子,会出现漏计数,导致剂量率测量值偏低。电流电离室型探测器响应时间最快能达到毫秒量级,不能满足纳秒级快响应测试的需求(周峰,脉冲X射线辐射场监测问题探讨,中国辐射卫生,2016,25(3)261-264.)。时间响应快的Si-PIN探测器饱和阈较低,以300um厚、偏压300V、灵敏面积10mm2为典型值,若耗尽层质量为7mg,计算得到饱和探测电流对应的吸收剂量率为1.6×105Gy/s。而饱和阈值高的康普顿二极管则主要用于高能γ射线剂量率测量,对中高能X射线响应不灵敏。针对脉宽为纳秒至数十纳秒的超高剂量率中高能脉冲X射线剂量率测量问题,目前还没有成熟的直接测试技术。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是:传统的剂量率仪无法处理脉冲辐射瞬发大量粒子,会出现漏计数,导致剂量率测量值偏低,且无法满足纳秒级快响应测试的需求,本发明目的在于提供一种X射线剂量率探测器及其应用,以Al平行平板电极(发射极)作为X射线光电转换部件,通过收集X射线产生的次级电子在探测器发射极中产生的二次电子对剂量率进行测试;与传统的剂量率探测器具有完全不同的结构。本方案提供的X射线剂量率探测器具有很高的饱和阈,能够用于超高剂量率中高能脉冲X射线剂量率测量。
本发明通过下述技术方案实现:
本方案提供一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,包括:
屏蔽层,用于屏蔽第一能量X射线而使第二能量中高能X射线通过,并构建电子平衡区域;所述第一能量为光子能量在10keV以下,所述第二能量为光子能量在10keV以上到一千keV内;
外壳体,用于收集中高能X射线在发射极中产生的二次发射电子;所述屏蔽层与外壳体构成一个密闭腔体,所述屏蔽层处于密闭腔体的迎光面上;
发射极,用于沉积X射线能量,并发射二次电子;所述发射极置于密闭腔体内,密闭腔体内为真空环境。
本方案工作原理:传统的剂量率仪无法处理脉冲辐射瞬发大量粒子,会出现漏计数,导致剂量率测量值偏低,且无法满足纳秒级快响应测试的需求;本发明目的在于提供一种X射线剂量率探测器及其应用,以Al平行平板电极(发射极)作为X射线光电转换部件,通过收集X射线产生的次级电子在探测器发射极中产生的二次电子对剂量率进行测试;与传统的剂量率探测器具有完全不同的结构。本方案提供的X射线剂量率探测器具有很高的饱和阈,能够用于超高剂量率中高能脉冲X射线剂量率测量。
进一步优化方案为,还包括:
准直器,用于使X射线注入密闭腔体的迎光面;所述准直器是中间具有通光准直孔的金属圆柱体。
进一步优化方案为,所述准直器为高原子序数材料,所述高原子序数材料包括Pb或W。
进一步优化方案为,所述通光准直孔垂开设在金属圆柱体的两个底面;
金属圆柱体的高≥35mm。
进一步优化方案为,所述屏蔽层与外壳体构成一个空心圆柱体;
屏蔽层为空心圆柱体的一个底面,所述发射极为设置在密闭腔体内的圆片,且发射极与密闭腔体之间电绝缘,所述发射极所在的面与屏蔽层所在的面平行。
进一步优化方案为,所述屏蔽层为Al材料,屏蔽层的厚度为1-2mm,所述发射极为Al材料,发射极的厚度≤0.5mm;所述外壳体为Al材料,外壳体的厚度为2mm。
进一步优化方案为,还包括测试加压部件,所述测试加压部件用于在外壳体与发射极之间施加电压;
所述测试加压部件包括:高压直流偏压源和电流探测器;
所述高压直流偏压源的正极连接外壳体,高压直流偏压源的负极连接发射极,发射极与偏压源负极之间接入电流探测器。
进一步优化方案为,测试加压部件还包括绝缘子,电流计与发射极之间的连接线通过绝缘子穿过外壳体。
本方案还提供一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测方法,基于上述的X射线剂量率探测器实现;
将准直器轴线与待测光路重合;
探测加压部件在发射极和收集极之间施加1000-2000V的电压;
基于示波器采集电流信号。
发射极附近是本发明公布的探测器的核心工作区域,由于发射极与收集极之间加载1000-2000V电压,在外部X光入射情况下,空气中的气体分子被辐射电离后产生的电子、离子也会向收集极、发射极运动,在探测回路产生信号,为消除该项干扰,发射极与收集极和屏蔽层之间的工作区域应该是真空环境,或者整个该探测器在真空环境下使用,真空度应高于1×10-3Pa。
本方案还提供一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器标定方法,用于标定上述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器;
将热释光剂量片放置在迎光面厚度与X射线剂量率探测器蔽层厚度相同的Al样品盒中;
选取测试点位,将剂量率探测器准直放入X射线光路,在剂量率探测器旁设置Al样品盒中,使得Al样品盒与剂量率探测器在距离光源等距的同一平面内;
在脉冲X射线照射下,热释光剂量片记录总吸收剂量数值;X射线剂量率探测器记录X射线沉积能量导致的二次电子发射电流波形;
将二次电子发射电流波形的电流信号对时间进行积分得到的二次电子发射电荷数;
基于二次电子发射电荷数与总吸收剂量数值的比值、以及热释光剂量片材料与X射线剂量率探测器发射极材料的X射线吸收系数,计算出X射线剂量率探测器的定标系数。
本发明与现有技术相比,具有如下的优点和有益效果:
本发明提供的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器及其应用;以Al平行平板电极(发射极)作为X射线光电转换部件,通过收集X射线产生的次级电子在探测器发射极中产生的二次电子对剂量率进行测试;本方案提供的X射线剂量率探测器具有很高的饱和阈,剂量率探测线性上限可达1014rad(Si)/s以上,从而满足超高剂量率中高能脉冲X射线剂量率测量的需求。
附图说明
为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案,下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍,应当理解,以下附图仅示出了本发明的某些实施例,因此不应被看作是对范围的限定,对于本领域普通技术人员来讲,在不付出创造性劳动的前提下,还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中:
图1为X射线剂量率探测器结构示意图;
图2为测试加压部件的等效电路图;
图3为X射线剂量率探测器剖面示意图。
附图中标记及对应的零部件名称:
1-屏蔽层,2-外壳体,3-发射极,4-准直器,5-绝缘子,6-电流测试仪器,7-高压直流偏压源,8-定位环,9-发射极坐,10-主体筒。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白,下面结合实施例和附图,对本发明作进一步的详细说明,本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明,并不作为对本发明的限定。
实施例1
本实施例提供一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,如图1所示,包括:
屏蔽层1,用于屏蔽第一能量X射线而使第二能量中高能X射线通过,并构建电子平衡区域;所述第一能量为光子能量在10keV以下,所述第二能量为光子能量在10keV以上到一千keV内;
外壳体2,用于收集中高能X射线在发射极中产生的二次发射电子;所述屏蔽层1与外壳体2构成一个密闭腔体,所述屏蔽层1处于密闭腔体的迎光面上;
发射极3,用于沉积X射线能量,并发射二次电子;所述发射极3置于密闭腔体内,密闭腔体内为真空环境。
还包括:
准直器4,用于使X射线注入密闭腔体的迎光面;所述准直器4是中间具有通光准直孔的金属圆柱体。
所述准直器4为高原子序数材料,所述高原子序数材料包括Pb或W。
所述通光准直孔垂开设在金属圆柱体的两个底面;
金属圆柱体的高≥35mm。
所述屏蔽层1与外壳体2构成一个空心圆柱体;
屏蔽层1为空心圆柱体的一个底面,所述发射极3为设置在密闭腔体内的圆片,且发射极3与密闭腔体之间电绝缘,所述发射极3所在的面与屏蔽层1所在的面平行。
所述屏蔽层1为Al材料,屏蔽层1的厚度为1-2mm,所述发射极3为Al材料,发射极3的厚度≤0.5mm;所述外壳体2为Al材料,外壳体2的厚度为2mm。
还包括测试加压部件,所述测试加压部件用于在外壳体2与发射极3之间施加电压;
所述测试加压部件包括:高压直流偏压源和电流探测器;
所述高压直流偏移源7的正极连接外壳体2,高压直流偏压源的正极连接外壳体,高压直流偏压源的负极连接发射极3,发射极与偏压源负极之间接入电流探测器。
测试加压部件还包括绝缘子5,电流计6与发射极3之间的连接线通过绝缘子穿过外壳体2。
测试加压部件同时也是信号测试电路,其等效电路图及各元器件参数见图2所示。
当待测脉冲中高能X射线入射到X射线剂量率探测器,低能射线被屏蔽层吸收,中高能X射线绝大部分可以穿过屏蔽层到达探测器发射极。在电子平衡条件下,X射线在发射极中产生的次级电子能量几乎全部转移给了二次电子,向外发射的次级电子总数几乎为0(即进入发射极和离开发射极的次级电子数几乎相等)。由于进入和离开发射极的次级电子数几乎相等,次级电子在探测器中运动引起的电流为大小几乎相等,相对于发射极方向相反的两股电流,在探测回路中相互抵消,基本不会产生信号输出。X射线在探测器内产生的次级电子发射基本不会在外电路中产生信号。而X射线在发射极中产生的那部分次级电子在宏观效果上其能量全部转移给了二次电子,而这部分次级电子能量来源于X射线在发射极中的能量传递,与辐射强度直接相关。沉积在Al发射极中的次级电子在发射极材料内部输运过程中,与其他电子相互作用不断激发出二次电子,二次电子以一定概率(此概率仅与材料特性相关)逸出发射极表面。由于二次电子能量低,且运动方向随机,在发射极与收集极之间增加偏置电压是为提高二次电子收集效率,推动二次电子从发射极向收集极运动,同时也阻止收集极产生的二次电子向发射极运动。产生二次电子的数量直接与入射光子沉积在发射极内的能量(即吸收剂量)相关。在忽略韧致辐射影响的条件下,X射线入射内部达到电子平衡的发射极,其沉积在发射极中的能量绝大部分最终转移至二次电子,对平均能量一定的二次电子,理论上沉积的能量与产生的二次电子总数成正比,而二次电子逸出的概率又仅与材料及其表面状态等因素相关,所以,逸出的二次电子数理论上也与吸收剂量成正比。二次电子在偏置电压作用下的定向运动在外电路中反映为电流信号,其大小直接与二次电子数相关,正比于入射X射线沉积在发射极中的能量。测量电流信号,并定标电流信号与剂量率的关系后,可由电流信号的测量曲线直接推出辐射场剂量率曲线。
屏蔽层处于探测器迎光面上,入射的X射线首先进入屏蔽层;X射线通过屏蔽层后,能量较低的软X射线被屏蔽掉,中高能X射线光子大部分可以通过。
屏蔽层采用Al材料,与外壳体(收集极)连为一体,屏蔽层屏蔽低能X射线的同时,也作为探测器电子平衡部件,针对中高能X射线光子能量(几十到几百keV),屏蔽层厚度设计为1-2mm,在屏蔽层后方到探测器外壳体之间的探测器区域内构建一个电子平衡区域。
为保证此区域电子平衡度足够高,要求发射极足够薄,以确保中高能X射线穿过发射极前后辐射强度变化可以忽略,发射极厚度要求不超过0.5mm,材料为Al。外壳体与屏蔽层相连,发射极置于屏蔽层和外壳体后壁中间,与外壳体之间电绝缘。探测器主体采用圆柱结构,发射极两侧与之平行的收集极(分别为屏蔽层和外壳体后壁)内表面距发射极相对应的发射面均为2mm。为避免电子收集引出影响探测结构对称性,发射极输出引线置于发射极侧边,通过外壳体上的绝缘子将信号接入探测/加压回路。绝缘子内嵌在外壳体中起隔绝发射极输出引线与外壳体之间电连接的作用。外壳体材料为Al。
本实施例中准直器是中间带通光准直孔的金属圆柱,采用高Z材料(如Pb、W等)制作,通光孔直径根据待测光源确定。准直器沿入射光方向的厚度不小于35mm,其外直径大于探测器主体外直径10mm以上,起光路准直和屏蔽杂散光的作用(也可以将准直器设计成腔体将探测器主体部分直接包裹起来,迎光面如前所述设置,以便将来自后方及侧面的杂散光一起屏蔽掉)。
本实施例的X射线剂量率测量探测器采用铝平行平板电极作为X射线光电转换部件,通过收集X射线产生的次级电子在探测器中产生的二次电子对剂量率进行测量,与传统剂量率探测器具有完全不同结构,具有很高的饱和阈,以及纳秒级时间响应,剂量率探测线性上限可达1014rad(Si)/s以上,从而满足超高剂量率中高能脉冲X射线剂量率测量的需求。
实施例2
本实施例提供一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测方法,基于实施例1的X射线剂量率探测器实现;
将准直器轴线与待测光路重合;
探测加压部件在发射极和收集极之间施加1000-2000V的电压;
基于示波器采集电流。
将准直器置入待测光路之中,令准直器轴线与待测光路重合。然后将探测器主体安装在准直器后方。再利用探测加压部件为发射极和收集极之间加载1000-2000V的电荷收集电压,发射极接偏压负极,收集极接偏压正极。没有X射线入射时,测试回路因为发射极与收集极之间无电子通过而处于断路状态,高压直流电源为电路中的电容器充电。当待测脉冲中高能X射线入射探测器时,发射极上的二次电子发射在探测回路形成信号电流,使用快速数字示波器对信号电流进行采集。
发射极附近是探测器的核心工作区域,由于发射极与收集极之间加载1000-2000V电压,在外部X光入射情况下,空气中的气体分子被辐射电离后产生的电子、离子也会向收集极、发射极运动,在探测回路产生信号,为消除该项干扰,发射极与收集极和屏蔽层之间的工作区域应该是真空环境,或者整个该探测器在真空环境下使用,真空度应高于1×10- 3Pa。
实施例3
本实施例提供一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器标定方法,用于标定实施例1的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器;
将热释光剂量片放置在迎光面厚度与X射线剂量率探测器蔽层厚度相同的Al样品盒中;
选取测试点位,将剂量率探测器准直放入X射线光路,在剂量率探测器旁设置Al样品盒,使得Al样品盒与剂量率探测器在距离光源等距的同一平面内;
在脉冲X射线照射下,热释光剂量片记录总吸收剂量数值;X射线剂量率探测器记录X射线沉积能量导致的二次电子发射电流波形;
将二次电子发射电流波形的电流信号对时间进行积分得到的二次电子发射电荷数;
基于二次电子发射电荷数与总吸收剂量数值的比值、以及热释光剂量片材料与X射线剂量率探测器发射极材料的X射线吸收系数,计算出X射线剂量率探测器的定标系数。
本实施例提供的一种采用经标准辐射光源绝对标定过的热释光剂量片测量数据为标准对前述剂量率探测器剂量响应灵敏度进行标定的方法。标定时将热释光剂量率放置在迎光面厚度与探测器屏蔽层厚度相同的Al样品盒中。在超高剂量率中高能瞬态X射线辐环境(如10MA脉冲功率装置对反射式三级管放电过程中产生的辐射环境)中,选取测试点位,将剂量率探测器准直放入光路,在尽可能靠近探测器的位置布放热释光剂量片样品盒。样品盒迎光面与探测器屏蔽层迎光面在距离光源等距的同一平面内。此时认为入射热释光剂量片样品盒与入射剂量率探测器的X光强度相当。在脉冲X射线照射下,热释光剂量片将记录保存热释光探测器材料的总吸收剂量;剂量率探测器记录下中高能X射线沉积在剂量率探测器发射极中的能量导致的二次电子发射电流波形。将电流信号对时间进行积分得到的数值与由热释光剂量片测得的总吸收剂量数值之间成正比关系,由它们的比值以及热释光剂量片材料与剂量率探测器发射极材料的X射线吸收系数即可计算推导剂量率探测器的定标系数。将测得的电流波形整体乘以定标系数即获得X射线的剂量率波形。
实施例4
如图3所示,将探测器主体各主要部件组装。定位环8上紧以确保各部件安装到位,以及主体筒10与后端外壳体2(收集极)和屏蔽层1之间良好电连接。发射极座9采用绝缘材料隔绝发射极与外壳体之间的电连接,位于发射极坐9中间的发射极3的发射极信号引线穿过内嵌在主体筒内的绝缘子5,与外接同轴电缆芯线连接,主体筒10与外接电缆编织层(屏蔽层)连接。
使用时,将准直器置入待测光路之中,令准直器轴线与待测光路重合,将探测器主体安装在准直器后方,屏蔽层表面与测试光路轴线垂直,令中高能X射线入射方向垂直于屏蔽层1。探测器主体外接电缆接入探测/加压回路,同时,高压直流电源与测试用数字示波器也接入探测/加压回路(图2)。高压电源向探测器发射极和收集极之间加载1000-2000V的电荷收集电压。当X射线入射时,利用示波器对电流信号进行采集。
以上所述的具体实施方式,对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明,所应理解的是,以上所述仅为本发明的具体实施方式而已,并不用于限定本发明的保护范围,凡在本发明的精神和原则之内,所做的任何修改、等同替换、改进等,均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (10)
1.一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,包括:
屏蔽层(1),用于屏蔽第一能量X射线而使第二能量中高能X射线通过,并构建电子平衡区域;所述第一能量为光子能量在10keV以下,所述第二能量为光子能量在10keV以上到一千keV内;
外壳体(2),用于收集中高能X射线在发射极(3)中产生的二次电子;所述屏蔽层(1)与外壳体(2)构成一个密闭腔体,所述屏蔽层(1)处于密闭腔体的迎光面上;
发射极(3),用于沉积X射线能量,并发射二次电子;所述发射极(3)置于密闭腔体内,所述密闭腔体内为真空环境。
2.根据权利要求1所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,还包括:
准直器(4),用于使X射线注入密闭腔体的迎光面;所述准直器(4)是中间具有通光准直孔的金属圆柱体。
3.根据权利要求2所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,所述准直器(4)为高原子序数材料,所述高原子序数材料包括Pb或W。
4.根据权利要求2所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,所述通光准直孔垂开设在金属圆柱体的两个底面;
金属圆柱体的高≥35mm。
5.根据权利要求4所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,所述屏蔽层(1)与外壳体(2)构成一个空心圆柱体;
屏蔽层(1)为空心圆柱体的一个底面,所述发射极(3)为设置在密闭腔体内的圆片,且发射极(3)与密闭腔体之间电绝缘,所述发射极(3)所在的面与屏蔽层(1)所在的面平行。
6.根据权利要求5所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,所述屏蔽层(1)为Al材料,屏蔽层(1)的厚度为1-2mm,所述发射极(3)为Al材料,发射极(3)的厚度≤0.5mm;所述外壳体(2)为Al材料,外壳体(2)的厚度为2mm。
7.根据权利要求2所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,还包括测试加压部件,所述测试加压部件用于在外壳体(2)与发射极(3)之间施加电压;
所述测试加压部件包括:高压直流偏压源和电流探测器;
所述高压直流偏压源的正极连接外壳体(2),高压直流偏压源的负极连接发射极(3),发射极(3)与高压直流偏压源负极之间接入电流探测器。
8.根据权利要求7所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器,其特征在于,测试加压部件还包括绝缘子,电流计与发射极(3)之间的连接线通过绝缘子穿过外壳体(2)。
9.一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测方法,其特征在于,基于权利要求7或8所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器实现;
将准直器轴线与待测光路重合;
探测加压部件在发射极和收集极之间施加1000-2000V的电压;
基于示波器采集电流信号。
10.一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器标定方法,其特征在于,用于标定权利要求1-8任意一项所述的一种超高剂量率中高能X射线剂量率探测器;
将热释光剂量片放置在迎光面厚度与X射线剂量率探测器蔽层厚度相同的Al样品盒中;
选取测试点位,将剂量率探测器准直放入X射线光路,在剂量率探测器旁设置Al样品盒,使得Al样品盒与剂量率探测器在距离光源等距的同一平面内;
在脉冲X射线照射下,热释光剂量片记录总吸收剂量数值;X射线剂量率探测器记录X射线沉积能量导致的二次电子发射电流波形;
将二次电子发射电流波形的电流信号对时间进行积分得到的二次电子发射电荷数;
基于二次电子发射电荷数与总吸收剂量数值的比值、以及热释光剂量片材料与X射线剂量率探测器发射极材料的X射线吸收系数,计算出X射线剂量率探测器的定标系数。
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CN202311487225.XA CN117388902A (zh) | 2023-11-09 | 2023-11-09 | 一种超高剂量率中高能x射线剂量率探测器及其应用 |
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