不同能量光子輻照電纜響應(yīng)規(guī)律研究

李進(jìn)璽，程引會，李寶忠，吳 偉，馬 良，朱 夢，周 輝

（西北核技術(shù)研究所，陜西 西安 710024）

脈沖X射線引起的電子系統(tǒng)效應(yīng)主要包括系統(tǒng)電磁脈沖（System Generated Electromagnetic Pulse，SGEMP）、內(nèi)電磁脈沖（Internal EMP，IEMP）和電子系統(tǒng)瞬態(tài)輻照效應(yīng)（Transient Radiation Effect in Electronics，TREE）。與電子系統(tǒng)相連接的線纜瞬態(tài)輻照響應(yīng)是SGEMP效應(yīng)研究的內(nèi)容之一，電子系統(tǒng)中常見的線纜主要有：屏蔽電纜、導(dǎo)線和線路板布線等。該瞬態(tài)輻照響應(yīng)輕則干擾、重則損傷與線纜相連的電子系統(tǒng)。本工作在文獻(xiàn)［1－2］的基礎(chǔ)上，采用時域傳輸線（TL）方法，對不同能量光子輻照同軸屏蔽電纜的瞬態(tài)響應(yīng)規(guī)律進(jìn)行研究。由電子打靶而產(chǎn)生的脈沖X射線環(huán)境中，不可避免地含有一定比例的電子成分。為了更好地分析實(shí)驗(yàn)結(jié)果、合理有效地利用輻射模擬裝置開展SGEMP效應(yīng)研究，對單能電子經(jīng)不同靶材料發(fā)生韌致輻射后在電纜上的瞬態(tài)輻照響應(yīng)也進(jìn)行研究。

1 計(jì)算模型及方法

圖1為同軸電纜模型示意圖。同軸電纜受到脈沖X射線輻照時，護(hù)套、屏蔽層、芯線以及介質(zhì)層有一部分正、負(fù)電荷沉積，還有一部分電子逃逸到電纜外部空間中。一般情況下，金屬的光電產(chǎn)額較介質(zhì)的大，介質(zhì)內(nèi)的沉積電荷為負(fù)，導(dǎo)體內(nèi)的沉積電荷為正。由于介質(zhì)層負(fù)電荷的作用，芯線正電荷中僅有一部分用來產(chǎn)生瞬態(tài)電流，而另一部分用來產(chǎn)生靜電場，逃逸到電纜外部空間中的電子對瞬態(tài)電流和靜電場則均無貢獻(xiàn)。因此，在電纜介質(zhì)層內(nèi)電荷分布沿圓周方向?qū)ΨQ的假設(shè)條件下，如果已知芯線正電荷和介質(zhì)層負(fù)電荷的徑向分布，即可利用高斯定理計(jì)算得到介質(zhì)層內(nèi)的電場分布，通過對電場分布進(jìn)行積分可得到電纜芯線和屏蔽層間的電勢差。由于同軸電纜單位長度的分布電容已知，由實(shí)驗(yàn)［3］可知，線纜X射線瞬態(tài)響應(yīng)波形與X射線注量的時間變化波形一致。因此，電勢差U對時間t的變化率與X射線注量的時間變化一致，傳輸線模型中的電流I＝CdU／dt，其中：C為電容。

TL方程的差分格式參見文獻(xiàn)［2，4］，求解TL方程可得到電纜任意位置的電流電壓響應(yīng)。

圖1 屏蔽電纜受輻照的幾何模型Fig.1 Model of irradiated shielding cable

2 計(jì)算結(jié)果及分析

計(jì)算中，X射線時間譜為高斯脈沖y（t）＝exp（－4π（（t－t0）／τ）2），其中，t0＝16ns，τ＝20ns。電纜型號為SYV－50－1，受輻照長度l＝1m，電纜芯線兩端接匹配負(fù)載，屏蔽層接地。射線與材料作用采用蒙特卡羅方法計(jì)算。

2.1 不同能量光子輻照電纜時的響應(yīng)

計(jì)算中，光子注量為4.2J／cm2。圖2示出光子能量不同時電纜負(fù)載電壓波形，圖3示出電纜負(fù)載電壓峰值與輻照光子能量的關(guān)系曲線。

圖2 光子能量不同時電纜負(fù)載電壓波形Fig.2 Waveforms of voltage for different photon energy

圖3 電纜負(fù)載電壓峰值與輻照光子能量的關(guān)系Fig.3 Peak values of cable load voltages for different photon energy

由圖2、3可看出，輻照光子能量較小時電纜響應(yīng)為負(fù)，且存在峰值；光子能量增大到一定值后，電纜響應(yīng)出現(xiàn)極性變化，響應(yīng)極性發(fā)生變化時的光子能量約為850keV，且光子能量大于2MeV后繼續(xù)增大光子能量對電纜響應(yīng)幅度的影響很小。光子能量較大時，導(dǎo)體和介質(zhì)材料的光電產(chǎn)額差別不大，所以光子能量增大到一定值后，電纜響應(yīng)幅度變化很小。

圖4示出不同能量單能光子輻照電纜時每個輻照光子對應(yīng)的電荷沉積。由圖4可看出，電纜受不同能量光子輻照時，芯線和屏蔽層的沉積電荷為正，介質(zhì)層沉積的分布電荷為負(fù)，但光子能量不同時，芯線、介質(zhì)層以及屏蔽層三者沉積電荷的相對值不同，同時，沉積電荷在介質(zhì)層內(nèi)的分布也不同。因此，電纜響應(yīng)的極性由芯線、介質(zhì)層以及屏蔽層三者沉積電荷的相對值和沉積電荷在介質(zhì)層內(nèi)的分布共同決定。

圖4 不同能量單能光子輻照電纜時的電荷沉積Fig.4 Distributed charge for different photon energy

為了說明負(fù)電荷在介質(zhì)層中的分布對電纜響應(yīng)的影響，圖5示出介質(zhì)層中電荷所處位置不同時的電纜響應(yīng)，計(jì)算條件為：電纜芯線沉積電荷9.88×10－6C，介質(zhì)層沉積電荷－6.13×10－5C。由圖5可看出，負(fù)電荷在介質(zhì)層中的分布不同時電纜響應(yīng)也不同，當(dāng)負(fù)電荷靠近電纜芯線時，負(fù)載電壓響應(yīng)為負(fù)；當(dāng)負(fù)電荷靠近電纜屏蔽層時，負(fù)載電壓響應(yīng)為正。

圖5 介質(zhì)層電荷位置不同時的電壓Fig.5 Voltage for medium charge in different positions

2.2 韌致輻射環(huán)境輻照電纜時的響應(yīng)

計(jì)算條件為：電子能量1MeV，韌致輻射電子密度1014cm－2。靶材料為：1）鉭膜，厚0.5mm；2）0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜，光電子出射材料為鋁膜。

圖6示出計(jì)算得到的韌致輻射光子能譜，圖7示出韌致輻射光子和前向電子在電纜上電壓響應(yīng)時間波形的比較，圖8示出穿過兩種靶材料的前向電子在電纜上的沉積電荷分布。表1列出前向電子和韌致輻射光子在電纜上電壓響應(yīng)最大值的比較。

圖6 韌致輻射光子譜Fig.6 Bremsstrahlung photon spectra

圖7 韌致輻射光子和前向電子產(chǎn)生的響應(yīng)Fig.7 Waveforms of voltage for bremsstrahlung photons and forward electrons

圖8 前向電子在電纜上的沉積電荷分布Fig.8 Distributed charge of cable for forward electrons

表1 電壓響應(yīng)最大值的比較Table 1 Comparison of voltage peak value for different targets

由圖6可看出，1MeV的單能電子經(jīng)0.5mm鉭膜和0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜產(chǎn)生的韌致輻射光子譜差別不大。以靶材料為0.5mm鉭膜為例，韌致輻射光子譜的能量峰值約為250keV，最高能量不超過1MeV，小于850keV的光子能譜在總能譜中所占份額大于96%，850keV以上能量的光子在韌致輻射譜中所占份額很小，即電纜上的響應(yīng)主要由小于850keV的光子產(chǎn)生，按圖3所示不同能量光子的響應(yīng)規(guī)律推斷，1MeV的單能電子韌致輻射光子譜在電纜上的電壓響應(yīng)為負(fù)值，這與圖7所示結(jié)果一致。

由圖7可看出，1MeV的單能電子經(jīng)靶材料發(fā)生韌致輻射后在電纜上的瞬態(tài)輻照響應(yīng)是前向電子和光子在電纜上響應(yīng)的綜合，兩者在電纜上的電壓響應(yīng)均為負(fù)值。

由圖7和表1可知，靶材料為0.5mm鉭膜時，前向電子的響應(yīng)大于韌致輻射光子的響應(yīng)，兩者之間相差1.8倍左右；靶材料為0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜時，前向電子的響應(yīng)小于韌致輻射光子的響應(yīng)，兩者之間相差2.5倍左右；因?yàn)閮煞N靶材料產(chǎn)生的韌致輻射光子譜差別不大，只是鋁膜衰減了一部分的光子，所以，兩種韌致輻射光子環(huán)境在電纜上的響應(yīng)差別不大；靶材料為0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜時，前向電子產(chǎn)生的響應(yīng)較0.5mm鉭膜時減小了至少5倍。因此，SGEMP實(shí)驗(yàn)中，可在原子序數(shù)大的靶材料后面增加一定厚度的原子序數(shù)較小的材料來衰減前向電子，從而在對韌致輻射光子環(huán)境影響不大的情況下減小韌致輻射X射線裝置中前向電子的干擾。

由圖8可看出，前向電子在電纜芯線、介質(zhì)層以及屏蔽層的沉積電荷均為負(fù)值，靶材料增加0.5mm鋁膜后，衰減了一部分的前向電子，從而導(dǎo)致了前向電子在電纜上響應(yīng)的減小。

3 結(jié)論

利用時域傳輸線方法研究了電纜瞬態(tài)輻照響應(yīng)規(guī)律。光子能量不同時，電纜響應(yīng)極性不同，對于型號為SYV－50－1的電纜，極性發(fā)生變化時的光子能量約為850keV，但光子能量增大到2MeV后電纜響應(yīng)幅度變化很小。計(jì)算了1MeV的單能電子經(jīng)不同靶材料發(fā)生韌致輻射后在電纜上的瞬態(tài)輻照響應(yīng)。在SGEMP實(shí)驗(yàn)中，可在原子序數(shù)大的靶材料后面增加一定厚度的原子序數(shù)較小的材料來減小韌致輻射X射線裝置中前向電子的干擾。

文中采用的方法對于分析和預(yù)測脈沖X射線輻照電纜時的響應(yīng)規(guī)律及有效地進(jìn)行脈沖X射線防護(hù)具有重要意義。同時，本文得到的結(jié)果對于電纜的SGEMP實(shí)驗(yàn)方案的設(shè)計(jì)及合理有效地利用輻射模擬裝置開展線纜的SGEMP效應(yīng)研究具有一定的指導(dǎo)意義。

［1］李進(jìn)璽，程引會，周輝，等.屏蔽電纜對脈沖X射線響應(yīng)的數(shù)值計(jì)算［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2006，18（6）：981－984.LI Jinxi，CHENG Yinhui，ZHOU Hui，et al.Response of shielding cable to pulsed X－rays［J］.High Power Laser and Particle Beams，2006，18（6）：981－984（in Chinese）.

［2］李進(jìn)璽，程引會，周輝，等.用傳輸線和時域有限差分法計(jì)算電纜X射線響應(yīng)［J］.強(qiáng)激光與粒子束，2007，19（12）：2 079－2 082.LI Jinxi，CHENG Yinhui，ZHOU Hui，et al.Calculation of coaxial line X－ray responses by transmission line method and finite difference time domain method［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19（12）：2 079－2 082（in Chinese）.

［3］ZHONG Yufen，ZHOU Hui，LI Baozhong，et al.The research of braided shielding cable responses in DPF X－ray environments［C］∥Proceedings of the 9th National Conference on Nuclear Electronics ＆ Nuclear Detection Technology.Beijing：［s.n.］，1999：239－242.

［4］HIGGINS D F，BARBARA S.Time－domain calculation of the leakage of SGEMP transients through braided cable shields［J］.IEEE Trans Nucl，1989，36（6）：2 042－2 049.