脈沖X射線能譜測量技術(shù)發(fā)展綜述

蘇兆鋒，邱愛慈，來定國，任書慶，孫鐵平

（西北核技術(shù)研究所，西安710024；強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室，西安710024）

由于X射線在科研、工業(yè)、國防及醫(yī)學等方面有著廣泛的應用，國內(nèi)外已建立了許多X射線輻射源［1－13］。輻射源產(chǎn)生的X射線能譜是決定其應用的重要指標，通過測量射線的能譜和強度可以研究軔致輻射X射線和效應物的作用關(guān)系，還可以了解脈沖輻射裝置的性能，這對改進裝置和靶材的設計等都具有十分重要的意義。從系統(tǒng)電磁脈沖效應試驗的長遠發(fā)展來看，X射線為效應試驗研究提供電磁輻照環(huán)境，其能譜測量的精確程度直接影響參試電子設備狀態(tài)設置、電磁脈沖損傷結(jié)果及抗電磁脈沖保護技術(shù)等后續(xù)工作的發(fā)展。

由于脈沖X射線強度大，能譜范圍寬，脈沖持續(xù)時間短，電磁環(huán)境復雜，要求測量系統(tǒng)有較快的時間響應、較好的能量分辨能力，同時要保證在電磁干擾環(huán)境下對待測信號的高效鑒別，測量難度較大。盡管經(jīng)過幾十年的發(fā)展，該領(lǐng)域取得了一些進展，但仍有部分關(guān)鍵技術(shù)有待解決，脈沖X射線能譜測量技術(shù)依然是脈沖輻射場參數(shù)測量中的難題之一。

1 幾種常見的脈沖X射線能譜測量技術(shù)

常見脈沖功率裝置產(chǎn)生的脈沖X射線能量范圍為1keV至幾MeV，脈沖時間寬度為幾十ns。針對這類X射線裝置，發(fā)展出了很多能譜測量技術(shù)和診斷手段，其中具有代表性的是吸收法、康普頓散射法、熒光法及多道分析法等。

1.1 吸收法

吸收法也稱為透射系數(shù)法、衰減透射法，在諸多測量方法中最為通用。該方法利用光子經(jīng)過不同材料、不同厚度的吸收片后在探測器上沉積能量的不同，通過在探測器陣列前面放置不同質(zhì)量厚度的吸收片，可以得到衰減程度不同的波形，再結(jié)合探測器的響應函數(shù)，求解得到能譜［14－17］，還可以通過調(diào)整吸收片的質(zhì)量密度以適應更寬的能量范圍，缺點是對波形質(zhì)量要求高，如果波形的信噪比較低，則后期解譜難度較大，不確定度變大。

早在1988年，美國圣地亞國家實驗室的Carlson等利用微分吸收譜儀（differential absorption spectrometer，DAS）測量了Saturn裝置產(chǎn)生的X射線能譜［14］，該譜儀由13種吸收片（鋁、銅和鉛等）和劑量片組成，射線能量范圍為150～900keV，圖1給出了能譜測量結(jié)果。

美 國 Physics International Company 機 構(gòu) 的PITHON裝置可以產(chǎn)生能量小于300keV的硬X射線［6］，主要能量范圍為50～100keV，在該裝置上建立了射線參數(shù)測量診斷平臺，開展了電子束及光子參數(shù)控制、束流引出及傳輸、劑量及能譜測量等技術(shù)研究。利用16道熱釋光劑量片配合濾片的測量方法，給出了探測器的響應函數(shù)，結(jié)合DAS數(shù)據(jù)并使用迭代干擾法得到了該裝置的射線能譜，由于劑量片本身測量不確定度較大，需要退火封裝時間，測量效率不高。圖2為PITHON裝置硬X射線能譜的理論計算結(jié)果和實測結(jié)果的對比。

圖1 Saturn裝置X射線能譜［14］Fig.1Experimental spectra of Saturn bremsstrahlung X－ray［14］

圖2 PITHON裝置硬X射線能譜的理論計算結(jié)果和實測結(jié)果的對比［6］Fig.2Comparison of calculated and experimental spectra of PITHON bremsstrahlung X－ray［6］

2004年，中國工程物理研究院李成剛等設計了螺旋楔形測量裝置［18］，探測系統(tǒng)改用X光感光底片。底片用于探測通過測量裝置的光強，使用透射密度計掃描得到一組黑密度值，結(jié)合透射能量與黑密度之間的關(guān)系得到能譜，但未分析散射帶來的影響，且裝置無法給出脈沖的時間信息。圖3為測量系統(tǒng)實驗布局圖和測量結(jié)果。

2014年，王繼虎等利用吸收法測量了激光加速電子產(chǎn)生的Betatron射線輻射能譜［19］，光子能量為10keV～1.0MeV。針對射線特點，在探測器前放置不同材料、不同厚度的吸收片組合陣列，通過測量射線穿過吸收片后在探測器陣列上產(chǎn)生的信號，結(jié)合能量響應和解譜算法，反推出能譜。

1.2 康普頓散射法

利用康普頓磁譜儀或康普頓譜儀［20－23］，通過測量康普頓散射產(chǎn)生的光子或電子的能譜，結(jié)合散射角度和能譜的對應關(guān)系，反推得到入射光子的能譜。如果是通過測量康普頓散射產(chǎn)生的反沖電子能譜反推入射光子的能譜，則需要在反沖電子經(jīng)過的通道上施加垂直于入射方向的磁場，利用不同能量電子的偏轉(zhuǎn)位置不同，通過布置在不同位置上的探測器，可得到各種能量電子的數(shù)目。該方法是測量單次脈沖X射線、γ射線能譜的經(jīng)典方法，可以在光子總數(shù)較高的條件下較為精確地測量單脈沖能譜，而且利用薄靶還可以實現(xiàn)在線測量。缺點是需要加置磁場偏轉(zhuǎn)系統(tǒng)，因此，結(jié)構(gòu)復雜且價格昂貴，一般形體較大，使用空間受限。

20世紀90年代，美國圣地亞國家實驗室Baldwin等設計了時間投影康普頓磁譜儀（time projection Compton spectrometer，TPCS）［24］，在康普頓散射產(chǎn)生的反沖電子路線上施加偏轉(zhuǎn)磁場，利用電子在譜儀軸線方向飛行時間的不同，測量反沖電子的能譜，并結(jié)合電子散射角度和能譜的對應關(guān)系得到了入射X射線的能譜。圖4為使用聚丙烯靶材，在3種功率水平下測量得到的Saturn裝置閃光X射線能譜。

圖4 Saturn裝置閃光X射線能譜［24］ig.4Experimental spectra of Saturn bremsstrahlung X－ray［24］

1.3 熒光法

在激光等離子體發(fā)射的X射線中，包含大量幾keV的低能光子，通常采用多道K吸收邊濾光片法（KF法）、濾波－熒光法（FF法）和超濾波－熒光法（HFF法）對其測量，這些方法分別適應于不同的能段。在硬X光譜較低的能段，如1～10keV，電子溫度較低，只要選擇一組具有不同K邊能量的濾片就可以實現(xiàn)能量甄別。在X射線能量較高的能段，如10～88keV，通常采用FF法測量，其基本原理是［25］，具有連續(xù)能譜的X射線經(jīng)過原子序數(shù)為Z的濾片后，能量EX＞EK，Z（該濾片的K吸收邊能量）的X射線被強烈吸收，能量EX＜EK，Z的X射線輻照原子序數(shù)為Z－1的熒光片。由于能量EX＜EK，Z－1的X射線不能激發(fā)熒光片的K層熒光，只有能量處于EK，Z－1＜EX＜EK，Z區(qū)間的射線最終以一定的效率轉(zhuǎn)變?yōu)闊晒釾射線到達探測器。適當選擇組合濾片和熒光片材料，結(jié)合所測的信號強度即可求得源區(qū)的X射線單能輻射亮度，進而得到源的X射線能譜。FF法的特點是能量分辨率高，但探測效率低，只適合能量低于100keV的高通量X光譜測量。由于受材料中元素K吸收邊能量的限制，對能量大于100keV的X光譜，則采用HFF法測量，通過選擇濾片和熒光片的種類及厚度，可以調(diào)整超濾波－熒光能譜儀（HFFS）通道的峰值，以獲得較高能段的窄能帶熒光，從而得到能量大于100keV的X射線能譜。

熒光法對環(huán)境條件要求相對較低，且具有可調(diào)參數(shù)多及對本底輻射有較強抑制能力等優(yōu)點。但由于受材料中元素吸收邊能量的限制，測量范圍有限，在Z－pinch及激光聚變等大型ICF裝置的X射線能譜測量中有著廣泛的應用。

1.4 多道分析法

常規(guī)的多道分析儀可以直接給出能譜，不同能量的粒子排列在多道分析器的不同位置，通過測量單個粒子的能量信息，在多次脈沖的累積中獲得射線能譜，分析儀的道數(shù)越多，輸入信號就分得越細，測量也就越精確。該方法要求在譜儀的分辨時間內(nèi)最多只有一個光子進入到探測器中，不能發(fā)生脈沖信號的堆積事件。當X射線源注量率較大時，通過降低注量率的方法，比如減小譜儀探測器對源的探測立體角，可以獲得單光子計數(shù)。同時，該方法對譜儀的本底計數(shù)也有要求。該方法應用于脈沖射線源能譜測量時，需要射線源產(chǎn)生大量脈沖，重復性好，所以該方法比較適合137Cs、60Co標準源，或者核素能譜的測量。

圖5給出了Medipix2面陣型探測器測量得到的最高能量為120kV的X射線管的能譜［26］，該探測器由多個小的靈敏單元組成，每個靈敏單元只與一個光子發(fā)生作用，實現(xiàn)了單光子計數(shù)，最后借助探測器的輸出結(jié)果完成射線能譜的統(tǒng)計。

圖5 Medipix2探測器測得的X射線管能譜［26］ig.5Spectra of X－ray tube with the Medipix2detector［26］

在上述測量方法中，吸收法是通過吸收片的材料和厚度實現(xiàn)對射線的衰減，可以通過調(diào)節(jié)吸收片的質(zhì)量厚度及吸收片與光源的距離完成對不同能段射線的測量，測量范圍大，對探測器選型要求不高，易于形成陣列實現(xiàn)多路測量，適用的能譜范圍廣，對輻照環(huán)境要求不高，在束流參數(shù)測量診斷領(lǐng)域的應用也最廣。無論何種方法的實驗結(jié)果，都需要和理論計算結(jié)果進行對比，即通過蒙特卡羅程序模擬粒子在物質(zhì)中的耦合輸運過程，結(jié)合二極管電流及電感修正后的二極管電壓得到電子能譜，模擬電子打靶過程，獲得軔致輻射X射線能譜，以此理論計算結(jié)果作為對實驗結(jié)果的驗證。

2 解譜技術(shù)

基于吸收法的能譜測量裝置會獲得一組強度不同的透射數(shù)據(jù)，結(jié)合不同能段在吸收片中的能量沉積，得到一個線性方程組，解譜工作被轉(zhuǎn)化為該方程組的求解問題。方程組呈高度病態(tài)，解譜方法的優(yōu)劣直接決定了能譜結(jié)果的有效性和真實性。

目前，已發(fā)展出了多種解譜方法，比如，直接求逆法［27－28］、拉普拉斯變換法［29－30］、迭代法［31－32］、微擾法［33－34］、期 望 最 大 值 法［35－37］及 奇 異 值 法［38－41］等。由于方程組呈高度病態(tài)，特別是能段較多時，直接求逆法雖然方便簡捷，但不確定度很大，不易得到物理解。拉普拉斯變換法對低能射線的能譜求解效果良好，高能部分測量不確定度較大，適用范圍小，現(xiàn)已很少使用。迭代法需要準確度較高的初始輸入能譜，否則很難得到收斂結(jié)果。

目前比較先進的解譜方法是微擾法（WI）、期望最大值法（EM）及奇異值法（SVD），文獻［42］和［43］比較了它們的優(yōu)劣，圖6給出了在沒有初始能譜的情況下，這3種方法的解譜結(jié)果與理論計算結(jié)果的比較。

圖6 3種方法解譜結(jié)果的對比［43］Fig.6Contrast of the three spectrum unfolding methods［43］

由圖6可以看出，微擾法和期望最大值法對初始能譜的準確度要求較高，在不給定初始能譜的情況下得到的結(jié)果均不太理想。而奇異值法無需輸入假定的初始能譜，信噪比較高時其優(yōu)勢更為明顯，特別是通過引入一個與光子強度有關(guān)的補償函數(shù)后，進一步控制了噪聲的影響，算法優(yōu)化為截斷奇異值法，會得到更好的結(jié)果，使得能譜更靠近真實值，是目前較為先進的一種解譜方法。

3 西北核技術(shù)研究所能譜測量技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

西北核技術(shù)研究所自2000年開始，陸續(xù)在多個強脈沖輻射模擬加速器裝置上開展了多個能段的脈沖X射線能譜測量技術(shù)研究，先后研制了以熱釋光劑量片、半導體探測器及閃爍探測器為測量核心模塊的能譜測量裝置，研究了X射線探測、吸收片選型、散射控制、射線準直等關(guān)鍵技術(shù)，建立了粒子耦合輸運的模擬計算方法，探索了能譜求解技術(shù)，實驗獲得了脈沖X射線能譜，并提出了利用夾膜機構(gòu)和真空延伸段獲得真空環(huán)境下射線能譜的方法，消除了二極管末端金屬封板吸收光子對測量結(jié)果帶來的影響。

基于上述研究，郭紅霞和宋朝暉分別利用不同厚度的濾光片和熱釋光劑量片實驗獲得了DPF裝置 （dense plasma focus，DPF）和“強光一號”加速器的脈沖X射線能譜［44－45］，如圖7所示，完成了濾光片的選配、靈敏度的標定和能量響應函數(shù)的計算，實驗獲得的能譜數(shù)據(jù)為加速器束流參數(shù)診斷提供了有力的數(shù)據(jù)支撐。

圖7 DPF裝置和“強光一號”加速器X射線能譜［44－45］Fig.7X－ray spectra in the DPF device and Qiangguang－Ⅰaccelerator［44－45］

2009年，全林研究設計了通過解析吸收片后的透射率，測量穩(wěn)定重復頻率快脈沖硬X射線輻射場能譜的實驗方法［34］，通過測量不同吸收片后的光強，獲得了透射系數(shù)，并用微擾的數(shù)學方法對初始假定能譜進行了有效修正，實測結(jié)果和理論計算結(jié)果較為符合，但由于未考慮散射的影響，高能部分與理論計算結(jié)果差異較大，圖8為脈沖輻射場能譜實測結(jié)果和理論結(jié)果的對比。

“十二五”期間，以“閃光二號”加速器為實驗平臺的高能注量X射線源建成。二極管電壓約600kV，阻抗2Ω，產(chǎn)生的X射線能譜是設備參數(shù)的考核指標之一。為了解決二極管的真空封板對能譜測量結(jié)果的影響，在串級二極管末端設計了真空封膜機構(gòu)和轉(zhuǎn)接連接段，與長為4m的真空筒體連接，將能譜測量探頭置于筒體末端，信號通過筒體末端的封真空電纜陣列引出，消除了二極管末端真空封板對低能X射線的吸收帶來的影響。測量系統(tǒng)的設計布局如圖9所示。

圖8 脈沖輻射場能譜實測結(jié)果和理論結(jié)果的對比［34］Fig.8Comparison of theoretical and measured spectra of pulsed radiation field［34］

圖9 高能注量X射線源能譜測量系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖Fig.9Layout of spectra measurement system in the high energy fluence X－ray source

該測量系統(tǒng)由12路PIN探測器陣列、不同厚度的吸收片、散射控制裝置、射線準直裝置及電源組成。其中，吸收片的選擇主要考慮材料元素的種類及材料厚度。一般來說，輕元素材料密度較小，光子能量分辨率較低；高Z元素一般密度較大，但K層吸收邊能量偏大，在接近硬X射線的主要能段，波形有突變，給后續(xù)解譜帶來困難。根據(jù)國內(nèi)外相關(guān)領(lǐng)域資料及以往測試數(shù)據(jù)和經(jīng)驗，銅和鋁比較適合該能段光子的能譜測量。理論計算可知，待測硬X射線大部分光子能量分布在50～200keV，可以細化該能段的光子能譜，使得多數(shù)的吸收片對該能段的光子具有較高的分辨能力。針對能量低于200keV的光子，使用厚度7mm以下的銅及鋁吸收片，可以使光子衰減幾倍到上百倍，形成良好的衰減梯度。針對能量大于200keV的光子，使用6～13mm厚的銅吸收片，可吸收大部分的低能光子，對稍高能光子的分辨能力增強?？傊?，確定吸收片的厚度要綜合考慮不同能量射線的衰減程度、探測器靈敏度和線性范圍，以保證光子的透射率有一個良好的梯度。

對硬X射線能譜測量，散射是不可忽略的因素，可以通過技術(shù)措施降低散射成分，增加探測器所收集的粒子來源的合理性。理論計算及文獻結(jié)果顯示，散射主要和吸收片與探測器之間的距離有關(guān)［46］。以0.2cm厚的銅吸收片為例，利用MCNP程序，理論計算了散射光子占入射光子的比例Y隨探測器與吸收片之間距離d的變化關(guān)系，如圖10所示。

圖10 散射光子占入射光子的比例隨探測器與吸收片之間距離的變化趨勢［46］Fig.10Ratio of scatter photon number to incident photon number vs.the distance of the detector and the absorber［46］

圖10 顯示，隨著吸收片和探測器之間距離的增加，散射光子占入射光子的比例明顯降低，取Y＝5%為設計標準，通過在吸收片及探測器之間加置不同厚度的隔離套筒，實現(xiàn)對散射的控制。利用這套測量系統(tǒng)實驗獲得了“閃光二號”加速器產(chǎn)生的脈沖硬X射線能譜［47］，如圖11所示。

圖11 “閃光二號”加速器的脈沖硬X射線能譜［47］Fig.11Spectra of pulsed hard X－ray in Flash－Ⅱ accelerator［47］

圖11 表明，光子的最高能量約為600keV，平均能量為89.1keV，理論計算值為93.6keV，實驗結(jié)果和理論計算值吻合較好，能量上限及譜形分布基本一致。在120～300keV能量段，實測能譜較理論模擬能譜偏硬，原因可能是由于實驗中的散射成分比理論計算時偏高，實驗環(huán)境復雜，理論建模時無法完全與實驗環(huán)境相符。

4 結(jié)語

能譜測量系統(tǒng)所處電磁環(huán)境復雜，測量能譜時干擾粒子多，存在二次電子－光子耦合和射線種類較多等困難。同時，射線強度、方向及能譜參數(shù)隨時間發(fā)生變化，并且待測信號的時間極短，脈沖寬度一般為幾十到百ns，這些均對測量系統(tǒng)提出了較高的要求。此外，射線強度探測存在不確定度，電流型測量的積分性質(zhì)也使其具有一定的局限性，這使得十分精確地測量輻射場粒子能譜更加困難。雖然經(jīng)過國內(nèi)外相關(guān)科研機構(gòu)幾十年的研究，脈沖射線能譜測量技術(shù)取得了長足的進步，但某些關(guān)鍵技術(shù)，比如解譜、不確定度分析等技術(shù)還有待進一步提高。需要重點研究的工作有4個方面：

1）需要進一步研究能量為MeV級，特別是十幾MeV的X射線能譜測量。這些能量下的輻射場通常是脈沖中子、γ射線、X射線、帶電粒子和電磁干擾的混合場，對探測器的粒子甄別能力提出了更高的要求，散射影響更大。由于目前缺乏高能標準X光源，探測器的靈敏度標定只能采用理論計算的方式。光子能量高，能量跨度大，探測器容易超出線性范圍，以靈敏層直徑為10mm、厚度為300um的半導體探測器為例，線性電流約為2A，給吸收片選型帶來難度。

2）需要深入研究解譜方法。解譜方法很多，對不同的射線能段需要探索合適的解譜方法。

3）不確定度分析。脈沖X射線能譜的測量不確定度分析依然是該領(lǐng)域的技術(shù)難題。能譜測量技術(shù)發(fā)展態(tài)勢良好，但尚未有文獻給出測量結(jié)果的不確定度，目前只能給出粗略的估計和定性分析。原因是不確定度來源很多，比如光場分布的不均勻性、光源的穩(wěn)定性、探測器個體差異、探測器接受光強的差異、噪聲、解譜等，有些源項難以量化。

4）能譜測量技術(shù)的規(guī)范化。目前，針對不同射線源和不同光子能量采用的測量方法不同。為確保脈沖輻射場射線能譜測量系統(tǒng)高可靠運行，可以在技術(shù)成熟度較高的某個能段建立射線能譜測量標準，以規(guī)范現(xiàn)有的測量設備、測量方法、實驗流程及數(shù)據(jù)處理方法等，驗證能譜儀設計的有效性，提高脈沖射線能譜測量能力，科學客觀地評價和考核加速器束流水平。

總之，在后續(xù)的探測方法、裝置研制、實驗研究及數(shù)據(jù)處理中，需要結(jié)合實際情況，開展針對性研究，提高探測器的能量分辨及目標粒子識別能力，優(yōu)化能譜求解方法，加強測量技術(shù)的規(guī)范性和標準化，提高能譜結(jié)果的可信度。