硅光電二極管探測(cè)器在低能X射線(xiàn)輻射場(chǎng)上的標(biāo)定

黃林茹，姚馨博，王 繼，陳 燦，孫 堅(jiān)，郭思明，郭曉煒，張小改，徐紅偉

(1.中國(guó)計(jì)量大學(xué)，浙江 杭州 310018； 2.浙江省計(jì)量科學(xué)研究院，浙江 杭州 310018；3. 中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院，北京 100029)

1 引 言

隨著電離輻射應(yīng)用的蓬勃發(fā)展，對(duì)于計(jì)量技術(shù)的需求不斷向極強(qiáng)、極弱等極端情況擴(kuò)展。為滿(mǎn)足熱核聚變等科技領(lǐng)域探測(cè)器性能評(píng)定、大型科學(xué)儀器診斷元件參數(shù)標(biāo)定的需求以及材料、能源、環(huán)境、天文等研究領(lǐng)域的發(fā)展，急需進(jìn)行同步輻射單能X射線(xiàn)能量的測(cè)量與量值傳遞方法研究[1,2]。我國(guó)已實(shí)現(xiàn)了50 eV～6 keV同步輻射光束線(xiàn)強(qiáng)度的絕對(duì)測(cè)量與量值傳遞[3,4]，目前正在進(jìn)行6 keV以上X射線(xiàn)能量計(jì)量方法的研究。在同步輻射X射線(xiàn)量傳方法研究實(shí)驗(yàn)中，需要確定傳遞探測(cè)器的探測(cè)效率等性能[5～7]。

美國(guó)IRD公司生產(chǎn)的硅光電二極管AXUV-100G的有效面積大,無(wú)表面“死層”,量子效率接近100%，還具有高抗輻照能力、暗電流小等優(yōu)異性能，已用于極紫外和軟X射線(xiàn)波段量值傳遞，且被美國(guó)NIST、德國(guó)PTB等大型實(shí)驗(yàn)室認(rèn)可作為傳遞標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器[8]。

在同步輻射X射線(xiàn)量傳方法研究實(shí)驗(yàn)中，我們選擇AXUV-100G作為傳遞探測(cè)器，其有效面積為10×10 mm2，同步輻射光源通過(guò)標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器后照射在傳遞探測(cè)器上的光束大小為φ3 mm光闌的光斑。當(dāng)照射在傳遞探測(cè)器上的光束直徑遠(yuǎn)小于探測(cè)器的有效面積時(shí)，探測(cè)器的非均勻性會(huì)導(dǎo)致光束照射在探測(cè)器不同位置時(shí)引入測(cè)量誤差。為減小光斑照射在傳遞探測(cè)器不同位置帶來(lái)的影響，需要標(biāo)定傳遞探測(cè)器的探測(cè)效率即傳遞探測(cè)器在不同能量光源照射下的響應(yīng)度，再使用傳遞探測(cè)器測(cè)量光源輻射場(chǎng)的均勻野。

2 實(shí)驗(yàn)原理及實(shí)驗(yàn)裝置

傳遞探測(cè)器在不同能量光源照射下的響應(yīng)度，即在X射線(xiàn)輻射場(chǎng)的參考平面處，AXUV-100G在不同輻射質(zhì)射線(xiàn)束照射下復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的刻度因子及其重復(fù)性。

根據(jù)GB/T 12162.1-2000《用于校準(zhǔn)劑量?jī)x和劑量率儀及確定其能量響應(yīng)的X和γ參考輻射第一部分：輻射特性及產(chǎn)生方法》[9]對(duì)于場(chǎng)均勻性的規(guī)定：在每一個(gè)檢驗(yàn)點(diǎn)，在整個(gè)探測(cè)器靈敏體積上空氣比釋動(dòng)能的變化不應(yīng)超過(guò)5%。因此認(rèn)為在X射線(xiàn)輻射場(chǎng)的參考平面處，X射線(xiàn)束幾何尺寸范圍內(nèi)以X射線(xiàn)束中軸線(xiàn)為原點(diǎn)，AXUV-100G在垂直中軸線(xiàn)的水平方向上劑量分布非均勻性在5%以?xún)?nèi)的輻射野是均勻的。

2.1 空氣比釋動(dòng)能

空氣比釋動(dòng)能或空氣比釋動(dòng)能率(單位時(shí)間的空氣比釋動(dòng)能)是我國(guó)現(xiàn)有的X射線(xiàn)輻射計(jì)量領(lǐng)域的國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)量，是電離室輻射領(lǐng)域廣泛應(yīng)用于統(tǒng)一量值、量值傳遞、檢測(cè)校準(zhǔn)測(cè)量?jī)x表及應(yīng)用過(guò)程中質(zhì)量保證的基礎(chǔ)。

比釋動(dòng)能定義為：在質(zhì)量為dm的某種物質(zhì)中，不帶電粒子釋放出的全部帶電粒子的初始動(dòng)能總和dEtr除以dm。當(dāng)定義的物質(zhì)為空氣時(shí)，即為空氣比釋動(dòng)能Kair：

(1)

(2)

2.2 刻度因子

(3)

2.3 實(shí)驗(yàn)裝置

實(shí)驗(yàn)在中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院的低能X射線(xiàn)10～50 kV標(biāo)準(zhǔn)輻射裝置[11,12]上進(jìn)行，裝置信息見(jiàn)表1。低能X射線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)輻射裝置是電離輻射空氣比釋動(dòng)能?chē)?guó)家計(jì)量基準(zhǔn)與國(guó)家計(jì)量標(biāo)準(zhǔn)的重要組成部分，輻射源為X射線(xiàn)光機(jī)，產(chǎn)生的低能X射線(xiàn)通過(guò)限束光闌，在距離X光機(jī)焦斑1.0 m的參考平面處獲得滿(mǎn)足空氣比釋動(dòng)能量值復(fù)現(xiàn)與傳遞的均勻野，水平方向非均勻性在1%以?xún)?nèi)的輻射野直徑約為68 mm，垂直方向非均勻性在1%以?xún)?nèi)的輻射野直徑為91 mm，滿(mǎn)足該參考位置處所有劑量?jī)x的照射。并采用適當(dāng)?shù)倪^(guò)濾器對(duì)輻射質(zhì)進(jìn)行調(diào)整，使其具備與國(guó)際標(biāo)準(zhǔn)(ISO)和CCRI會(huì)議推薦的輻射質(zhì)規(guī)范比對(duì)以及量值復(fù)現(xiàn)、傳遞的條件。

表1 低能X射線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)輻射裝置信息Tab.1 The information of low energy X-ray standard radiation device

3 AXUV-100G的探測(cè)效率與不確定度

3.1 AXUV-100G的探測(cè)效率測(cè)量

利用低能X射線(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)輻射裝置上的激光定位器，將AXUV-100G固定于距離光機(jī)焦斑1 m處，確保X光機(jī)焦斑、AXUV-100G中心在同一直線(xiàn)上，圖1為實(shí)驗(yàn)布局圖，圖2為實(shí)驗(yàn)裝置圖。

圖1 標(biāo)定傳遞探測(cè)器實(shí)驗(yàn)布局圖Fig.1 Calibration transfer detector experimental layout

圖2 實(shí)驗(yàn)裝置Fig.2 Experimental Installation

在不同能量射線(xiàn)束的輻照下，每隔20 s測(cè)量AXUV-100G產(chǎn)生的電離電流，每個(gè)條件下測(cè)量10次，由式(3)轉(zhuǎn)化為刻度因子后取平均值，并由式(4)得到AXUV-100G作為傳遞探測(cè)器在各個(gè)輻射場(chǎng)中復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差即重復(fù)性。

(4)

實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)見(jiàn)表2。圖3表示AXUV-100G在不同能量下的刻度因子曲線(xiàn)。根據(jù)探測(cè)器刻度因子η與響應(yīng)度間的特性，當(dāng)η最小時(shí)，探測(cè)器的響應(yīng)度最大。同時(shí)根據(jù)相關(guān)文獻(xiàn)[8]，探測(cè)器在10～40 keV能量范圍內(nèi)的輻射響應(yīng)變化極限以不超過(guò)40%為佳。對(duì)圖3的關(guān)系曲線(xiàn)進(jìn)行分析，可得AXUV-100G在輻射質(zhì)有效能量10～40 keV的輻射場(chǎng)中能量響應(yīng)較高。

圖3 AXUV-100G刻度因子與能量的關(guān)系曲線(xiàn)Fig.3 Curve of AXUV-100G scale factor and energy

表2 不同輻射質(zhì)射線(xiàn)束輻照下AXUV-100G的刻度因子Tab.2 The scale factor of AXUV-100G in different radiation substances

3.2 不確定度分析

中國(guó)計(jì)量科學(xué)研究院提供的低能X射線(xiàn)空氣比釋動(dòng)能基準(zhǔn)的研究報(bào)告,分析了傳遞探測(cè)器復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的B類(lèi)不確定度分量(表3)。由此可得AXUV-100G作為傳遞探測(cè)器復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的B類(lèi)不確定度uB=0.285%。探測(cè)器測(cè)量重復(fù)性引入的不確定度分量urel(M10)用A類(lèi)不確定度評(píng)定，計(jì)算公式為：

表3 B類(lèi)標(biāo)準(zhǔn)不確定度匯總表Tab.3 Summery of class B standard uncertainty

(5)

式中：Sr為測(cè)量值的相對(duì)標(biāo)準(zhǔn)偏差；n為測(cè)量次數(shù)。

因此，AXUV-100G作為傳遞探測(cè)器復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的A類(lèi)不確定度為uA=urel(M10)。合成不確定度urel與擴(kuò)展不確定度Urel見(jiàn)表4。在低能X射線(xiàn)輻射場(chǎng)中，AXUV-100G在各個(gè)輻射質(zhì)下復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的不確定度均為0.57%。

表4 AXUV-100G的不確定度分析表Tab.4 The uncertainty of AXUV-100G (%)

4 AXUV-100G測(cè)量低能X射線(xiàn)輻射場(chǎng)的均勻野

將AXUV-100G置于低能X射線(xiàn)輻射場(chǎng)中，距離光機(jī)焦斑1 m處的位置，選擇CCRI-50(a)輻射質(zhì)射線(xiàn)束進(jìn)行輻照。以X射線(xiàn)輻射野中軸線(xiàn)為原點(diǎn)，在垂直中軸線(xiàn)的水平方向上以5 mm為步長(zhǎng)向兩端移動(dòng)AXUV-100G，測(cè)量其在每個(gè)位置的電離電流，按原點(diǎn)處電流值歸一化，結(jié)果如圖4所示。

圖4 傳遞探測(cè)器在輻射場(chǎng)中的相對(duì)電離電流Fig.4 Relative ionization current of transfer detector in radiation field

分析圖4中曲線(xiàn)可得，距離光機(jī)焦斑1 m處水平方向上非均勻性低于1%的輻射野直徑約為61 mm，非均勻性在5%以?xún)?nèi)的輻射野直徑約為96 mm，所得結(jié)果接近標(biāo)準(zhǔn)探測(cè)器自由空氣電離室的測(cè)量結(jié)果。

5 結(jié) 論

硅光電二極管AXUV-100G作為傳遞探測(cè)器在輻射質(zhì)有效能量10～40 keV的輻射場(chǎng)中輻射響應(yīng)較高；在低能X射線(xiàn)輻射場(chǎng)中，不同輻射質(zhì)條件下復(fù)現(xiàn)空氣比釋動(dòng)能的不確定度較小，具有較好的一致性。在CCRI-50(a)輻射質(zhì)射線(xiàn)束輻照下距離光機(jī)焦斑1 m處水平方向上，AXUV-100G測(cè)量輻射野非均勻性低于1%時(shí)的直徑約為61 mm，低于5%時(shí)的直徑約為86 mm，且穩(wěn)定性良好。因此AXUV-100G滿(mǎn)足次級(jí)傳遞標(biāo)準(zhǔn)量值復(fù)現(xiàn)與傳遞的要求，能夠作為同步輻射X射線(xiàn)在10～40 keV范圍內(nèi)能量標(biāo)定與量值傳遞的傳遞探測(cè)器。