不銹鋼和鎢材料對東方超環(huán)（EAST）裝置硬X射線診斷系統(tǒng)的影響

盧洪偉 倪志嬌 查學(xué)軍

1（東華大學(xué)理學(xué)院 上海 201620）

2（磁約束核聚變教育部研究中心（東華大學(xué)）上海 201620）

托卡馬克實驗裝置在進行等離子體放電的過程中會產(chǎn)生不同能量的X射線和γ射線。如熱電子的軔致輻射可以產(chǎn)生軟X射線，通過軟X射線能譜可以給出電子溫度的時空演化信息［1］；快電子和本底等離子體的軔致輻射可以產(chǎn)生低能的硬X射線，通過低能硬X射線能譜診斷可以研究硬X射線光溫、快電子的時空演化、低雜波的功率沉積、快電子的慢化和擴散等問題［2］；而逃逸電子撞擊到裝置的器壁上，由于厚靶軔致輻射產(chǎn)生高能硬X射線，通過高能硬X射線能譜可以研究放電過程中逃逸電子能量和計數(shù)的時空演化信息［3-6］。放電過程中產(chǎn)生的中子有可能和裝置的器壁材料發(fā)生核反應(yīng)產(chǎn)生γ射線。因此在托卡馬克裝置放電的過程中將產(chǎn)生大量的X射線和γ射線。在國內(nèi)，中國科學(xué)院等離子體物理研究所HT-7［7-8］和東方超環(huán)（EAST）［9］托卡馬克、核工業(yè)西南物理研究院HL-1M［10］和HL-2A［11-13］托卡馬克實驗裝置上都建立了軟X射線、低能硬X射線和高能硬X射線診斷系統(tǒng)來檢測放電過程中產(chǎn)生的X射線和γ射線。在國際上，托卡馬克TORE SUPRA［14-16］、JET［14，17］、ASDEX［14］、PDX［18］、PBX-M［19］上也都建立了相關(guān)的X射線或γ射線等核輻射測量系統(tǒng)。

由于托卡馬克裝置內(nèi)部存在大量的不銹鋼和鎢等金屬材料，比如托卡馬克的部分第一壁材料、偏濾器靶板以及托卡馬克真空室內(nèi)部診斷系統(tǒng)的屏蔽層等。X射線和γ射線通過這些不銹鋼和鎢金屬材料的時候，會發(fā)生光電效應(yīng)和康普頓散射，因此裝置內(nèi)部這些材料的存在勢必會對診斷數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生影響。雖然X射線和γ射線的起源不同，能量大小不等，但都屬于電離輻射，它們與物質(zhì)相互作用的機制與電磁輻射的起源無關(guān)，只與能量有關(guān)。X射線和γ射線與物質(zhì)相互作用的效應(yīng)有［20］光電效應(yīng)、康普頓散射和電子對效應(yīng)。由于光電效應(yīng)和康普頓散射的反應(yīng)截面隨Z而增大，因此通常采用高Z材料來探測γ射線，以獲得較高的探測效率。同樣也選用高Z材料（鉛、鎢）作為γ射線的屏蔽材料。由于托卡馬克實驗裝置內(nèi)部存在大量的高Z材料，這些高Z材料將對診斷數(shù)據(jù)的可靠性產(chǎn)生重要影響。

本文詳細介紹了EAST超導(dǎo)托卡馬克實驗裝置上的硬X射線診斷系統(tǒng)，包括探測器的結(jié)構(gòu)，同時通過計算鉛對不同能量γ射線的吸收效果，設(shè)計了探測系統(tǒng)的屏蔽準直體；介紹了探測系統(tǒng)的信號處理過程，并使用22Na放射源對系統(tǒng)進行了臺面實驗，測試了不同厚度的不銹鋼以及鎢材料對實驗數(shù)據(jù)的影響，同時將實驗結(jié)果和計算結(jié)果進行了比較。

1 硬X射線診斷系統(tǒng)介紹

雖然托卡馬克裝置上有軟X射線能譜診斷、低能硬X射線能譜診斷和高能硬X射線能譜診斷等不同的核輻射測量手段，但是他們的測量原理和測量方法是相似的，不同之處是根據(jù)探測光子能量的不同所選用的探測器是不同的，用硅漂移探測器測量軟X射線能譜；由于化合物半導(dǎo)體探測器CdTe對低能的X射線和γ射線具有較高的探測效率和較高的能量分辨，對低能X射線和γ射線的能量分辨遠比閃爍探測器要好，因此用CdTe半導(dǎo)體探測器測量快電子軔致輻射［21-22］，用NaI（Tl）和BGO閃爍體探測器測量逃逸電子厚靶軔致輻射產(chǎn)生的高能硬X射線［23］。NI（Tl）閃爍體為由無色透明的NaI晶體構(gòu)成的無機閃爍體，以鉈（Tl）為激活劑。NaI（Tl）閃爍探測器結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。由于NaI（Tl）閃爍體的平均原子序數(shù)高、密度高，對γ射線具有較高的探測效率及能量分辨。

圖1 NaI(Tl)閃爍探測器結(jié)構(gòu)示意圖Fig.1 Configuration of NaI(Tl)detector

硬X射線能譜診斷所用的另外一種探測器是BGO（Bi4Ge3O12）閃爍體，它是一種無色透明的純鍺酸鉍本征晶體構(gòu)成的無機閃爍體，密度是7.13 g/cm3，大于NaI（Tl）閃爍體的3.67 g/cm3，因此，BGO閃爍體對1～10 MeV的γ射線的吸收系數(shù)是NaI（Tl）閃爍體的2.5倍左右，使用BGO閃爍體探測高能的X射線和γ射線，缺點是能量分辨比NaI（Tl）閃爍體差一些。通過NaI（Tl）閃爍體和BGO探測器的結(jié)合，可以更好地彌補各自探測器的不足，更好地測量高能硬X射線。

X射線和γ射線診斷系統(tǒng)簡圖如圖2所示。探測器接收X射線和γ射線產(chǎn)生光電子，光電子經(jīng)過光電倍增管的多次倍增放大后輸出一個電脈沖，電脈沖經(jīng)過模/數(shù)轉(zhuǎn)換器（ADC）轉(zhuǎn)換為數(shù)字信號，然后將數(shù)字信號存儲到多道脈沖分析器中，最后經(jīng)過網(wǎng)線傳輸?shù)诫娔X采集，從而測得光子能譜信息。另一路信號是線性放大器輸出的模擬信號，其經(jīng)過檢波器后直接傳送到托卡馬克裝置統(tǒng)一采集的數(shù)據(jù)庫中，該信號可以提供X射線和γ射線的輻射強度（輻射能量和通量）信息。

圖2 X射線和γ射線診斷系統(tǒng)框圖Fig.2 Data acquisition of X-ray andγ-ray detection system

為了屏蔽雜散的X射線和γ射線，使診斷系統(tǒng)具有較好的空間分辨能力，采用高Z材料（鉛）作為探測器的屏蔽材料。圖3所示為計算了鉛對不同能量γ射線的吸收能力隨著鉛厚度的變化曲線。γ射線穿過鉛材料按照I=I0e?μmdm指數(shù)衰減［20］，其中，I0為入射到材料前的輻射強度；I為通過材料后的輻射強度；μm是材料的質(zhì)量衰減系數(shù)；質(zhì)量厚度dm=ρd。因此I=I0e?(μmρ)d，其中，ρ是材料的密度；d為穿過材料的厚度。從圖3可知，20 mm厚的鉛就可以很好地屏蔽雜散2 MeV的γ射線，而對于能量高于5 MeV的γ射線，則需要厚80 mm以上的鉛才能夠屏蔽雜散γ射線，同時發(fā)現(xiàn)而，對于5～10 MeV的高能γ射線，鉛的屏蔽能力差別不大。

根據(jù)圖3的計算結(jié)果，將EAST托卡馬克裝置硬X射線診斷系統(tǒng)的鉛屏蔽體結(jié)構(gòu)設(shè)計為圓柱形。從截面結(jié)構(gòu)（圖4）可知，準直孔的直徑1 cm，長度15 cm（即準直體的鉛層厚度）；鉛屏蔽體的鉛層厚度10 cm。根據(jù)計算結(jié)果，這種屏蔽體的鉛層厚度可以屏蔽掉99%以上的雜散光子，僅使在準直孔范圍內(nèi)的光子通過準直孔，從而對探測器具有屏蔽和準直的作用。

圖3 鉛對不同能量γ射線的衰減效果Fig.3 Effect of lead onγ-ray

圖4 NaI(Tl)閃爍探測器的鉛屏蔽體結(jié)構(gòu)示意圖Fig.4 Lead shielding configuration of NaI(Tl)detector

2 不銹鋼和鎢材料對X射線診斷系統(tǒng)的影響

由于托卡馬克裝置的內(nèi)部結(jié)構(gòu)和外圍診斷上都有很多不銹鋼結(jié)構(gòu)和鎢材料，并且由于托卡馬克實驗窗口的限制，很難做到診斷系統(tǒng)前面沒有不銹鋼或者鎢等金屬材料的阻擋，特別是位于裝置外圍的高能硬X射線診斷系統(tǒng)，其準直孔的前方不可避免地存在一些不銹鋼結(jié)構(gòu)和鎢材料。本文借助22Na放射源研究了鎢材料和不銹鋼結(jié)構(gòu)對X射線診斷數(shù)據(jù)的影響。22Na放射源發(fā)生β+衰變產(chǎn)生22Na的激發(fā)態(tài)22Na*，處于激發(fā)態(tài)的22Na*向基態(tài)躍遷輻射出1.275 MeV的γ光子，22Na可以發(fā)射出正電子，正負電子發(fā)生湮滅，可以輻射出0.511 MeV的γ光子。

臺面實驗的示意圖如圖5所示，在距離22Na放射源7.5 cm的地方放置不同厚度的鎢板和不銹鋼板（316L）；將NaI（Tl）閃爍探測器放在距離鎢板和不銹鋼板7.5 cm的地方，采集能譜數(shù)據(jù)。

圖5 臺面實驗示意圖Fig.5 Schematic view of testing experiment

22Na放射源產(chǎn)生的γ射線穿過不同厚度不銹鋼的能譜如圖6所示。雖然放射性核素22Na產(chǎn)生的輻射光子是能量為0.511 MeV和1.275 MeV的線狀譜，但是當γ射線與探測器相互作用后，γ射線的“儀器譜”變成連續(xù)譜，當放射源和探測器之間沒有任何材料時，可以明顯看出，γ射線能譜有三個峰位（0.511 MeV、1.275 MeV和1.786 MeV），其中1.786 MeV的峰位是由于0.511 MeV和1.275 MeV的光子同時被探測器接收到而產(chǎn)生的。而0.511 MeV和1.275 MeV之間的平臺是康普頓散射反沖電子能譜。從圖6可以看出，隨著不銹鋼厚度的增加，能譜的形狀變化不是很明顯，只是計數(shù)有所減少，說明不銹鋼對γ射線的吸收能力比較小。

圖7給出了γ射線穿過不同厚度鎢材料的能譜。由圖7可知，隨著鎢材料厚度的增加，γ射線計數(shù)很快降低，而且當鎢板厚度達到29 mm時，0.511 MeV γ射線的峰位基本消失；隨著鎢板厚度的增加，能譜的形狀變化比較明顯，而且計數(shù)迅速降低，說明鎢材料對γ射線散射與吸收比較大。從圖6和圖7可以發(fā)現(xiàn)，γ射線通過不銹鋼和鎢后采集到的能譜與其原始的儀器譜在形狀上沒有太大的變化，只是γ射線峰的計數(shù)有所減少。而且由于γ射線和物質(zhì)的相互作用，γ射線峰值計數(shù)的減小幅度大于其他平臺區(qū)計數(shù)減小的幅度。

圖6 22Na放射源產(chǎn)生的γ射線穿過不同厚度不銹鋼板的能譜圖Fig.6 γ-ray spectra on stainless steel experiment

圖7 22Na放射源產(chǎn)生的γ射線穿過不同厚度鎢材料的能譜圖Fig.7 γ-ray spectra on tungsten experiment

3 結(jié)果與討論

圖8給出了臺面實驗得到的γ射線能譜中0.511 MeV和1.275 MeV兩個峰位的γ射線歸一化計數(shù)隨不銹鋼厚度的變化。雖然不銹鋼對γ射線的吸收呈指數(shù)變化趨勢，由于不銹鋼對γ射線的吸收比較弱，所以從圖8可以看出，實驗結(jié)果基本上近似成線性關(guān)系。在衰減規(guī)律I=I0e?(μmρ)d中，令衰減系數(shù)α=μmρ，其中，d為射線經(jīng)過的距離。由圖8可知，擬合出不銹鋼對0.511 MeVγ射線的衰減規(guī)律是I=I0×10-0.60d，衰減系數(shù)α=0.60 cm-1；通過對變量進行線性回歸分析，采用最小二乘法進行誤差估計，計算出回歸平方和占總誤差平方和的比值R2=0.955 4；對1.275 MeVγ射線的衰減規(guī)律是I=I0×10-0.41d，衰減系數(shù)α=0.41 cm-1，R2=0.922 3。

圖8 實驗得到的γ射線歸一化計數(shù)隨不銹鋼厚度的變化Fig.8 Relationship ofγ-ray normalized count and stainless steel thickness in experiment

鐵（ρ=7.8 g/cm3）對于0.511 MeV的γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)為μm=0.084 cm2/g，吸收規(guī)律是I=I0e-0.6552d；對于1.275 MeV的γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)為μm=0.054 cm2/g，吸收規(guī)律是I=I0e-0.4212d［24］。通過對比可以發(fā)現(xiàn)，圖8的實驗結(jié)果和圖9的理論計算結(jié)果較為類似，擬合曲線的形狀也比較類似；根據(jù)實驗結(jié)果擬合出不銹鋼對0.511 MeVγ射線的衰減系數(shù)α=0.60 cm-1，略小于理論計算的鐵對0.511 MeVγ射線的衰減系數(shù)α=0.65 cm-1。同樣，不銹鋼對1.275 MeVγ射線的衰減系數(shù)α=0.41 cm-1，也略小于理論計算的鐵對1.275 MeVγ射線的衰減系數(shù)α=0.42 cm-1，考慮到實驗誤差的影響，可以認為理論結(jié)果和實驗結(jié)果是符合的。

圖9 計算得到的γ射線計數(shù)隨不銹鋼厚度的變化Fig.9 Relationship ofγ-ray count and stainless steel thickness in theory

圖10給出了臺面實驗得到的0.511 MeV和1.275 MeV峰位的計數(shù)隨鎢厚度的變化。由于鎢材料屬于高Z材料，對γ射線的吸收衰減效果比較明顯，γ射線計數(shù)隨著鎢材料厚度的增加而減少，指數(shù)迅速衰減。從圖10可以看出，0.511 MeV和1.275 MeV的兩條曲線是明顯的指數(shù)衰減關(guān)系。通過圖10中的實驗數(shù)據(jù)也可以擬合出鎢材料對0.511 MeVγ射線的衰減規(guī)律是I=I0×10-2.3d，衰減系數(shù)α=2.30 cm-1，R2=0.999 9；對1.275 MeVγ射線的衰減規(guī)律是I=I0×10-1.0d，衰減系數(shù)α=1.00 cm-1，R2=0.999 5。

由于鎢（ρ=19.3 g/cm3）對于0.511 MeV的γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)μm=0.135 cm2/g，吸收規(guī)律是I=I0e-2.6055d；對于1.275 MeV的γ射線的質(zhì)量吸收系數(shù)μm=0.058 cm2/g，吸 收 規(guī) 律 是I=I0e-1.1194d［24］。同樣，根據(jù)理論計算，鎢對0.511 MeV和1.275 MeVγ射線計數(shù)的衰減規(guī)律也滿足指數(shù)衰減的規(guī)律，對比發(fā)現(xiàn)，圖10的實驗結(jié)果和圖11的理論計算結(jié)果類似，隨著鎢材料厚度的增加，γ射線輻射計數(shù)或輻射強度指數(shù)衰減。

圖10 實驗得到的γ射線歸一化計數(shù)隨鎢厚度的變化Fig.10 Relationship ofγ-ray normalized count and tungsten thickness in experiment

圖11 計算得到的γ射線計數(shù)隨鎢厚度的變化Fig.11 Relationship ofγ-ray count and tungsten thickness in theory

根據(jù)圖10實驗結(jié)果擬合，鎢對0.511 MeVγ射線的衰減系數(shù)是α=2.30 cm-1，略小于理論計算的鎢對0.511 MeVγ射線的衰減系數(shù)α=2.60 cm-1。同樣，鎢對1.275 MeVγ射線的衰減系數(shù)是α=1.00 cm-1，也略小于理論計算的鎢對1.275 MeVγ射線的衰減系數(shù)α=1.12 cm-1?？紤]到實驗誤差的影響，可以認為實驗結(jié)果和理論結(jié)果是符合的。

4 結(jié)論

介紹了EAST托卡馬克上的硬X射線診斷系統(tǒng)，包括探測器的結(jié)構(gòu)和數(shù)據(jù)處理方法，并設(shè)計了探測器的屏蔽準直體。利用22Na放射源對診斷系統(tǒng)進行了臺面實驗測試，通過放射源的γ射線能譜研究了不銹鋼和鎢材料對γ射線的衰減規(guī)律；通過對不銹鋼和鎢材料對γ射線能譜影響的研究，擬合出了不銹鋼和鎢材料對0.511 MeV和1.275 MeVγ射線的衰減系數(shù)。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，不銹鋼對γ射線的衰減系數(shù)（0.511 MeV的衰減系數(shù)α=0.60 cm-1；1.275 MeV的衰減系數(shù)α=0.41 cm-1）遠遠小于鎢材料對γ射線的衰減系數(shù)（0.511 MeV的衰減系數(shù)a=2.30 cm-1，1.275 MeV的衰減系數(shù)α=1.00 cm-1）。根據(jù)實驗結(jié)果擬合出的γ射線衰減系數(shù)與理論計算得到的值，在考慮到實驗誤差影響的前提下，可以認為他們是一致的。因此，不銹鋼對硬X射線診斷數(shù)據(jù)的影響比鎢產(chǎn)生的影響小得多。在設(shè)計安裝高能硬X射線和γ射線診斷的時候要盡量避免準直孔前方有鎢和鉛等高Z材料的存在。但是對于低能的X射線，不銹鋼的影響是不可忽略的；在設(shè)計安裝低能硬X射線診斷以及軟X射線診斷的時候，要避免準直孔前方有不銹鋼結(jié)構(gòu)、鎢和鉛等高Z材料的存在。同樣，如果要屏蔽托卡馬克實驗裝置放電過程中產(chǎn)生的X射線和γ射線對其他診斷的影響，則需要選用高Z的鎢和鉛等作為屏蔽材料。同時，也可以通過這種方法，對硬X射線診斷準直孔前方存在的高Z材料對診斷數(shù)據(jù)的影響進行評估。EAST超導(dǎo)托卡馬克γ射線診斷系統(tǒng)的屏蔽體準直孔的直徑為1 cm，長度為15 cm（即準直體的鉛層厚度），鉛屏蔽體的鉛層厚度10 cm，這種屏蔽體的鉛層厚度可以屏蔽掉99%以上的雜散光子，能夠滿足實驗的要求。