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低能X射线光子注量测量技术研究

张少华  
【摘要】: 近年来,随着科学技术的发展,低能(软)X射线的应用越来越广泛。随着软X射线应用的不断深入,在许多领域都要求对其绝对强度进行测量。例如:在医学、工业、核武器库存、核试验等领域内,如果能找到一种方法可以精确测低能X射线光子注量,一方面可以根据应用需求确定X射线的能量和强度;另一方面还可以根据探测值制定一套完善的辐射防护装置,尽最大努力保证工作人员所受的剂量在安全范围以内。 随着对多种材料研究的不断深入,由于固体器件显然具有密实和灵敏的优点,所以固体探测器已经在比较广泛的领域内取代了气体探测器的应用。近年来新研制成功的PN型X射线探测器、硅光电二极管属于半导体型探测器,其优点在于量子效率高、噪音低、测量时不需要外加电压、对外磁场不敏感,且其光电效应发生在内部,对真空环境的污染不敏感,甚至可以在空气环境中工作。此外,硅光电二极管耐辐射损伤、造价低、重量轻、操作简单,一些大型实验室已经开始使用硅光电二极管作为二级传输标准。实验证明上述半导体探测器比较适合用于低能X射线光子注量测量的研究,已经成为低能X射线测量研究中的重要发展方向。 在热释光探测器于低能X射线光子注量测量中的应用研究方面,实验主要考虑以下几个影响探测器响应的关键因素: (1)热释光探测器和空气的质能吸收系数; (2)低能X射线在厚的热释光探测器中的减弱; (3)热释光在厚的热释光探测器中的自吸收; (4)热释光探测器的相对热释发光效率(固有发光效率)n,它强烈的依赖于光子能量和辐射电离密度的函数关系。 通过对国内外低能X射线注量测量领域中的发展状况进行调查研究,发现用硅光电二极管作标准测量装置的探测器、用热释光探测器作为低能X射线场场点离线式注量测量探测器,两种探测器联合试验是一种较为完美的组合。 但是,准确测定低能X射线光子注量具有一定的难度。一般来说,当X射线能量很低时,注量测量问题变的十分艰难,对于能量小于50keV的X射线更是如此。主要原因如下: 第一、低能光子与物质的主要相互作用是光电效应,其相应的原子相互作用系数很快地随光子能量(约正比于(hv)~(-3))和物质的原子序数(约正比于Z~4)变化。由于这种对能量的依赖性,因而需要更清楚的了解被测量的X射线的能谱分布。 第二、低能光子的质能吸收系数较高,X射线会被强烈地减弱。 第三、存在着较高的照射量率(当然这不仅限于低能光子)时,在测量中常常需要靠近具有较高透射比窗口的X射线管的靶。靠近靶的场点的高照射量率要求探测器没有率依赖性(如:照射量率、剂量率),因此必须对探测器是否满足“剂量——剂量率”的互易定律进行实验研究,并且这是一项很困难的实验研究工作。 第四、对于能量为亚千电子伏的低能X射线,其次级电子能量极低,因此还要进行探测器对低能X射线响应的传能线密度(Linear Energy Transfer即:LET效应)依赖性的实验研究。 为了满足实验室内相关需求我们拟采取半导体硅光电二极管探测器与热释光探测器相结合的方法研究解决如下问题: (1)低能(软)X射线的光子注量测量; (2)硅光电二极管、LiF-TLD对低能X射线的能量响应; (3)硅光电二极管、LiF-TLD在低能X射线的注量测量中各种修正因子的确定; (4)硅光电二极管的自标定技术、LiF-TLD探测器的精确标定技术。 经过近两年的实验研究,得到以下初步结论: (1)提出了新的标定方法,实质上就是标定探测器的灵敏层厚度:在~(137)Cs-661keV的均匀高能γ场中,将硅光电二极管半导体探测器置于带电粒子平衡条件之下,在已知源的照射量的情况下,分别测量探测器在同一条直线方向上不同位置处的信号值以及弱电流测量装置的本底信号值,通过理论计算获得半导体探测器耗尽层厚。在未知源的照射量的情况下,利用热释光探测器测定某一特定位置源的光子注量,进而刻度二极管的灵敏层厚度; (2)硅光电二极管在高能γ场中的标定结果与在同步辐射装置上的实验结果吻合度很高,验证了本论文所提出的高能γ场标定光电二极管半导体探测器方法的正确性; (3)对所选LiF(Mg,Ti)热释光探测器进行了复现性试验,得到比较理想的结果,利用在同步辐射装置上的实验结果,计算得探测器自吸收系数为3.22±0.14,研究了奇异发光效率等问题,得到与理论基本相一致的实验结果,计算求得热释光探测器测量低能X射线光子注量的修正因子; (4)在研究室内高能γ场中,实验刻度了减光片的倍数,计算得到其减光倍数以及不确定度; (5)利用硅光电二极管和热释光两种探测器对低能X射线光子注量进行测量,给出了实验步骤以及相应的低能光子注量计算公式。 综上所述:本课题研究有一定的实际应用价值,并且为在这一基础下进行的相关性深入研究搭建了一个有现实意义的平台。


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