李进玺，邱孟通，程引会，吴 伟，来定国，马 良，赵 墨，郭景海（西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安 710024）

四路并联二极管辐射X射线场参数计算

李进玺，邱孟通，程引会，吴 伟，来定国，马 良，赵 墨，郭景海
（西北核技术研究所强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西西安 710024）

摘要：利用二极管的电压、电流计算了发射电子束能谱参数，建立了四路并联二极管阳极靶蒙特卡罗粒子输运计算模型，给出了辐射X射线场参数；将四路并联二极管的每个二极管划分为若干小单元，将其作为点源，采用数值积分的方法计算了辐射X射线剂量分布，并分析了空间不同位置处每路二极管对剂量的贡献。结果表明：真空中，距离四路并联二极管阳极靶5cm位置处，X射线注量为3．55mJ／cm2，光子平均能量为62．18keV，120keV以下的光子占辐射X射线谱总能量的81．84%，电子束转换效率为0．30%；在2 700cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性分别为3．20和6．31；在2 000cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性均小于2。

关键词：并联二极管；X射线场；蒙特卡罗方法；剂量均匀性

脉冲X射线环境，特别是大面积、高能注量脉冲X射线，在电离辐照效应测试方面有重要的应用价值［1－4］。如何获得满足要求的X射线辐射场环境一直是脉冲功率技术领域研究的问题［5－8］。大面积多环二极管技术［6－7］是产生强脉冲硬X射线的技术途径之一，其主要用于产生输出窗面积大且辐射均匀的硬X射线。大面积多环二极管的阴极由多个直径不等的圆环构成，阳极为平面辐射靶。多路脉冲功率源各自驱动辐射二极管，各路二极管辐射场在空间叠加形成大面积的辐射X射线场，同时，通过降低脉冲功率源的电压可降低辐射X射线的能量。

本文利用二极管电子束能谱参数，采用蒙特卡罗方法对四路并联二极管辐射产生的X射线辐射场参数进行数值模拟，并采用点源数值积分的方法计算辐射X射线剂量分布，分析每路二极管对剂量的贡献，给出剂量随空间距离的变化曲线。

1　计算模型

四路并联二极管计算模型结构如图1所示。每个阴极环外径200mm，环内、外径相差10mm，相邻两个环外径之间的距离为30mm。四路二极管电子束能谱参数相同，单路二极管脉冲功率源输出电压、电流如图2所示。

图1　 四路并联二极管计算模型结构Fig．1 Structure of calculation model for four parallel diodes

利用二极管的电压、电流在时间上的对应关系可换算得到对应的电子能谱［9］，图3示出了图2中的二极管电压、电流所对应的电子能谱，四路并联电子束总能量为3．2kJ。

图2　 单路脉冲功率源输出电压、电流Fig．2 Current and voltage of single pulse power supply

图3　 四路并联二极管电子能谱Fig．3 Electron energy spectrum of four parallel diodes

2　计算结果

2．1 X射线能谱

辐射靶结构如图4所示，阳极转换靶由20μm的钽和3mm的聚乙烯构成。

图4　 辐射靶结构Fig．4 Structure of radiation targets

钽、聚乙烯以及真空中距阳极靶5cm处截面的辐射X射线能谱和前向电子能谱如图5所示。表1列出了不同截面处的辐射X射线和前向电子参数的比较。

图5　 不同截面处辐射X射线（a）和前向电子（b）能谱Fig．5 Energy spectra of X－ray（a）and forward electron（b）at different sections

表1　 不同截面处辐射X射线和前向电子参数的比较Table 1 Comparison of parameters of X－ray and forward electron at different sections

由图5及表1可看出：

1）辐射X射线能谱由轫致辐射和特征X射线两部分组成；

2）只有钽靶时，辐射场中的电子数和电子总能量的份额均比X射线的大得多；

3）聚乙烯靶对钽靶产生的辐射X射线的能谱分布的影响很小，只会衰减部分低能光子，但可明显衰减钽靶的前向电子；

4）真空中距阳极靶5cm截面处，辐射X射线转换效率为0．30%，平均光子能量为62．18keV，在边长为52cm的正方形平面上，X射线注量为3．55mJ／cm2，光子与电子数之比为1．96×104，120keV以下光子占X射线谱总能量的81．84%。

2．2 剂量分布

设S0为点源强度，a为点源到测量点的距离，φ为测量点的强度，不考虑衰减时，有［10］：

将图1中的每个二极管划分为若干小单元，将其作为点源，利用上式采用数值积分的方法计算了辐射X射线剂量分布，并分析了每路二极管对空间不同距离处剂量的贡献。计算中，考虑了点源在不同距离平面上投影角度不同。

4个二极管顺序以及对角线和中轴线的定义如图1所示，测量点在边长为52cm的正方形平面上。对于中轴线上的剂量，环1和环2、环3和环4是对称的，其贡献也相同，因此，只给出环1和环3的贡献；对于对角线上的剂量，环1和环4是对称的，其贡献也相同，因此，只给出环1、环2和环3的贡献。假设源强度为1，图6～8分别示出了距阳极靶1、7、30cm位置处的剂量分布。

由图6～8可看出：

1）环1、环3对中轴线上剂量的贡献沿中轴线对称，4个环对中轴线上剂量的贡献相同。

图6　 距离阳极靶1cm处剂量分布Fig．6 Dose distribution from anode target 1cm

图7　 距离阳极靶7cm处剂量分布Fig．7 Dose distribution from anode target 7cm

2）环1对对角线上剂量的贡献沿对角线方向对称，环2、环3对对角线上剂量的贡献沿对角线方向对称；距环较近时，环2、环3对对角线上剂量的贡献远大于环1、环4的贡献，随着距离的增大，4个环对对角线上剂量的贡献趋于一致。

3）距环较近时，中轴线上剂量呈马鞍形分布，而对角线上剂量呈多个马鞍形分布，对角线上剂量大于中轴线上剂量，随着距离的增大，两个方向均逐渐过渡为余弦分布，剂量大小也趋于一致。

图9示出了不同位置中轴线以及对角线上归一化剂量的比较，图10示出了总的归一化剂量与空间距离D的关系曲线。

图8　 距离阳极靶30cm处剂量分布Fig．8 Dose distribution from anode target 30cm

图9　 不同位置处归一化剂量Fig．9 Normalized dose for different locations

图10　 总的归一化剂量与距离的关系曲线Fig．10 Total normalized dosefor different distances

由图9可看出：

1）中轴线上剂量均匀性好于对角线。

2）5cm位置处，在2 700cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性分别为3．20、6．31；在2 000cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性均小于2。

3）20cm位置处，在2 700cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性分别为1．73、2．60；在2 000cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性分别为1．41、1．90。

由图10可看出，归一化剂量随着空间距离的增大呈指数衰减，可用以下拟合公式计算不同距离处的归一化剂量：

其中：A＝0．85；t＝12．79cm；y0＝0．17；D为空间距离，cm。

表2列出了强光一号［5］、闪光二号［11］以及四路并联二极管产生的硬X射线参数的比较。表中，闪光二号和四路并联二极管的光子能量为平均光子能量，强光一号的为光子能谱范围；光子份额指120keV以下光子占X射线总能量的份额；强光一号和闪光二号的数据为测量结果，四路并联二极管的数据为计算结果。

表2　 不同加速装置X射线参数的比较Table 2 Comparison of X－ray parameters of different accelerators

3　结论

利用二极管的电压、电流计算得到了电子的能谱分布；建立了四路并联二极管蒙特卡罗粒子输运计算模型，计算得到了X射线辐射场参数；采用点源数值积分的方法计算了辐射X射线剂量分布特性。给出的二极管电压电流和阳极靶厚度条件下，距离阳极靶5cm截面处，辐射X射线转换效率为0．30%，平均光子能量为62．18keV，在边长为52cm的正方形平面上，X射线注量为3．55mJ／cm2，光子与电子数之比为1．96×104，120keV以下光子占X射线谱总能量的81．84%，在2 000cm2范围内，中轴线和对角线上的剂量均匀性均小于2。

模拟结果表明：四路并联二极管产生的脉冲硬X射线环境满足电离辐照效应实验要求［1－4，11－12］，能应用于系统电磁脉冲等电离损伤效应研究中。

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Calculation of X－ray Field Parameters Generated by Four Parallel Diodes

LI Jin－xi，QIU Meng－tong，CHENG Yin－hui，WU Wei，LAI Ding－guo，MA Liang，ZHAO Mo，GUO Jing－hai
（National Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect，Northwest Institute of Nuclear Technology，Xi’an710024，China）

Abstract：The electron energy distribution of diode was calculated using current and voltage．Moreover，the characteristics of X－ray spectrum in parallel diodes environment were calculated using Monte Carlo simulation model．The dose distribution of X－ray of four parallel diodes environment was calculated using numerical integral method．In the model，the small cells，which were divided by diodes，were used as radiation source．The results indicate that the X－ray fluence in the position from the target 5cm is 3．55mJ／cm2．The energy of photons with less than 120keV in the X－ray spectrum is less than 81．84%of the total energy．The average photon energy of the X－ray spectrum is 62．18keV，and the diode electron beams conversion efficiency is 0．30%．In the area of 2 700cm2，the dose uniformities of axial and diagonal orientation are 3．20and 6．31 separately，and in the area of 2 000cm2，the values are less than 2．

Key words：parallel diode；X－ray field；Monte Carlo method；dose uniformity

作者简介：李进玺（1978—），男，甘肃白银人，副研究员，硕士，从事辐射效应研究

收稿日期：2014－04－10；修回日期：2014－09－25

doi：10．7538／yzk．2015．49．08．1460

文章编号：1000－6931（2015）08－1460－07

文献标志码：A

中图分类号：TL501