不同能量光子辐照电缆响应规律研究

李进玺，程引会，李宝忠，吴 伟，马 良，朱 梦，周 辉

（西北核技术研究所，陕西 西安 710024）

脉冲X射线引起的电子系统效应主要包括系统电磁脉冲（System Generated Electromagnetic Pulse，SGEMP）、内电磁脉冲（Internal EMP，IEMP）和电子系统瞬态辐照效应（Transient Radiation Effect in Electronics，TREE）。与电子系统相连接的线缆瞬态辐照响应是SGEMP效应研究的内容之一，电子系统中常见的线缆主要有：屏蔽电缆、导线和线路板布线等。该瞬态辐照响应轻则干扰、重则损伤与线缆相连的电子系统。本工作在文献［1－2］的基础上，采用时域传输线（TL）方法，对不同能量光子辐照同轴屏蔽电缆的瞬态响应规律进行研究。由电子打靶而产生的脉冲X射线环境中，不可避免地含有一定比例的电子成分。为了更好地分析实验结果、合理有效地利用辐射模拟装置开展SGEMP效应研究，对单能电子经不同靶材料发生韧致辐射后在电缆上的瞬态辐照响应也进行研究。

1 计算模型及方法

图1为同轴电缆模型示意图。同轴电缆受到脉冲X射线辐照时，护套、屏蔽层、芯线以及介质层有一部分正、负电荷沉积，还有一部分电子逃逸到电缆外部空间中。一般情况下，金属的光电产额较介质的大，介质内的沉积电荷为负，导体内的沉积电荷为正。由于介质层负电荷的作用，芯线正电荷中仅有一部分用来产生瞬态电流，而另一部分用来产生静电场，逃逸到电缆外部空间中的电子对瞬态电流和静电场则均无贡献。因此，在电缆介质层内电荷分布沿圆周方向对称的假设条件下，如果已知芯线正电荷和介质层负电荷的径向分布，即可利用高斯定理计算得到介质层内的电场分布，通过对电场分布进行积分可得到电缆芯线和屏蔽层间的电势差。由于同轴电缆单位长度的分布电容已知，由实验［3］可知，线缆X射线瞬态响应波形与X射线注量的时间变化波形一致。因此，电势差U对时间t的变化率与X射线注量的时间变化一致，传输线模型中的电流I＝CdU／dt，其中：C为电容。

TL方程的差分格式参见文献［2，4］，求解TL方程可得到电缆任意位置的电流电压响应。

图1 屏蔽电缆受辐照的几何模型Fig.1 Model of irradiated shielding cable

2 计算结果及分析

计算中，X射线时间谱为高斯脉冲y（t）＝exp（－4π（（t－t0）／τ）2），其中，t0＝16ns，τ＝20ns。电缆型号为SYV－50－1，受辐照长度l＝1m，电缆芯线两端接匹配负载，屏蔽层接地。射线与材料作用采用蒙特卡罗方法计算。

2.1 不同能量光子辐照电缆时的响应

计算中，光子注量为4.2J／cm2。图2示出光子能量不同时电缆负载电压波形，图3示出电缆负载电压峰值与辐照光子能量的关系曲线。

图2 光子能量不同时电缆负载电压波形Fig.2 Waveforms of voltage for different photon energy

图3 电缆负载电压峰值与辐照光子能量的关系Fig.3 Peak values of cable load voltages for different photon energy

由图2、3可看出，辐照光子能量较小时电缆响应为负，且存在峰值；光子能量增大到一定值后，电缆响应出现极性变化，响应极性发生变化时的光子能量约为850keV，且光子能量大于2MeV后继续增大光子能量对电缆响应幅度的影响很小。光子能量较大时，导体和介质材料的光电产额差别不大，所以光子能量增大到一定值后，电缆响应幅度变化很小。

图4示出不同能量单能光子辐照电缆时每个辐照光子对应的电荷沉积。由图4可看出，电缆受不同能量光子辐照时，芯线和屏蔽层的沉积电荷为正，介质层沉积的分布电荷为负，但光子能量不同时，芯线、介质层以及屏蔽层三者沉积电荷的相对值不同，同时，沉积电荷在介质层内的分布也不同。因此，电缆响应的极性由芯线、介质层以及屏蔽层三者沉积电荷的相对值和沉积电荷在介质层内的分布共同决定。

图4 不同能量单能光子辐照电缆时的电荷沉积Fig.4 Distributed charge for different photon energy

为了说明负电荷在介质层中的分布对电缆响应的影响，图5示出介质层中电荷所处位置不同时的电缆响应，计算条件为：电缆芯线沉积电荷9.88×10－6C，介质层沉积电荷－6.13×10－5C。由图5可看出，负电荷在介质层中的分布不同时电缆响应也不同，当负电荷靠近电缆芯线时，负载电压响应为负；当负电荷靠近电缆屏蔽层时，负载电压响应为正。

图5 介质层电荷位置不同时的电压Fig.5 Voltage for medium charge in different positions

2.2 韧致辐射环境辐照电缆时的响应

计算条件为：电子能量1MeV，韧致辐射电子密度1014cm－2。靶材料为：1）钽膜，厚0.5mm；2）0.5mm钽膜＋0.5mm铝膜，光电子出射材料为铝膜。

图6示出计算得到的韧致辐射光子能谱，图7示出韧致辐射光子和前向电子在电缆上电压响应时间波形的比较，图8示出穿过两种靶材料的前向电子在电缆上的沉积电荷分布。表1列出前向电子和韧致辐射光子在电缆上电压响应最大值的比较。

图6 韧致辐射光子谱Fig.6 Bremsstrahlung photon spectra

图7 韧致辐射光子和前向电子产生的响应Fig.7 Waveforms of voltage for bremsstrahlung photons and forward electrons

图8 前向电子在电缆上的沉积电荷分布Fig.8 Distributed charge of cable for forward electrons

表1 电压响应最大值的比较Table 1 Comparison of voltage peak value for different targets

由图6可看出，1MeV的单能电子经0.5mm钽膜和0.5mm钽膜＋0.5mm铝膜产生的韧致辐射光子谱差别不大。以靶材料为0.5mm钽膜为例，韧致辐射光子谱的能量峰值约为250keV，最高能量不超过1MeV，小于850keV的光子能谱在总能谱中所占份额大于96%，850keV以上能量的光子在韧致辐射谱中所占份额很小，即电缆上的响应主要由小于850keV的光子产生，按图3所示不同能量光子的响应规律推断，1MeV的单能电子韧致辐射光子谱在电缆上的电压响应为负值，这与图7所示结果一致。

由图7可看出，1MeV的单能电子经靶材料发生韧致辐射后在电缆上的瞬态辐照响应是前向电子和光子在电缆上响应的综合，两者在电缆上的电压响应均为负值。

由图7和表1可知，靶材料为0.5mm钽膜时，前向电子的响应大于韧致辐射光子的响应，两者之间相差1.8倍左右；靶材料为0.5mm钽膜＋0.5mm铝膜时，前向电子的响应小于韧致辐射光子的响应，两者之间相差2.5倍左右；因为两种靶材料产生的韧致辐射光子谱差别不大，只是铝膜衰减了一部分的光子，所以，两种韧致辐射光子环境在电缆上的响应差别不大；靶材料为0.5mm钽膜＋0.5mm铝膜时，前向电子产生的响应较0.5mm钽膜时减小了至少5倍。因此，SGEMP实验中，可在原子序数大的靶材料后面增加一定厚度的原子序数较小的材料来衰减前向电子，从而在对韧致辐射光子环境影响不大的情况下减小韧致辐射X射线装置中前向电子的干扰。

由图8可看出，前向电子在电缆芯线、介质层以及屏蔽层的沉积电荷均为负值，靶材料增加0.5mm铝膜后，衰减了一部分的前向电子，从而导致了前向电子在电缆上响应的减小。

3 结论

利用时域传输线方法研究了电缆瞬态辐照响应规律。光子能量不同时，电缆响应极性不同，对于型号为SYV－50－1的电缆，极性发生变化时的光子能量约为850keV，但光子能量增大到2MeV后电缆响应幅度变化很小。计算了1MeV的单能电子经不同靶材料发生韧致辐射后在电缆上的瞬态辐照响应。在SGEMP实验中，可在原子序数大的靶材料后面增加一定厚度的原子序数较小的材料来减小韧致辐射X射线装置中前向电子的干扰。

文中采用的方法对于分析和预测脉冲X射线辐照电缆时的响应规律及有效地进行脉冲X射线防护具有重要意义。同时，本文得到的结果对于电缆的SGEMP实验方案的设计及合理有效地利用辐射模拟装置开展线缆的SGEMP效应研究具有一定的指导意义。

［1］李进玺，程引会，周辉，等.屏蔽电缆对脉冲X射线响应的数值计算［J］.强激光与粒子束，2006，18（6）：981－984.LI Jinxi，CHENG Yinhui，ZHOU Hui，et al.Response of shielding cable to pulsed X－rays［J］.High Power Laser and Particle Beams，2006，18（6）：981－984（in Chinese）.

［2］李进玺，程引会，周辉，等.用传输线和时域有限差分法计算电缆X射线响应［J］.强激光与粒子束，2007，19（12）：2 079－2 082.LI Jinxi，CHENG Yinhui，ZHOU Hui，et al.Calculation of coaxial line X－ray responses by transmission line method and finite difference time domain method［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19（12）：2 079－2 082（in Chinese）.

［3］ZHONG Yufen，ZHOU Hui，LI Baozhong，et al.The research of braided shielding cable responses in DPF X－ray environments［C］∥Proceedings of the 9th National Conference on Nuclear Electronics ＆ Nuclear Detection Technology.Beijing：［s.n.］，1999：239－242.

［4］HIGGINS D F，BARBARA S.Time－domain calculation of the leakage of SGEMP transients through braided cable shields［J］.IEEE Trans Nucl，1989，36（6）：2 042－2 049.