封闭壳体X射线屏蔽效能测量方法

罗剑辉 周海生 马 戈 黑东炜 魏福利 徐 曦

1（西北核技术研究所 西安 710024）

2（强脉冲辐射模拟与效应研究国家重点实验室 西安 710024）

3（中国工程物理研究院电子工程研究所 绵阳 621900）

封闭壳体X射线屏蔽效能测量方法

罗剑辉1,2周海生1马 戈1黑东炜1,2魏福利1徐 曦3

1（西北核技术研究所 西安 710024）

2（强脉冲辐射模拟与效应研究国家重点实验室 西安 710024）

3（中国工程物理研究院电子工程研究所 绵阳 621900）

针对X射线辐照环境中抗辐射加固技术研究的需求，建立了一种适用于电子系统封闭外壳的X射线屏蔽效能测量方法。以X射线机的轫致辐射输出为基础，通过滤波和多个连续谱的组合，实现了接近考核能谱的辐照X射线输出；利用LiF热释光探测器的优势，研究了X射线能量响应标定和屏蔽效能测量的应用方法。重点开展了20-100keV硬X射线辐照下封闭腔体屏蔽效能测量的实验研究，测量结果显示，除照射方向上的穿透X射线外，散射X射线对腔体内部剂量场具有显著的贡献。通过实验方法的建立和测量结果的分析，能为X射线抗辐射加固的结构设计和有效性评估提供实验参考。

X射线，能谱构造，封闭壳体，屏蔽效能，热释光探测器

电子元器件在硬X射线辐照环境中，由于剂量增强等效应[1-4]，其性能和寿命受到严重影响，随着大规模集成电路辐射效应研究的快速发展，人们逐渐认识到X射线抗辐射加固研究的重要性，为减小X射线照射对器件的损伤效应，采用外壳屏蔽是目前实践中的主要方法。X射线屏蔽体采用铝、钨、铅等轻重金属的混合，多种加工工艺，对器件重要性、壳体质量等因素综合设计[5]，其特点是隔舱多、空间密闭、结构及材料成分复杂，但由于透射、散射、荧光X射线及激发电子混杂在一起，增加了屏蔽效能的测量难度。

传统的X射线屏蔽效能的推算方法是用屏蔽材料在入射方向上的透过率近似代替，该方法主要针对平板材料，缺点是光束细小、方向单一，难以满足大尺寸结构、特定宽能谱照射、多方向剂量沉积的测量需求。本文是在实验室建立一种适用于封闭复杂壳体的硬X射线屏蔽效能测量的方法，能够获得较为准确的实验数据，为相关部门的X射线屏蔽设计研究提供依据。

1 测量方法的基本设计

X射线屏蔽效能(η)是指在特定能谱X射线照射条件下，屏蔽壳体内部某空间位置上的剂量(Di)与该点处直接辐照X射线剂量(D0)的比值，表示为：

X射线屏蔽效能测量原理示意如图1所示，系统包括X射线机、滤波片和LiF探测器。X射线屏蔽体空间密闭、内部结构复杂，对探测器有特殊的要求。常规的核辐射探测器如电离室、正比计数器、半导体探测器等，辐照过程中需要额外的电子学系统，且体积较大，很难对其内部空间的剂量分布进行实验测量。LiF剂量片剂量线性范围可以达到109Gy·s-1，具有体积小、灵敏度高、量程范围宽和能重复使用等优点[6]，可以实现屏蔽壳体空间分布的测量，能够4π方向剂量接收，成为本文测量方法研究的首选探测器。

图1 X射线屏蔽效能测量示意图Fig.1 Sketch map of experimental device.

1.1 X射线辐射场

本文研究的X射线能量在20-100keV，不同的能谱分布对封闭腔体的屏蔽效能具有显著影响[7]，屏蔽效能的测量数据只有在特定谱条件下才有意义。通过单能X射线的实验测量，分别获得多个能点的屏蔽效能，根据特定谱形态进行拟合是一种可能的方法，但在实验室很难获得同时满足单色性和强度要求的X射线源，因此，寻找一种简便可行的X射线能谱构造的方法就显得十分重要。本文提出了一种利用多个简单输出谱（称子谱）构造特定谱的方法。假定f(x)为要求得到的特定谱，要求辐照时间为t，为目标能谱能量区间上一组线性无关的构造子谱，称其中每个能谱为构造子谱，各子谱对应的辐照时间份额为Ni，则有：

实验中的子谱以X射线机产生的韧致辐射为基础，根据需要调整加速电压和滤波材料，通过辐照时间的分配，最终合成特定谱的X射线输出，并在一定立体角范围内形成一个较为均匀的辐照场区域，某构造谱的结果如图2所示。

图2 谱构造结果Fig.2 Results of configuration spectrum.

均匀性是X射线辐射场性能的重要指标，定义为中心光轴垂直线上各点的辐照强度与该垂直线上最大强度的比值，均匀性指标计算如式(4)所示，同时定义均匀性指标大于90%的区域为可用于测量的“均匀区间”：

式中，Φi、Φmax为距离光源L处的中心光轴垂直线上辐照强度及最大值。

实验测量距离X光源60cm、80cm、100cm处，垂直于X射线辐射方向上的强度分布，以此作为空间均匀性的分析基础。测量结果如图3所示，由图3可见，实验室X光机辐射强度最大值并不是垂直于Be窗的方向，而是在偏转角约5°的方向上。在距离光源60cm处，均匀性好于90%的“均匀区间”约为25cm，100cm处可以达到40cm。

图3 X射线辐射场均匀性测量结果Fig.3 Homogeneity of the X-ray irradiation field.

1.2 LiF灵敏度标定

考虑到热释光探测器对100keV以下X射线的能量响应变化很快[8]的影响，先在测量谱的能量范围内(20-100keV)进行X射线的能量响应标定，其难点在于很难获得单色性较好、强度较高的X射线源。本文提出了利用韧致辐射激发的特征荧光产生单色标定光源的方法，采用多种滤波片的吸收来减少散射背景，提高光源单色性，标定光源的能谱用高纯锗多道谱仪监测，强度用标准剂量仪UNIDOS监测。相同照射条件下，实际沉积剂量与材料种类密切相关，本文以空气为比照对象，最终选定LiF为热释光材料，并作适当的封装。LiF剂量片首先在60Co源(1.25MeV)上采用标准剂量仪UNIDOS进行了剂量片的重复性和分散性筛选实验，并获得了1.25MeV的灵敏度数据。然后采用硬X射线源对自行封装的LiF进行相对灵敏度的标定实验。图4给出了实验室标定方法示意图和相对灵敏度(LiF/Air)实验结果。结果表明，本文使用的LiF剂量片对硬X射线能量响应虽然不是坪响应，但相对灵敏度(LiF/Air)较为平坦，可应用于封闭腔体的剂量分析。

图4 LiF/Air相对灵敏度测量实验(a)及1.25 MeV归一化结果(b)Fig.4 Experiment for LiF/Air relative X-ray sensitivity measure (a) and results compared with 1.25 MeV (b).

2 测量实验

2.1 散射X射线剂量贡献的实验研究

X射线辐照到屏蔽壳体时，内部某点的剂量包括X射线的直照贡献和散射贡献。从源直接到达测量的X射线，经光路上的壳体材料吸收衰减后进入测点位置，形成剂量沉积，称之为直照X射线的剂量；其他方向的X射线虽然不能直接找到测量位置，但是通过康普顿散射等作用，部分散射X射线也会进入测量位置形成剂量沉积，这部分贡献称为散射X射线的辐照剂量。在X射线屏蔽设计中，不但要考虑到在辐射环境中的剂量屏蔽效能，还要尽可能地减少壳体的质量，以提高电子学系统的有效载荷，一般需要根据电子系统的特点开展特殊设计，腔体结构更加复杂，开展散射X射线剂量贡献的测量研究，对于屏蔽结构的设计研究具有一定的参考价值。

在实验设计中，直照和散射X射线通过进入位置单元的X射线方向来区分，通过封闭腔体前方屏蔽结构的调整和光路设计分别实现X射线总沉积剂量、散射剂量和直照剂量的测量。LiF剂量片放置在封闭腔体的位置单元上。测量总剂量时，整个腔体完全接受X射线的照射(图5(a))；测量散射X射线剂量时，入射方向用直径约为15mm、厚度为10mm的铅柱遮挡(图5(b))；测量直照射线剂量时，腔体前方覆盖一块中心开孔ø20mm的屏蔽板，屏蔽板材料为5mm的不锈钢加2mm的铅组合，X射线只有通过入射方向的通光孔才能进入腔体并被LiF探测到，其它方向的X射线将被屏蔽板完全屏蔽(图5(c))。

图5 散射X射线的剂量影响测量光路示意图(a) 总剂量，(b) 散射剂量，(c) 直照剂量Fig.5 Measurement principle of scatter X-ray dose. (a) Total dose, (b) Scattering dose, (c) Direct radiation dose

屏蔽盒尺寸为15 cm×12 cm×6cm，每次实验重复测量3次，测量数据列于表1。在该实验测量条件下，LiF直接测量总剂量为30.8mGy，散射X射线与直照X射线剂量沉积合计为32.2mGy，相对偏差为4%，经过3次反复测量，测量结果比较一致，因此可以认为该结果能够用于散射X射线贡献的评估，散射贡献约为23%。

表1 散射X射线的剂量效应实验测量结果(mGy)Table 1 Experimental results of scatter dose (mGy).

2.2 空间屏蔽效能测量

屏蔽壳体内部屏蔽效能的分布是人们在抗加技术研究中较为关心的参数，是关键器件重点位置辐射设计的依据。首先利用LiF剂量片对辐射场的强度进行测量，实验测量位置选定在距离X射线源62.5cm处，首先进行了入射X射线照射剂量的测量，可以将测量平均值106.7作为62.5cm处场强，对于实际测量点的照射剂量通过平方反比关系换算。壳体结构及内部剂量片放置方法如图6所示，测量结果表示如表2，通过与理论结果的比较可知，该方法测量得到的屏蔽效能数据是比较可信的。

图6 内部剂量片位置Fig.6 Positions of LiF in the shell.

表2 空腔内部屏蔽效能实验的测量结果Table 2 Experimental results of shielding effectiveness.

3 测量不确定度

根据式(1)，屏蔽效能的测量不确定度为：

式中，u(D0)和u(Di)分别为某位置在壳体屏蔽前后沉积剂量的测量不确定度。对于屏蔽效能测量系统，剂量测量不确定主要来源于以下几项：(1) X射线机辐射输出的不稳定性，该项不确定度为1%；(2) 辐射空间的不均匀性，均匀性90%时，采用矩形分布，该项测量不确定度为(3) 剂量片灵敏度不确定度，筛选后分散性不大于3%。因此剂量测量的不确定度约为6.7%，屏蔽效能测量不确定度约为9.3%。

4 结语

利用直流X射线机和LiF剂量片测量了X射线屏蔽壳体的散射剂量贡献和屏蔽效能，由结果可以看到，在大面积辐照条件下，散射X射线的剂量贡献非常显著，开展壳体全体积辐照条件下的屏蔽效能测量方法研究是非常必要的；在壳体内部，除X射线直接照射的前面板外，其他位置的材料会发生二次散射等作用，这在一定程度上抵消了前面板距离带来的散射减小作用，因此对于空间较小的位置空间，屏蔽效能的数据差别不大。在实际测量实验中，由于硬X射线的空气散射效应，与考核谱相比，实验谱混入了更多的低能成份，客观上影响了屏蔽效能的测量结果，导致测量结果偏小，下一步需要开展X辐照环境的屏蔽技术研究，提高测量结果的准确性。

本文通过理论分析和实验研究，实现了与考核环境一致的X射线辐照能谱输出方法，通过X射线荧光激发方法建立了LiF剂量片灵敏度标定平台，最终为封闭壳体X射线屏蔽效能的实验研究提供了一种行之有效的测量方法，且具有精确定位、抗干扰强、结果直观可靠等特点。对于工艺影响较大的复杂屏蔽壳体，理论模拟难以真实地反映屏蔽性能，本文建立的实验方法对于这类器件尤其具有非常重要的作用，此方法还可进一步用于电子学系统在加电情况下的X射线辐照考核。

致谢 感谢北京应用物理与计算数学研究所的邱有恒副研究员提供理论数据用于比较分析。

1 郭红霞. 集成电路电离辐射效应数值模拟及X射线剂量增强效应研究[D]. 西安: 西安电子科技大学, 2002 GUO Hongxia. Numerical simulation of ionizing radiation effects and study on the X-ray dose enhancement effects for integrated circuit[D]. Xi’an: Xidian University, 2002

2 褚忠强, 徐曦, 牟维兵, 等. 单片机系统射线剂量增强效应研究[J]. 微电子学, 2009, 39(4): 556-558 CHU Zhongqiang, XU Xi, MU Weibing, et al. X-ray dose enhancement effects on 80C196 microcomputer system[J]. Microelectronics, 2009, 39(4): 556-558

3 牟维兵, 徐曦. X射线不同方向辐照80C196KC20单片机研究[J]. 强激光与粒子束, 2007, 19(02): 318-320 MU Weibing, XU Xi. 80C196KC20 microprocessor irradiated by X-ray in different directions[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2007, 19(02): 318-320

4 吴正新, 何承发, 陆妩, 等. 射线对金硅界面剂量增强效应的模拟研究[J]. 核技术, 2013, 36(6): 060201 WU Zhengxin, HE Chengfa, LU Wu, et al. Monte Carlo simulation of dose enhancement effect of X-ray at AuSi interface[J]. Nuclear Techniques, 2013, 36(6): 060201

5 廖伶元, 邱小平. 屏蔽材料组分含量的优化设计[J]. 核电子学与探测技术, 2010, 30(1): 118-120 LIAO Lingyuan, QIU Xiaoping. Optimization design of the shielding material component[J]. Nuclear Electronics and Detection Technology, 2010, 30(1): 118-120

6 Standard guide for selecting dosimetry systems for application in pulsed X-ray sources[S]. USA: ASTM, E1894-97(02), 2002

7 汲长松. 核辐射探测器及其实验技术手册[M]. 北京:原子能出版社, 1990 JI Changsong. Nuclear radiation detector and experimental technology handbook[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1990

8 Mc Keever S W S. 固体热释光[M]. 北京: 原子能出版社, 1993 Mc Keever S W S. Thermoluminescence of solids[M]. Beijing: Atomic Energy Press, 1993

CLCTL81

Measurement method for X-ray shielding effectiveness of enclosed shell

LUO Jianhui1,2ZHOU Haisheng1MA Ge1HEI Dongwei1,2WEI Fuli1XU Xi3
1(Northwest Institute of Nuclear Technology, Xi’an 710024, China)2(State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect, Xi’an 710024, China)3(Institute of Electronic Engineering, China Academy of Engineering Physics, Mianyang 621900, China)

Background: Study of the ionizing radiation effects for semiconductor devices and integrated circuits is becoming more and more important for the improvement of their radiation hardening in microelectronics field due to the dose enhancement effects of X-ray. Experimental data of X-ray shielding effectiveness on outer shell can only be acquired by simulation calculation in the past. Purpose: In order to ensure the reliability of the electronics system inside shell in X-ray radiation environments, a novel method for measuring X-ray shielding effectiveness of enclosed shell is proposed, which can be established in laboratory. Methods: The generation of specific energy spectrum X-ray radiation field is designed and implemented to perform X-ray dose response calibration experiments using the LiF thermoluminescent dosimeter, which is chosen to fit the circumstance of enclosed shielding cavity and the narrow internal space. Based on the bremsstrahlung spectra of the X-ray generater, a target X-ray energy spectrum in real environment is imitated by filtering and multiple combinations. The dose response of LiF is measured under the irradiation of60Co source (1.25MeV). The discrete semi-monochrome X-rays (20-100 keV) was established as the LiF energy response calibration X-ray sources by X-ray exciting fluorescence. The experiments of X-ray shielding effectiveness and dose contribution are carried out for sample shell, and dose effect experiments of scatter X-ray are performed on constructed spectrum. Results: The experimental results show that dose of scatter X-ray contribution can be observed significantly on the internal cavity. Conclusion: The method has been applied successfully on the measurement of sample shell, and the data of X-ray shielding effectiveness are acquired. It provides an experimental evaluation approach for X-ray radiation hardening technology.

X-ray, Spectrum configuration, Enclosed shell, Shielding effectiveness, Thermoluminescence detector (TLD)

TL81

10.11889/j.0253-3219.2014.hjs.37.120201

总装装备预研重点基金项目(No.914A11050910ZW501)资助

罗剑辉，男，1977年出生，2009年于西北核技术研究所获硕士学位，主要从事X射线测量技术研究

2014-06-05，

2014-06-26