脉冲X射线能谱测量技术发展综述

苏兆锋，邱爱慈，来定国，任书庆，孙铁平

（西北核技术研究所，西安710024；强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，西安710024）

由于X射线在科研、工业、国防及医学等方面有着广泛的应用，国内外已建立了许多X射线辐射源［1－13］。辐射源产生的X射线能谱是决定其应用的重要指标，通过测量射线的能谱和强度可以研究轫致辐射X射线和效应物的作用关系，还可以了解脉冲辐射装置的性能，这对改进装置和靶材的设计等都具有十分重要的意义。从系统电磁脉冲效应试验的长远发展来看，X射线为效应试验研究提供电磁辐照环境，其能谱测量的精确程度直接影响参试电子设备状态设置、电磁脉冲损伤结果及抗电磁脉冲保护技术等后续工作的发展。

由于脉冲X射线强度大，能谱范围宽，脉冲持续时间短，电磁环境复杂，要求测量系统有较快的时间响应、较好的能量分辨能力，同时要保证在电磁干扰环境下对待测信号的高效鉴别，测量难度较大。尽管经过几十年的发展，该领域取得了一些进展，但仍有部分关键技术有待解决，脉冲X射线能谱测量技术依然是脉冲辐射场参数测量中的难题之一。

1 几种常见的脉冲X射线能谱测量技术

常见脉冲功率装置产生的脉冲X射线能量范围为1keV至几MeV，脉冲时间宽度为几十ns。针对这类X射线装置，发展出了很多能谱测量技术和诊断手段，其中具有代表性的是吸收法、康普顿散射法、荧光法及多道分析法等。

1.1 吸收法

吸收法也称为透射系数法、衰减透射法，在诸多测量方法中最为通用。该方法利用光子经过不同材料、不同厚度的吸收片后在探测器上沉积能量的不同，通过在探测器阵列前面放置不同质量厚度的吸收片，可以得到衰减程度不同的波形，再结合探测器的响应函数，求解得到能谱［14－17］，还可以通过调整吸收片的质量密度以适应更宽的能量范围，缺点是对波形质量要求高，如果波形的信噪比较低，则后期解谱难度较大，不确定度变大。

早在1988年，美国圣地亚国家实验室的Carlson等利用微分吸收谱仪（differential absorption spectrometer，DAS）测量了Saturn装置产生的X射线能谱［14］，该谱仪由13种吸收片（铝、铜和铅等）和剂量片组成，射线能量范围为150～900keV，图1给出了能谱测量结果。

美 国 Physics International Company 机 构 的PITHON装置可以产生能量小于300keV的硬X射线［6］，主要能量范围为50～100keV，在该装置上建立了射线参数测量诊断平台，开展了电子束及光子参数控制、束流引出及传输、剂量及能谱测量等技术研究。利用16道热释光剂量片配合滤片的测量方法，给出了探测器的响应函数，结合DAS数据并使用迭代干扰法得到了该装置的射线能谱，由于剂量片本身测量不确定度较大，需要退火封装时间，测量效率不高。图2为PITHON装置硬X射线能谱的理论计算结果和实测结果的对比。

图1 Saturn装置X射线能谱［14］Fig.1Experimental spectra of Saturn bremsstrahlung X－ray［14］

图2 PITHON装置硬X射线能谱的理论计算结果和实测结果的对比［6］Fig.2Comparison of calculated and experimental spectra of PITHON bremsstrahlung X－ray［6］

2004年，中国工程物理研究院李成刚等设计了螺旋楔形测量装置［18］，探测系统改用X光感光底片。底片用于探测通过测量装置的光强，使用透射密度计扫描得到一组黑密度值，结合透射能量与黑密度之间的关系得到能谱，但未分析散射带来的影响，且装置无法给出脉冲的时间信息。图3为测量系统实验布局图和测量结果。

2014年，王继虎等利用吸收法测量了激光加速电子产生的Betatron射线辐射能谱［19］，光子能量为10keV～1.0MeV。针对射线特点，在探测器前放置不同材料、不同厚度的吸收片组合阵列，通过测量射线穿过吸收片后在探测器阵列上产生的信号，结合能量响应和解谱算法，反推出能谱。

1.2 康普顿散射法

利用康普顿磁谱仪或康普顿谱仪［20－23］，通过测量康普顿散射产生的光子或电子的能谱，结合散射角度和能谱的对应关系，反推得到入射光子的能谱。如果是通过测量康普顿散射产生的反冲电子能谱反推入射光子的能谱，则需要在反冲电子经过的通道上施加垂直于入射方向的磁场，利用不同能量电子的偏转位置不同，通过布置在不同位置上的探测器，可得到各种能量电子的数目。该方法是测量单次脉冲X射线、γ射线能谱的经典方法，可以在光子总数较高的条件下较为精确地测量单脉冲能谱，而且利用薄靶还可以实现在线测量。缺点是需要加置磁场偏转系统，因此，结构复杂且价格昂贵，一般形体较大，使用空间受限。

20世纪90年代，美国圣地亚国家实验室Baldwin等设计了时间投影康普顿磁谱仪（time projection Compton spectrometer，TPCS）［24］，在康普顿散射产生的反冲电子路线上施加偏转磁场，利用电子在谱仪轴线方向飞行时间的不同，测量反冲电子的能谱，并结合电子散射角度和能谱的对应关系得到了入射X射线的能谱。图4为使用聚丙烯靶材，在3种功率水平下测量得到的Saturn装置闪光X射线能谱。

图4 Saturn装置闪光X射线能谱［24］ig.4Experimental spectra of Saturn bremsstrahlung X－ray［24］

1.3 荧光法

在激光等离子体发射的X射线中，包含大量几keV的低能光子，通常采用多道K吸收边滤光片法（KF法）、滤波－荧光法（FF法）和超滤波－荧光法（HFF法）对其测量，这些方法分别适应于不同的能段。在硬X光谱较低的能段，如1～10keV，电子温度较低，只要选择一组具有不同K边能量的滤片就可以实现能量甄别。在X射线能量较高的能段，如10～88keV，通常采用FF法测量，其基本原理是［25］，具有连续能谱的X射线经过原子序数为Z的滤片后，能量EX＞EK，Z（该滤片的K吸收边能量）的X射线被强烈吸收，能量EX＜EK，Z的X射线辐照原子序数为Z－1的荧光片。由于能量EX＜EK，Z－1的X射线不能激发荧光片的K层荧光，只有能量处于EK，Z－1＜EX＜EK，Z区间的射线最终以一定的效率转变为荧光X射线到达探测器。适当选择组合滤片和荧光片材料，结合所测的信号强度即可求得源区的X射线单能辐射亮度，进而得到源的X射线能谱。FF法的特点是能量分辨率高，但探测效率低，只适合能量低于100keV的高通量X光谱测量。由于受材料中元素K吸收边能量的限制，对能量大于100keV的X光谱，则采用HFF法测量，通过选择滤片和荧光片的种类及厚度，可以调整超滤波－荧光能谱仪（HFFS）通道的峰值，以获得较高能段的窄能带荧光，从而得到能量大于100keV的X射线能谱。

荧光法对环境条件要求相对较低，且具有可调参数多及对本底辐射有较强抑制能力等优点。但由于受材料中元素吸收边能量的限制，测量范围有限，在Z－pinch及激光聚变等大型ICF装置的X射线能谱测量中有着广泛的应用。

1.4 多道分析法

常规的多道分析仪可以直接给出能谱，不同能量的粒子排列在多道分析器的不同位置，通过测量单个粒子的能量信息，在多次脉冲的累积中获得射线能谱，分析仪的道数越多，输入信号就分得越细，测量也就越精确。该方法要求在谱仪的分辨时间内最多只有一个光子进入到探测器中，不能发生脉冲信号的堆积事件。当X射线源注量率较大时，通过降低注量率的方法，比如减小谱仪探测器对源的探测立体角，可以获得单光子计数。同时，该方法对谱仪的本底计数也有要求。该方法应用于脉冲射线源能谱测量时，需要射线源产生大量脉冲，重复性好，所以该方法比较适合137Cs、60Co标准源，或者核素能谱的测量。

图5给出了Medipix2面阵型探测器测量得到的最高能量为120kV的X射线管的能谱［26］，该探测器由多个小的灵敏单元组成，每个灵敏单元只与一个光子发生作用，实现了单光子计数，最后借助探测器的输出结果完成射线能谱的统计。

图5 Medipix2探测器测得的X射线管能谱［26］ig.5Spectra of X－ray tube with the Medipix2detector［26］

在上述测量方法中，吸收法是通过吸收片的材料和厚度实现对射线的衰减，可以通过调节吸收片的质量厚度及吸收片与光源的距离完成对不同能段射线的测量，测量范围大，对探测器选型要求不高，易于形成阵列实现多路测量，适用的能谱范围广，对辐照环境要求不高，在束流参数测量诊断领域的应用也最广。无论何种方法的实验结果，都需要和理论计算结果进行对比，即通过蒙特卡罗程序模拟粒子在物质中的耦合输运过程，结合二极管电流及电感修正后的二极管电压得到电子能谱，模拟电子打靶过程，获得轫致辐射X射线能谱，以此理论计算结果作为对实验结果的验证。

2 解谱技术

基于吸收法的能谱测量装置会获得一组强度不同的透射数据，结合不同能段在吸收片中的能量沉积，得到一个线性方程组，解谱工作被转化为该方程组的求解问题。方程组呈高度病态，解谱方法的优劣直接决定了能谱结果的有效性和真实性。

目前，已发展出了多种解谱方法，比如，直接求逆法［27－28］、拉普拉斯变换法［29－30］、迭代法［31－32］、微扰法［33－34］、期 望 最 大 值 法［35－37］及 奇 异 值 法［38－41］等。由于方程组呈高度病态，特别是能段较多时，直接求逆法虽然方便简捷，但不确定度很大，不易得到物理解。拉普拉斯变换法对低能射线的能谱求解效果良好，高能部分测量不确定度较大，适用范围小，现已很少使用。迭代法需要准确度较高的初始输入能谱，否则很难得到收敛结果。

目前比较先进的解谱方法是微扰法（WI）、期望最大值法（EM）及奇异值法（SVD），文献［42］和［43］比较了它们的优劣，图6给出了在没有初始能谱的情况下，这3种方法的解谱结果与理论计算结果的比较。

图6 3种方法解谱结果的对比［43］Fig.6Contrast of the three spectrum unfolding methods［43］

由图6可以看出，微扰法和期望最大值法对初始能谱的准确度要求较高，在不给定初始能谱的情况下得到的结果均不太理想。而奇异值法无需输入假定的初始能谱，信噪比较高时其优势更为明显，特别是通过引入一个与光子强度有关的补偿函数后，进一步控制了噪声的影响，算法优化为截断奇异值法，会得到更好的结果，使得能谱更靠近真实值，是目前较为先进的一种解谱方法。

3 西北核技术研究所能谱测量技术发展现状

西北核技术研究所自2000年开始，陆续在多个强脉冲辐射模拟加速器装置上开展了多个能段的脉冲X射线能谱测量技术研究，先后研制了以热释光剂量片、半导体探测器及闪烁探测器为测量核心模块的能谱测量装置，研究了X射线探测、吸收片选型、散射控制、射线准直等关键技术，建立了粒子耦合输运的模拟计算方法，探索了能谱求解技术，实验获得了脉冲X射线能谱，并提出了利用夹膜机构和真空延伸段获得真空环境下射线能谱的方法，消除了二极管末端金属封板吸收光子对测量结果带来的影响。

基于上述研究，郭红霞和宋朝晖分别利用不同厚度的滤光片和热释光剂量片实验获得了DPF装置 （dense plasma focus，DPF）和“强光一号”加速器的脉冲X射线能谱［44－45］，如图7所示，完成了滤光片的选配、灵敏度的标定和能量响应函数的计算，实验获得的能谱数据为加速器束流参数诊断提供了有力的数据支撑。

图7 DPF装置和“强光一号”加速器X射线能谱［44－45］Fig.7X－ray spectra in the DPF device and Qiangguang－Ⅰaccelerator［44－45］

2009年，全林研究设计了通过解析吸收片后的透射率，测量稳定重复频率快脉冲硬X射线辐射场能谱的实验方法［34］，通过测量不同吸收片后的光强，获得了透射系数，并用微扰的数学方法对初始假定能谱进行了有效修正，实测结果和理论计算结果较为符合，但由于未考虑散射的影响，高能部分与理论计算结果差异较大，图8为脉冲辐射场能谱实测结果和理论结果的对比。

“十二五”期间，以“闪光二号”加速器为实验平台的高能注量X射线源建成。二极管电压约600kV，阻抗2Ω，产生的X射线能谱是设备参数的考核指标之一。为了解决二极管的真空封板对能谱测量结果的影响，在串级二极管末端设计了真空封膜机构和转接连接段，与长为4m的真空筒体连接，将能谱测量探头置于筒体末端，信号通过筒体末端的封真空电缆阵列引出，消除了二极管末端真空封板对低能X射线的吸收带来的影响。测量系统的设计布局如图9所示。

图8 脉冲辐射场能谱实测结果和理论结果的对比［34］Fig.8Comparison of theoretical and measured spectra of pulsed radiation field［34］

图9 高能注量X射线源能谱测量系统结构图Fig.9Layout of spectra measurement system in the high energy fluence X－ray source

该测量系统由12路PIN探测器阵列、不同厚度的吸收片、散射控制装置、射线准直装置及电源组成。其中，吸收片的选择主要考虑材料元素的种类及材料厚度。一般来说，轻元素材料密度较小，光子能量分辨率较低；高Z元素一般密度较大，但K层吸收边能量偏大，在接近硬X射线的主要能段，波形有突变，给后续解谱带来困难。根据国内外相关领域资料及以往测试数据和经验，铜和铝比较适合该能段光子的能谱测量。理论计算可知，待测硬X射线大部分光子能量分布在50～200keV，可以细化该能段的光子能谱，使得多数的吸收片对该能段的光子具有较高的分辨能力。针对能量低于200keV的光子，使用厚度7mm以下的铜及铝吸收片，可以使光子衰减几倍到上百倍，形成良好的衰减梯度。针对能量大于200keV的光子，使用6～13mm厚的铜吸收片，可吸收大部分的低能光子，对稍高能光子的分辨能力增强。总之，确定吸收片的厚度要综合考虑不同能量射线的衰减程度、探测器灵敏度和线性范围，以保证光子的透射率有一个良好的梯度。

对硬X射线能谱测量，散射是不可忽略的因素，可以通过技术措施降低散射成分，增加探测器所收集的粒子来源的合理性。理论计算及文献结果显示，散射主要和吸收片与探测器之间的距离有关［46］。以0.2cm厚的铜吸收片为例，利用MCNP程序，理论计算了散射光子占入射光子的比例Y随探测器与吸收片之间距离d的变化关系，如图10所示。

图10 散射光子占入射光子的比例随探测器与吸收片之间距离的变化趋势［46］Fig.10Ratio of scatter photon number to incident photon number vs.the distance of the detector and the absorber［46］

图10 显示，随着吸收片和探测器之间距离的增加，散射光子占入射光子的比例明显降低，取Y＝5%为设计标准，通过在吸收片及探测器之间加置不同厚度的隔离套筒，实现对散射的控制。利用这套测量系统实验获得了“闪光二号”加速器产生的脉冲硬X射线能谱［47］，如图11所示。

图11 “闪光二号”加速器的脉冲硬X射线能谱［47］Fig.11Spectra of pulsed hard X－ray in Flash－Ⅱ accelerator［47］

图11 表明，光子的最高能量约为600keV，平均能量为89.1keV，理论计算值为93.6keV，实验结果和理论计算值吻合较好，能量上限及谱形分布基本一致。在120～300keV能量段，实测能谱较理论模拟能谱偏硬，原因可能是由于实验中的散射成分比理论计算时偏高，实验环境复杂，理论建模时无法完全与实验环境相符。

4 结语

能谱测量系统所处电磁环境复杂，测量能谱时干扰粒子多，存在二次电子－光子耦合和射线种类较多等困难。同时，射线强度、方向及能谱参数随时间发生变化，并且待测信号的时间极短，脉冲宽度一般为几十到百ns，这些均对测量系统提出了较高的要求。此外，射线强度探测存在不确定度，电流型测量的积分性质也使其具有一定的局限性，这使得十分精确地测量辐射场粒子能谱更加困难。虽然经过国内外相关科研机构几十年的研究，脉冲射线能谱测量技术取得了长足的进步，但某些关键技术，比如解谱、不确定度分析等技术还有待进一步提高。需要重点研究的工作有4个方面：

1）需要进一步研究能量为MeV级，特别是十几MeV的X射线能谱测量。这些能量下的辐射场通常是脉冲中子、γ射线、X射线、带电粒子和电磁干扰的混合场，对探测器的粒子甄别能力提出了更高的要求，散射影响更大。由于目前缺乏高能标准X光源，探测器的灵敏度标定只能采用理论计算的方式。光子能量高，能量跨度大，探测器容易超出线性范围，以灵敏层直径为10mm、厚度为300um的半导体探测器为例，线性电流约为2A，给吸收片选型带来难度。

2）需要深入研究解谱方法。解谱方法很多，对不同的射线能段需要探索合适的解谱方法。

3）不确定度分析。脉冲X射线能谱的测量不确定度分析依然是该领域的技术难题。能谱测量技术发展态势良好，但尚未有文献给出测量结果的不确定度，目前只能给出粗略的估计和定性分析。原因是不确定度来源很多，比如光场分布的不均匀性、光源的稳定性、探测器个体差异、探测器接受光强的差异、噪声、解谱等，有些源项难以量化。

4）能谱测量技术的规范化。目前，针对不同射线源和不同光子能量采用的测量方法不同。为确保脉冲辐射场射线能谱测量系统高可靠运行，可以在技术成熟度较高的某个能段建立射线能谱测量标准，以规范现有的测量设备、测量方法、实验流程及数据处理方法等，验证能谱仪设计的有效性，提高脉冲射线能谱测量能力，科学客观地评价和考核加速器束流水平。

总之，在后续的探测方法、装置研制、实验研究及数据处理中，需要结合实际情况，开展针对性研究，提高探测器的能量分辨及目标粒子识别能力，优化能谱求解方法，加强测量技术的规范性和标准化，提高能谱结果的可信度。