超短超强激光与固体靶相互作用所致X射线剂量实验研究

邱 睿，魏朔阳，杨 博，于明海，矫金龙，路 伟，马 驰，闫永宏，吴玉迟,3，周维民,3，张 辉，李君利

(1.清华大学 粒子技术与辐射成像教育部重点实验室，北京 100084； 2.中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 等离子体物理重点实验室，四川 绵阳 621900； 3.上海交通大学 IFSA协同创新中心，上海 200240)

短脉冲激光技术在进入20世纪下半叶迎来了一个快速发展的时期，越来越多的大型高功率激光装置在世界各地投入使用。这些装置能通过高功率密度激光产生非常极端的物理学条件，从而助力包括惯性约束核聚变[1]、基于激光尾场加速的X射线检测[2]、X射线闪光照相[3]及天体物理[4]等方向在内的众多物理学科的发展。当一束超短超强激光照射在固体靶上时，原子或分子内部的电子会被瞬间电离，形成等离子体；在多种激光吸收与加速机制的作用下，靶表面处会产生众多相对论级的超热电子及这些电子通过轫致辐射产生的X射线；除此之外，在光核反应和电子对效应的作用下，部分能量较高的X射线还会在靶中产生中子和正电子[5]。由于激光与等离子体之间的复杂相互作用，产生了不同类型与能量分布的辐射粒子，使得超短超强激光装置成为一类新型的电离辐射源。有研究人员针对超短超强激光装置产生的辐射剂量开展了实验测量，发现在现有的实验条件下，X射线剂量占主导，且能产生相当高的X射线剂量，如2002年Borne等[6]在法国LULI实验室百TW激光实验中观察到激光脉冲能量为5～20 J、功率密度为5×1018～2×1019W/cm2的激光脉冲打固体靶150次，靶室周围不同角度的X射线剂量范围为0.7～73 mSv。2006年Clarke等[7]在英国RAL实验室的PW激光装置VULCAN中测得能量为230 J、功率密度为4×1020W/cm2的激光脉冲与1 mm金靶相互作用，在靶前方1 m处产生的X射线剂量高达43 mSv。

然而，超短超强激光装置的辐射防护与传统加速器的辐射防护存在显著区别。一方面，相比传统加速器具有明确且固定的初级辐射源项，超短超强激光装置中的初级辐射源项存在较大的不确定性，表现为在不同的激光及等离子体参数下，可能会加速产生不同类型及源项特性的带电粒子；另一方面，不同于传统加速器中高能电子或质子束具有良好的单能性和准直性，超短超强激光与固体靶相互作用产生的超热电子或质子一般具有连续的能谱分布，并具有较大的发散角，这必然会影响后续次级电离辐射(X射线和中子)的源项特性。因此，对于超短超强激光装置的辐射防护工作，无法仅依赖于传统加速器辐射防护的相关报告或方法进行，需结合激光技术、等离子体物理领域最新的研究成果对其中各类初级、次级辐射源项开展全面系统的分析。目前，国内外对超短超强激光装置的辐射防护研究尚少，并未见系统性的研究。近年来，清华大学工程物理系针对超短超强激光装置的辐射防护问题开展了系统性的研究，包括超热电子源项理论分析[8-9]、超短超强激光装置剂量的蒙特卡罗模拟与评估[10-11]、相关辐射的屏蔽计算[12]及超短超强激光装置剂量的实验测量研究。本文将对超短超强激光装置所致剂量的研究进展进行概述，对在星光-Ⅲ装置上开展的X射线剂量测量实验进行介绍，进而对剂量估算公式加以比较和验证。

1 超短超强激光装置剂量评估相关研究进展

在超短超强激光装置剂量评估的理论与模拟方面，Hayashi等[13]在2006年基于电子加速器的经验公式推导得到可用于估算超短超强激光与固体靶相互作用所致X射线剂量的公式，这一公式可基于电子温度与电子能量对激光入射前向的光子剂量进行估算。2011年，QIU等[9,14]基于该公式，对功率密度大于1016W/cm2的激光装置提出了实用的辐射防护剂量估算公式，可直接基于功率密度得到激光入射前向的光子剂量，并将该模型应用于世界上第1台硬X射线自由电子激光装置LCLS的MEC实验站上，开展了辐射屏蔽计算研究，并提出了分层次的辐射安全系统，为此类装置的辐射防护工作提供了参考。

然而，Hayashi等所提出的公式存在一定的局限性，主要是由于该公式是由电子加速器的经验公式推导而来的，且做了一系列的假设，如高Z厚靶、有质动力加速、电子单向发射等。由于超短超强激光装置产生的X射线是由激光与等离子体相互作用产生的超热电子导致的，其X射线特性研究需建立在对超热电子源项进行分析的基础上。文献[15-21]研究了不同的激光参数和靶参数对超短超强激光装置产生X射线剂量的影响，通过设置超热电子能谱、激光-超热电子能量转换效率[16, 22-24]及超热电子发散角[25]3个关键参数，可很好地描述超热电子源项，可用于模拟研究。本课题组利用蒙特卡罗程序FLUKA对X射线剂量随超热电子温度、能谱及发散角的变化进行了模拟研究，并基于Haines定标率、相对论麦克斯韦分布及正入射模型提出了用于估计激光入射方向上X射线剂量的计算公式[10]为：

H′x=0.044×((1+(2Iλ2/

1.37)0.5)0.5-1)1.77×η(Iλ2)

(1)

其中：H′x为单位激光能量在靶前方1 m处产生的光子剂量，mSv/J；Iλ2为归一化激光功率密度，1018W/cm2·μm2；η(Iλ2)为激光到超热电子的能量转换效率。将该公式计算的结果与国外不同激光装置上的实验测量结果[13]进行比较发现，该公式的计算结果与文献中的实验结果吻合得更好。

2013年，Henderson等[26]在美国奥斯汀的激光装置Texas上测量得到，当脉冲能量为510 J、功率密度为2×1021W/cm2的激光脉冲打在2～10 mm厚的金靶上时，其在距离靶面1 m处产生的X射线剂量高达70 mSv。2015年，Liang等[27]对SLAC国家加速器实验室的MEC装置产生的光子剂量进行了测量发现，当MEC装置的激光功率密度为1×1018～7.1×1019W/cm2、激光能量为0.5 ～1 J时，其打在金、铜与铝靶上产生的辐射剂量约为7×10-5～0.005 mSv。

2 超短超强激光装置产生X射线的剂量测量实验

为进一步验证本课题组提出的剂量估算公式，同时对超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线特性开展深入的研究，本工作在中国工程物理研究院的强激光装置星光-Ⅲ上对超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线剂量进行了实验测量，同时对不同剂量测量探测器对超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线响应进行了比较。

2.1 实验装置及条件

星光-Ⅲ装置是百TW级ps激光装置，该装置的ps激光束线能提供最大能量为300 J、脉宽为1 ps、峰值功率为300 TW、功率密度为1019～1020W/cm2的激光。星光-Ⅲ靶室壁的主要材料为铝镁合金，平均厚度约为4 cm。靶室壁上设有玻璃观察窗，平均厚度约为3 cm。本工作共进行了3次激光打靶实验，实验中采用直径和厚度均为1 mm的钽靶，激光入射方向与靶面法线呈15°，其目的是防止靶面溅射污染聚焦光束的离轴抛物镜。激光参数列于表1。

表1 激光参数Table 1 Laser parameter

2.2 X射线剂量测量方法

对不同角度上的X射线剂量进行了测量，实验布局如图1所示。在靶室内，采用带有屏蔽体的热释光剂量计(TLD)，而在靶室外则同时采用TLD、光致发光剂量计(OSL)以在进行剂量测量的同时进行不同探测器测量结果的对比。

图1 实验布局Fig.1 Layout of experiment device

为了对强激光与固体靶相互作用产生的X射线剂量角分布进行测量，实验中在相对激光传播方向的不同角度上放置多组剂量计。其中，靶前方-90°～90°方向上的剂量计位于靶室内部，距离靶中心位置50 cm，每个测量位置上有3个TLD。-135°、135°和180°方向上的3组剂量计位于距靶135 cm的靶室观察窗外，每个位置上除有3个TLD外，还增加了1个OSL。此外，虽然451P空气电离室一般不适用于超短超强激光装置产生的脉冲辐射场的剂量测量，但为了比较不同种类探测器在此种超快超强辐射场下的响应情况，本实验也在靶室外侧布置了451P巡测仪，位于-135°方向的观察窗外，与该处TLD和OSL置于相同位置。

TLD是一种常见的被动式剂量探测器，被广泛地应用于超短超强激光产生X射线的剂量测量。本实验使用了TLD-100H(LiF:Mg，Cu，P)，该型号的TLD可探测的X/γ射线能量范围为20 keV～10 MeV，剂量范围为10 μGy～10 Gy。为了保证更准确的测量，使用中国计量科学研究院的137Cs源对TLD片进行严格的筛选，实验中使用的TLD分散性达到±1%。剂量计检定工作由中国计量科学研究院137Cs放射源装置检定，检定量为空气比释动能。

图2 靶室内TLD的屏蔽设计Fig.2 Shielding design for TLD in target chamber

强激光与固体靶的相互作用会向外发射高能的电子、光子等多种粒子，这些粒子均会在靶室内部产生辐射剂量，而由于靶室壁对电子及其他一些粒子的屏蔽作用，靶室外的剂量主要来自光子，但靶室外的剂量会受到更多因素如靶室壁屏蔽等的干扰。为了使靶室内的TLD测量结果仅表征X射线产生的剂量，实验中在TLD周围设置一系列屏蔽组件(图2)。考虑到能量为9 MeV的电子在有机玻璃(PMMA)中的射程约为3.9 cm，而靶室内的散射光子能量一般在500 keV以下，仅需1.8 cm厚的铅就可将其衰减至原来的1/20[28]，实验中采用的屏蔽构成为4 cm厚的PMMA、2 cm厚的铅和5 mm厚的铜，分别用于屏蔽电子、散射光子及电子产生的特征X射线。

为验证上述屏蔽的效果，本文在电子温度为1 MeV且超热电子能谱服从麦克斯韦分布的情况下，模拟计算了超热电子产生的不同类型射线对屏蔽后的TLD剂量贡献，模拟结果列于表2。

表2 不同类型射线对探测器的剂量贡献Table 2 Dose contribution of different types of radiations to detector

从表2中可看到，在加装上述屏蔽结构后，TLD中沉积的能量主要由靶发射出的光子造成，由电子产生的剂量仅占据了不到1%，而散射光子与轫致辐射光子对探测器总剂量的贡献则小于17%。由于该屏蔽结构中的PMMA对超短超强激光与固体靶相互作用所产生的X射线(即所希望测量的对象)也有一定的衰减，在对实验结果的分析中根据X射线的平均能量进行了修正。

2.3 结果与分析

1) 测量结果不确定度分析

在对TLD数据进行处理的过程中，主要考虑的是A类和B类两类不确定度。其中A类标准不确定度即为重复多次测量平均值的标准差，B类标准不确定度的主要来源有校准不确定度、能量响应不确定度、非线性不确定度及角响应不确定度。对于本次实验，剂量计检定单位给出的TLD校准不确定度为5.4%，而根据本实验中的X射线剂量及光子平均能量，可估计非线性不确定度约为2%，能量响应不确定度约为2%。另外，根据此前的比对实验，得到TLD 0°～90°方向上的角响应不确定度约为3%。

本实验中使用的是兰道尔公司的OSL，其主要成分是Al2O3:C。该OSL剂量计的X/γ射线能量探测范围为5 keV～20 MeV，其剂量探测范围为0.01 mSv～10 Sv。对于OSL的测量不确定度，实验结果表明，当剂量超过1 mSv后，OSL的不确定度一般在10%左右[29]。

2) X射线剂量角分布

图3为3次激光打靶实验测量到的光子剂量随角度的分布。其中，横坐标θ为测量角度与激光传播方向的夹角，纵坐标为单位激光能量在距源1 m处产生的光子剂量。可看到，随角度的增大，X射线剂量逐渐减小。其中，位于激光入射方向(0°)附近的X射线剂量为6.2～40.5 μSv/J，90°方向上的X射线剂量为2.7～7.3 μSv/J，而在180°方向上，X射线剂量为1.6～3.2 μSv/J。可发现，随激光功率密度的增大，激光入射方向的X射线剂量增加较为明显，相比之下，大角度方向上的X射线剂量则变化较小，即随激光功率密度的增加，X射线剂量分布的前向性越发明显，这与超热电子温度的增加有关，低能电子产生的X射线趋于各向同性发射，而高能电子产生的X射线则具有很好的前向性。另外，X射线剂量角分布大体上服从高斯分布，但具有一定的不对称性，靠近靶背法线方向一侧的剂量略高，这与超热电子发射的不对称性有关。

图3 实测X射线剂量角分布Fig.3 Measured X-ray dose angular distribution

3) 与剂量估算公式结果的比较

为了对本课题组提出的剂量估算公式进行验证，本文进一步将本实验在激光0°方向测得的X射线剂量与使用Hayashi等提出的公式及本课题组提出的公式计算得到的结果进行了比较，结果如图4所示。图4同时给出了Lefebvre等[30]在LULI激光装置上的测量结果，其使用的激光、靶参数与本实验接近。可看出，星光-Ⅲ装置上的实验结果与式(1)的计算结果、LULI的实验结果均符合较好，而Hayashi等提出的公式则存在明显的剂量高估现象，从而验证了使用式(1)对超短超强激光装置所产生的X射线剂量进行评估的准确性。

图4 不同公式计算的剂量结果及实验结果的对比Fig.4 Comparison of doses calculated by different estimation formulas and experimental results

4) 不同探测器的测量结果比较

表3列出了TLD、OSL与451P空气电离室在靶室外的不同方向上测量的剂量结果，可发现，OSL与TLD的测量结果符合较好，二者测量结果之间的偏差主要来自于自身的测量误差。而451P电离室则出现了明显的剂量低估现象，这一现象可能与其响应时间慢及载流子自身的复合现象有关。

表3 TLD、OSL与451P电离室在靶室外的测量结果Table 3 Measurement result of TLD, OSL and 451P ionization chamber outside target chamber

注：1) 假设X射线平均能量为0.5 MeV，采用的空气比释动能-周围剂量当量转换系数为1.2 Sv/Gy

3 结论

本文利用中国工程物理研究院的星光-Ⅲ装置对超短超强激光与固体靶相互作用产生的X射线剂量开展了实验测量研究。为了仅测量超热电子和固体靶作用所产生的X射线剂量，设计了用于屏蔽靶室内超热电子和散射光子的屏蔽结构，并开展蒙特卡罗模拟计算以对其屏蔽效果加以验证，计算结果表明，TLD中沉积的能量主要由靶发射出的X射线贡献。利用TLD和OSL测量得到了在激光功率密度为7×1018、2×1019与4×1019W/cm2的条件下，激光在前向方向上产生的X射线剂量范围为6.2～40.5 μSv/J，侧向方向上产生的X射线剂量范围为2.7～7.3 μSv/J。通过公式对比验证了该公式的准确性，对不同剂量测量探测器的响应进行比较，发现OSL与TLD的测量结果符合较好，而451P电离室则出现了明显的剂量低估现象。本文结果为超短超强激光装置的辐射防护工作提供了一定的参考。