硅光电二极管探测器在低能X射线辐射场上的标定

黄林茹，姚馨博，王 继，陈 灿，孙 坚，郭思明，郭晓炜，张小改，徐红伟

(1.中国计量大学，浙江 杭州 310018； 2.浙江省计量科学研究院，浙江 杭州 310018；3. 中国计量科学研究院，北京 100029)

1 引 言

随着电离辐射应用的蓬勃发展，对于计量技术的需求不断向极强、极弱等极端情况扩展。为满足热核聚变等科技领域探测器性能评定、大型科学仪器诊断元件参数标定的需求以及材料、能源、环境、天文等研究领域的发展，急需进行同步辐射单能X射线能量的测量与量值传递方法研究[1,2]。我国已实现了50 eV～6 keV同步辐射光束线强度的绝对测量与量值传递[3,4]，目前正在进行6 keV以上X射线能量计量方法的研究。在同步辐射X射线量传方法研究实验中，需要确定传递探测器的探测效率等性能[5～7]。

美国IRD公司生产的硅光电二极管AXUV-100G的有效面积大,无表面“死层”,量子效率接近100%，还具有高抗辐照能力、暗电流小等优异性能，已用于极紫外和软X射线波段量值传递，且被美国NIST、德国PTB等大型实验室认可作为传递标准探测器[8]。

在同步辐射X射线量传方法研究实验中，我们选择AXUV-100G作为传递探测器，其有效面积为10×10 mm2，同步辐射光源通过标准探测器后照射在传递探测器上的光束大小为φ3 mm光阑的光斑。当照射在传递探测器上的光束直径远小于探测器的有效面积时，探测器的非均匀性会导致光束照射在探测器不同位置时引入测量误差。为减小光斑照射在传递探测器不同位置带来的影响，需要标定传递探测器的探测效率即传递探测器在不同能量光源照射下的响应度，再使用传递探测器测量光源辐射场的均匀野。

2 实验原理及实验装置

传递探测器在不同能量光源照射下的响应度，即在X射线辐射场的参考平面处，AXUV-100G在不同辐射质射线束照射下复现空气比释动能的刻度因子及其重复性。

根据GB/T 12162.1-2000《用于校准剂量仪和剂量率仪及确定其能量响应的X和γ参考辐射第一部分：辐射特性及产生方法》[9]对于场均匀性的规定：在每一个检验点，在整个探测器灵敏体积上空气比释动能的变化不应超过5%。因此认为在X射线辐射场的参考平面处，X射线束几何尺寸范围内以X射线束中轴线为原点，AXUV-100G在垂直中轴线的水平方向上剂量分布非均匀性在5%以内的辐射野是均匀的。

2.1 空气比释动能

空气比释动能或空气比释动能率(单位时间的空气比释动能)是我国现有的X射线辐射计量领域的国家标准量，是电离室辐射领域广泛应用于统一量值、量值传递、检测校准测量仪表及应用过程中质量保证的基础。

比释动能定义为：在质量为dm的某种物质中，不带电粒子释放出的全部带电粒子的初始动能总和dEtr除以dm。当定义的物质为空气时，即为空气比释动能Kair：

(1)

(2)

2.2 刻度因子

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2.3 实验装置

实验在中国计量科学研究院的低能X射线10～50 kV标准辐射装置[11,12]上进行，装置信息见表1。低能X射线标准辐射装置是电离辐射空气比释动能国家计量基准与国家计量标准的重要组成部分，辐射源为X射线光机，产生的低能X射线通过限束光阑，在距离X光机焦斑1.0 m的参考平面处获得满足空气比释动能量值复现与传递的均匀野，水平方向非均匀性在1%以内的辐射野直径约为68 mm，垂直方向非均匀性在1%以内的辐射野直径为91 mm，满足该参考位置处所有剂量仪的照射。并采用适当的过滤器对辐射质进行调整，使其具备与国际标准(ISO)和CCRI会议推荐的辐射质规范比对以及量值复现、传递的条件。

表1 低能X射线标准辐射装置信息Tab.1 The information of low energy X-ray standard radiation device

3 AXUV-100G的探测效率与不确定度

3.1 AXUV-100G的探测效率测量

利用低能X射线标准辐射装置上的激光定位器，将AXUV-100G固定于距离光机焦斑1 m处，确保X光机焦斑、AXUV-100G中心在同一直线上，图1为实验布局图，图2为实验装置图。

图1 标定传递探测器实验布局图Fig.1 Calibration transfer detector experimental layout

图2 实验装置Fig.2 Experimental Installation

在不同能量射线束的辐照下，每隔20 s测量AXUV-100G产生的电离电流，每个条件下测量10次，由式(3)转化为刻度因子后取平均值，并由式(4)得到AXUV-100G作为传递探测器在各个辐射场中复现空气比释动能的相对标准偏差即重复性。

(4)

实验数据见表2。图3表示AXUV-100G在不同能量下的刻度因子曲线。根据探测器刻度因子η与响应度间的特性，当η最小时，探测器的响应度最大。同时根据相关文献[8]，探测器在10～40 keV能量范围内的辐射响应变化极限以不超过40%为佳。对图3的关系曲线进行分析，可得AXUV-100G在辐射质有效能量10～40 keV的辐射场中能量响应较高。

图3 AXUV-100G刻度因子与能量的关系曲线Fig.3 Curve of AXUV-100G scale factor and energy

表2 不同辐射质射线束辐照下AXUV-100G的刻度因子Tab.2 The scale factor of AXUV-100G in different radiation substances

3.2 不确定度分析

中国计量科学研究院提供的低能X射线空气比释动能基准的研究报告,分析了传递探测器复现空气比释动能的B类不确定度分量(表3)。由此可得AXUV-100G作为传递探测器复现空气比释动能的B类不确定度uB=0.285%。探测器测量重复性引入的不确定度分量urel(M10)用A类不确定度评定，计算公式为：

表3 B类标准不确定度汇总表Tab.3 Summery of class B standard uncertainty

(5)

式中：Sr为测量值的相对标准偏差；n为测量次数。

因此，AXUV-100G作为传递探测器复现空气比释动能的A类不确定度为uA=urel(M10)。合成不确定度urel与扩展不确定度Urel见表4。在低能X射线辐射场中，AXUV-100G在各个辐射质下复现空气比释动能的不确定度均为0.57%。

表4 AXUV-100G的不确定度分析表Tab.4 The uncertainty of AXUV-100G (%)

4 AXUV-100G测量低能X射线辐射场的均匀野

将AXUV-100G置于低能X射线辐射场中，距离光机焦斑1 m处的位置，选择CCRI-50(a)辐射质射线束进行辐照。以X射线辐射野中轴线为原点，在垂直中轴线的水平方向上以5 mm为步长向两端移动AXUV-100G，测量其在每个位置的电离电流，按原点处电流值归一化，结果如图4所示。

图4 传递探测器在辐射场中的相对电离电流Fig.4 Relative ionization current of transfer detector in radiation field

分析图4中曲线可得，距离光机焦斑1 m处水平方向上非均匀性低于1%的辐射野直径约为61 mm，非均匀性在5%以内的辐射野直径约为96 mm，所得结果接近标准探测器自由空气电离室的测量结果。

5 结 论

硅光电二极管AXUV-100G作为传递探测器在辐射质有效能量10～40 keV的辐射场中辐射响应较高；在低能X射线辐射场中，不同辐射质条件下复现空气比释动能的不确定度较小，具有较好的一致性。在CCRI-50(a)辐射质射线束辐照下距离光机焦斑1 m处水平方向上，AXUV-100G测量辐射野非均匀性低于1%时的直径约为61 mm，低于5%时的直径约为86 mm，且稳定性良好。因此AXUV-100G满足次级传递标准量值复现与传递的要求，能够作为同步辐射X射线在10～40 keV范围内能量标定与量值传递的传递探测器。