不锈钢和钨材料对东方超环（EAST）装置硬X射线诊断系统的影响

卢洪伟 倪志娇 查学军

1（东华大学理学院 上海 201620）

2（磁约束核聚变教育部研究中心（东华大学）上海 201620）

托卡马克实验装置在进行等离子体放电的过程中会产生不同能量的X射线和γ射线。如热电子的轫致辐射可以产生软X射线，通过软X射线能谱可以给出电子温度的时空演化信息［1］；快电子和本底等离子体的轫致辐射可以产生低能的硬X射线，通过低能硬X射线能谱诊断可以研究硬X射线光温、快电子的时空演化、低杂波的功率沉积、快电子的慢化和扩散等问题［2］；而逃逸电子撞击到装置的器壁上，由于厚靶轫致辐射产生高能硬X射线，通过高能硬X射线能谱可以研究放电过程中逃逸电子能量和计数的时空演化信息［3-6］。放电过程中产生的中子有可能和装置的器壁材料发生核反应产生γ射线。因此在托卡马克装置放电的过程中将产生大量的X射线和γ射线。在国内，中国科学院等离子体物理研究所HT-7［7-8］和东方超环（EAST）［9］托卡马克、核工业西南物理研究院HL-1M［10］和HL-2A［11-13］托卡马克实验装置上都建立了软X射线、低能硬X射线和高能硬X射线诊断系统来检测放电过程中产生的X射线和γ射线。在国际上，托卡马克TORE SUPRA［14-16］、JET［14，17］、ASDEX［14］、PDX［18］、PBX-M［19］上也都建立了相关的X射线或γ射线等核辐射测量系统。

由于托卡马克装置内部存在大量的不锈钢和钨等金属材料，比如托卡马克的部分第一壁材料、偏滤器靶板以及托卡马克真空室内部诊断系统的屏蔽层等。X射线和γ射线通过这些不锈钢和钨金属材料的时候，会发生光电效应和康普顿散射，因此装置内部这些材料的存在势必会对诊断数据的可靠性产生影响。虽然X射线和γ射线的起源不同，能量大小不等，但都属于电离辐射，它们与物质相互作用的机制与电磁辐射的起源无关，只与能量有关。X射线和γ射线与物质相互作用的效应有［20］光电效应、康普顿散射和电子对效应。由于光电效应和康普顿散射的反应截面随Z而增大，因此通常采用高Z材料来探测γ射线，以获得较高的探测效率。同样也选用高Z材料（铅、钨）作为γ射线的屏蔽材料。由于托卡马克实验装置内部存在大量的高Z材料，这些高Z材料将对诊断数据的可靠性产生重要影响。

本文详细介绍了EAST超导托卡马克实验装置上的硬X射线诊断系统，包括探测器的结构，同时通过计算铅对不同能量γ射线的吸收效果，设计了探测系统的屏蔽准直体；介绍了探测系统的信号处理过程，并使用22Na放射源对系统进行了台面实验，测试了不同厚度的不锈钢以及钨材料对实验数据的影响，同时将实验结果和计算结果进行了比较。

1 硬X射线诊断系统介绍

虽然托卡马克装置上有软X射线能谱诊断、低能硬X射线能谱诊断和高能硬X射线能谱诊断等不同的核辐射测量手段，但是他们的测量原理和测量方法是相似的，不同之处是根据探测光子能量的不同所选用的探测器是不同的，用硅漂移探测器测量软X射线能谱；由于化合物半导体探测器CdTe对低能的X射线和γ射线具有较高的探测效率和较高的能量分辨，对低能X射线和γ射线的能量分辨远比闪烁探测器要好，因此用CdTe半导体探测器测量快电子轫致辐射［21-22］，用NaI（Tl）和BGO闪烁体探测器测量逃逸电子厚靶轫致辐射产生的高能硬X射线［23］。NI（Tl）闪烁体为由无色透明的NaI晶体构成的无机闪烁体，以铊（Tl）为激活剂。NaI（Tl）闪烁探测器结构示意图如图1所示。由于NaI（Tl）闪烁体的平均原子序数高、密度高，对γ射线具有较高的探测效率及能量分辨。

图1 NaI(Tl)闪烁探测器结构示意图Fig.1 Configuration of NaI(Tl)detector

硬X射线能谱诊断所用的另外一种探测器是BGO（Bi4Ge3O12）闪烁体，它是一种无色透明的纯锗酸铋本征晶体构成的无机闪烁体，密度是7.13 g/cm3，大于NaI（Tl）闪烁体的3.67 g/cm3，因此，BGO闪烁体对1～10 MeV的γ射线的吸收系数是NaI（Tl）闪烁体的2.5倍左右，使用BGO闪烁体探测高能的X射线和γ射线，缺点是能量分辨比NaI（Tl）闪烁体差一些。通过NaI（Tl）闪烁体和BGO探测器的结合，可以更好地弥补各自探测器的不足，更好地测量高能硬X射线。

X射线和γ射线诊断系统简图如图2所示。探测器接收X射线和γ射线产生光电子，光电子经过光电倍增管的多次倍增放大后输出一个电脉冲，电脉冲经过模/数转换器（ADC）转换为数字信号，然后将数字信号存储到多道脉冲分析器中，最后经过网线传输到电脑采集，从而测得光子能谱信息。另一路信号是线性放大器输出的模拟信号，其经过检波器后直接传送到托卡马克装置统一采集的数据库中，该信号可以提供X射线和γ射线的辐射强度（辐射能量和通量）信息。

图2 X射线和γ射线诊断系统框图Fig.2 Data acquisition of X-ray andγ-ray detection system

为了屏蔽杂散的X射线和γ射线，使诊断系统具有较好的空间分辨能力，采用高Z材料（铅）作为探测器的屏蔽材料。图3所示为计算了铅对不同能量γ射线的吸收能力随着铅厚度的变化曲线。γ射线穿过铅材料按照I=I0e−μmdm指数衰减［20］，其中，I0为入射到材料前的辐射强度；I为通过材料后的辐射强度；μm是材料的质量衰减系数；质量厚度dm=ρd。因此I=I0e−(μmρ)d，其中，ρ是材料的密度；d为穿过材料的厚度。从图3可知，20 mm厚的铅就可以很好地屏蔽杂散2 MeV的γ射线，而对于能量高于5 MeV的γ射线，则需要厚80 mm以上的铅才能够屏蔽杂散γ射线，同时发现而，对于5～10 MeV的高能γ射线，铅的屏蔽能力差别不大。

根据图3的计算结果，将EAST托卡马克装置硬X射线诊断系统的铅屏蔽体结构设计为圆柱形。从截面结构（图4）可知，准直孔的直径1 cm，长度15 cm（即准直体的铅层厚度）；铅屏蔽体的铅层厚度10 cm。根据计算结果，这种屏蔽体的铅层厚度可以屏蔽掉99%以上的杂散光子，仅使在准直孔范围内的光子通过准直孔，从而对探测器具有屏蔽和准直的作用。

图3 铅对不同能量γ射线的衰减效果Fig.3 Effect of lead onγ-ray

图4 NaI(Tl)闪烁探测器的铅屏蔽体结构示意图Fig.4 Lead shielding configuration of NaI(Tl)detector

2 不锈钢和钨材料对X射线诊断系统的影响

由于托卡马克装置的内部结构和外围诊断上都有很多不锈钢结构和钨材料，并且由于托卡马克实验窗口的限制，很难做到诊断系统前面没有不锈钢或者钨等金属材料的阻挡，特别是位于装置外围的高能硬X射线诊断系统，其准直孔的前方不可避免地存在一些不锈钢结构和钨材料。本文借助22Na放射源研究了钨材料和不锈钢结构对X射线诊断数据的影响。22Na放射源发生β+衰变产生22Na的激发态22Na*，处于激发态的22Na*向基态跃迁辐射出1.275 MeV的γ光子，22Na可以发射出正电子，正负电子发生湮灭，可以辐射出0.511 MeV的γ光子。

台面实验的示意图如图5所示，在距离22Na放射源7.5 cm的地方放置不同厚度的钨板和不锈钢板（316L）；将NaI（Tl）闪烁探测器放在距离钨板和不锈钢板7.5 cm的地方，采集能谱数据。

图5 台面实验示意图Fig.5 Schematic view of testing experiment

22Na放射源产生的γ射线穿过不同厚度不锈钢的能谱如图6所示。虽然放射性核素22Na产生的辐射光子是能量为0.511 MeV和1.275 MeV的线状谱，但是当γ射线与探测器相互作用后，γ射线的“仪器谱”变成连续谱，当放射源和探测器之间没有任何材料时，可以明显看出，γ射线能谱有三个峰位（0.511 MeV、1.275 MeV和1.786 MeV），其中1.786 MeV的峰位是由于0.511 MeV和1.275 MeV的光子同时被探测器接收到而产生的。而0.511 MeV和1.275 MeV之间的平台是康普顿散射反冲电子能谱。从图6可以看出，随着不锈钢厚度的增加，能谱的形状变化不是很明显，只是计数有所减少，说明不锈钢对γ射线的吸收能力比较小。

图7给出了γ射线穿过不同厚度钨材料的能谱。由图7可知，随着钨材料厚度的增加，γ射线计数很快降低，而且当钨板厚度达到29 mm时，0.511 MeV γ射线的峰位基本消失；随着钨板厚度的增加，能谱的形状变化比较明显，而且计数迅速降低，说明钨材料对γ射线散射与吸收比较大。从图6和图7可以发现，γ射线通过不锈钢和钨后采集到的能谱与其原始的仪器谱在形状上没有太大的变化，只是γ射线峰的计数有所减少。而且由于γ射线和物质的相互作用，γ射线峰值计数的减小幅度大于其他平台区计数减小的幅度。

图6 22Na放射源产生的γ射线穿过不同厚度不锈钢板的能谱图Fig.6 γ-ray spectra on stainless steel experiment

图7 22Na放射源产生的γ射线穿过不同厚度钨材料的能谱图Fig.7 γ-ray spectra on tungsten experiment

3 结果与讨论

图8给出了台面实验得到的γ射线能谱中0.511 MeV和1.275 MeV两个峰位的γ射线归一化计数随不锈钢厚度的变化。虽然不锈钢对γ射线的吸收呈指数变化趋势，由于不锈钢对γ射线的吸收比较弱，所以从图8可以看出，实验结果基本上近似成线性关系。在衰减规律I=I0e−(μmρ)d中，令衰减系数α=μmρ，其中，d为射线经过的距离。由图8可知，拟合出不锈钢对0.511 MeVγ射线的衰减规律是I=I0×10-0.60d，衰减系数α=0.60 cm-1；通过对变量进行线性回归分析，采用最小二乘法进行误差估计，计算出回归平方和占总误差平方和的比值R2=0.955 4；对1.275 MeVγ射线的衰减规律是I=I0×10-0.41d，衰减系数α=0.41 cm-1，R2=0.922 3。

图8 实验得到的γ射线归一化计数随不锈钢厚度的变化Fig.8 Relationship ofγ-ray normalized count and stainless steel thickness in experiment

铁（ρ=7.8 g/cm3）对于0.511 MeV的γ射线的质量吸收系数为μm=0.084 cm2/g，吸收规律是I=I0e-0.6552d；对于1.275 MeV的γ射线的质量吸收系数为μm=0.054 cm2/g，吸收规律是I=I0e-0.4212d［24］。通过对比可以发现，图8的实验结果和图9的理论计算结果较为类似，拟合曲线的形状也比较类似；根据实验结果拟合出不锈钢对0.511 MeVγ射线的衰减系数α=0.60 cm-1，略小于理论计算的铁对0.511 MeVγ射线的衰减系数α=0.65 cm-1。同样，不锈钢对1.275 MeVγ射线的衰减系数α=0.41 cm-1，也略小于理论计算的铁对1.275 MeVγ射线的衰减系数α=0.42 cm-1，考虑到实验误差的影响，可以认为理论结果和实验结果是符合的。

图9 计算得到的γ射线计数随不锈钢厚度的变化Fig.9 Relationship ofγ-ray count and stainless steel thickness in theory

图10给出了台面实验得到的0.511 MeV和1.275 MeV峰位的计数随钨厚度的变化。由于钨材料属于高Z材料，对γ射线的吸收衰减效果比较明显，γ射线计数随着钨材料厚度的增加而减少，指数迅速衰减。从图10可以看出，0.511 MeV和1.275 MeV的两条曲线是明显的指数衰减关系。通过图10中的实验数据也可以拟合出钨材料对0.511 MeVγ射线的衰减规律是I=I0×10-2.3d，衰减系数α=2.30 cm-1，R2=0.999 9；对1.275 MeVγ射线的衰减规律是I=I0×10-1.0d，衰减系数α=1.00 cm-1，R2=0.999 5。

由于钨（ρ=19.3 g/cm3）对于0.511 MeV的γ射线的质量吸收系数μm=0.135 cm2/g，吸收规律是I=I0e-2.6055d；对于1.275 MeV的γ射线的质量吸收系数μm=0.058 cm2/g，吸 收 规 律 是I=I0e-1.1194d［24］。同样，根据理论计算，钨对0.511 MeV和1.275 MeVγ射线计数的衰减规律也满足指数衰减的规律，对比发现，图10的实验结果和图11的理论计算结果类似，随着钨材料厚度的增加，γ射线辐射计数或辐射强度指数衰减。

图10 实验得到的γ射线归一化计数随钨厚度的变化Fig.10 Relationship ofγ-ray normalized count and tungsten thickness in experiment

图11 计算得到的γ射线计数随钨厚度的变化Fig.11 Relationship ofγ-ray count and tungsten thickness in theory

根据图10实验结果拟合，钨对0.511 MeVγ射线的衰减系数是α=2.30 cm-1，略小于理论计算的钨对0.511 MeVγ射线的衰减系数α=2.60 cm-1。同样，钨对1.275 MeVγ射线的衰减系数是α=1.00 cm-1，也略小于理论计算的钨对1.275 MeVγ射线的衰减系数α=1.12 cm-1。考虑到实验误差的影响，可以认为实验结果和理论结果是符合的。

4 结论

介绍了EAST托卡马克上的硬X射线诊断系统，包括探测器的结构和数据处理方法，并设计了探测器的屏蔽准直体。利用22Na放射源对诊断系统进行了台面实验测试，通过放射源的γ射线能谱研究了不锈钢和钨材料对γ射线的衰减规律；通过对不锈钢和钨材料对γ射线能谱影响的研究，拟合出了不锈钢和钨材料对0.511 MeV和1.275 MeVγ射线的衰减系数。结果发现，不锈钢对γ射线的衰减系数（0.511 MeV的衰减系数α=0.60 cm-1；1.275 MeV的衰减系数α=0.41 cm-1）远远小于钨材料对γ射线的衰减系数（0.511 MeV的衰减系数a=2.30 cm-1，1.275 MeV的衰减系数α=1.00 cm-1）。根据实验结果拟合出的γ射线衰减系数与理论计算得到的值，在考虑到实验误差影响的前提下，可以认为他们是一致的。因此，不锈钢对硬X射线诊断数据的影响比钨产生的影响小得多。在设计安装高能硬X射线和γ射线诊断的时候要尽量避免准直孔前方有钨和铅等高Z材料的存在。但是对于低能的X射线，不锈钢的影响是不可忽略的；在设计安装低能硬X射线诊断以及软X射线诊断的时候，要避免准直孔前方有不锈钢结构、钨和铅等高Z材料的存在。同样，如果要屏蔽托卡马克实验装置放电过程中产生的X射线和γ射线对其他诊断的影响，则需要选用高Z的钨和铅等作为屏蔽材料。同时，也可以通过这种方法，对硬X射线诊断准直孔前方存在的高Z材料对诊断数据的影响进行评估。EAST超导托卡马克γ射线诊断系统的屏蔽体准直孔的直径为1 cm，长度为15 cm（即准直体的铅层厚度），铅屏蔽体的铅层厚度10 cm，这种屏蔽体的铅层厚度可以屏蔽掉99%以上的杂散光子，能够满足实验的要求。