羅劍輝 周海生 馬 戈 黑東煒 魏福利 徐 曦

1（西北核技術研究所 西安 710024）

2（強脈沖輻射模擬與效應研究國家重點實驗室 西安 710024）

3（中國工程物理研究院電子工程研究所 綿陽 621900）

封閉殼體X射線屏蔽效能測量方法

羅劍輝1,2周海生1馬 戈1黑東煒1,2魏福利1徐 曦3

1（西北核技術研究所 西安 710024）

2（強脈沖輻射模擬與效應研究國家重點實驗室 西安 710024）

3（中國工程物理研究院電子工程研究所 綿陽 621900）

針對X射線輻照環(huán)境中抗輻射加固技術研究的需求，建立了一種適用于電子系統(tǒng)封閉外殼的X射線屏蔽效能測量方法。以X射線機的軔致輻射輸出為基礎，通過濾波和多個連續(xù)譜的組合，實現(xiàn)了接近考核能譜的輻照X射線輸出；利用LiF熱釋光探測器的優(yōu)勢，研究了X射線能量響應標定和屏蔽效能測量的應用方法。重點開展了20-100keV硬X射線輻照下封閉腔體屏蔽效能測量的實驗研究，測量結果顯示，除照射方向上的穿透X射線外，散射X射線對腔體內部劑量場具有顯著的貢獻。通過實驗方法的建立和測量結果的分析，能為X射線抗輻射加固的結構設計和有效性評估提供實驗參考。

X射線，能譜構造，封閉殼體，屏蔽效能，熱釋光探測器

電子元器件在硬X射線輻照環(huán)境中，由于劑量增強等效應[1-4]，其性能和壽命受到嚴重影響，隨著大規(guī)模集成電路輻射效應研究的快速發(fā)展，人們逐漸認識到X射線抗輻射加固研究的重要性，為減小X射線照射對器件的損傷效應，采用外殼屏蔽是目前實踐中的主要方法。X射線屏蔽體采用鋁、鎢、鉛等輕重金屬的混合，多種加工工藝，對器件重要性、殼體質量等因素綜合設計[5]，其特點是隔艙多、空間密閉、結構及材料成分復雜，但由于透射、散射、熒光X射線及激發(fā)電子混雜在一起，增加了屏蔽效能的測量難度。

傳統(tǒng)的X射線屏蔽效能的推算方法是用屏蔽材料在入射方向上的透過率近似代替，該方法主要針對平板材料，缺點是光束細小、方向單一，難以滿足大尺寸結構、特定寬能譜照射、多方向劑量沉積的測量需求。本文是在實驗室建立一種適用于封閉復雜殼體的硬X射線屏蔽效能測量的方法，能夠獲得較為準確的實驗數(shù)據(jù)，為相關部門的X射線屏蔽設計研究提供依據(jù)。

1 測量方法的基本設計

X射線屏蔽效能(η)是指在特定能譜X射線照射條件下，屏蔽殼體內部某空間位置上的劑量(Di)與該點處直接輻照X射線劑量(D0)的比值，表示為：

X射線屏蔽效能測量原理示意如圖1所示，系統(tǒng)包括X射線機、濾波片和LiF探測器。X射線屏蔽體空間密閉、內部結構復雜，對探測器有特殊的要求。常規(guī)的核輻射探測器如電離室、正比計數(shù)器、半導體探測器等，輻照過程中需要額外的電子學系統(tǒng)，且體積較大，很難對其內部空間的劑量分布進行實驗測量。LiF劑量片劑量線性范圍可以達到109Gy·s-1，具有體積小、靈敏度高、量程范圍寬和能重復使用等優(yōu)點[6]，可以實現(xiàn)屏蔽殼體空間分布的測量，能夠4π方向劑量接收，成為本文測量方法研究的首選探測器。

圖1 X射線屏蔽效能測量示意圖Fig.1 Sketch map of experimental device.

1.1 X射線輻射場

本文研究的X射線能量在20-100keV，不同的能譜分布對封閉腔體的屏蔽效能具有顯著影響[7]，屏蔽效能的測量數(shù)據(jù)只有在特定譜條件下才有意義。通過單能X射線的實驗測量，分別獲得多個能點的屏蔽效能，根據(jù)特定譜形態(tài)進行擬合是一種可能的方法，但在實驗室很難獲得同時滿足單色性和強度要求的X射線源，因此，尋找一種簡便可行的X射線能譜構造的方法就顯得十分重要。本文提出了一種利用多個簡單輸出譜（稱子譜）構造特定譜的方法。假定f(x)為要求得到的特定譜，要求輻照時間為t，為目標能譜能量區(qū)間上一組線性無關的構造子譜，稱其中每個能譜為構造子譜，各子譜對應的輻照時間份額為Ni，則有：

實驗中的子譜以X射線機產(chǎn)生的韌致輻射為基礎，根據(jù)需要調整加速電壓和濾波材料，通過輻照時間的分配，最終合成特定譜的X射線輸出，并在一定立體角范圍內形成一個較為均勻的輻照場區(qū)域，某構造譜的結果如圖2所示。

圖2 譜構造結果Fig.2 Results of configuration spectrum.

均勻性是X射線輻射場性能的重要指標，定義為中心光軸垂直線上各點的輻照強度與該垂直線上最大強度的比值，均勻性指標計算如式(4)所示，同時定義均勻性指標大于90%的區(qū)域為可用于測量的“均勻區(qū)間”：

式中，Φi、Φmax為距離光源L處的中心光軸垂直線上輻照強度及最大值。

實驗測量距離X光源60cm、80cm、100cm處，垂直于X射線輻射方向上的強度分布，以此作為空間均勻性的分析基礎。測量結果如圖3所示，由圖3可見，實驗室X光機輻射強度最大值并不是垂直于Be窗的方向，而是在偏轉角約5°的方向上。在距離光源60cm處，均勻性好于90%的“均勻區(qū)間”約為25cm，100cm處可以達到40cm。

圖3 X射線輻射場均勻性測量結果Fig.3 Homogeneity of the X-ray irradiation field.

1.2 LiF靈敏度標定

考慮到熱釋光探測器對100keV以下X射線的能量響應變化很快[8]的影響，先在測量譜的能量范圍內(20-100keV)進行X射線的能量響應標定，其難點在于很難獲得單色性較好、強度較高的X射線源。本文提出了利用韌致輻射激發(fā)的特征熒光產(chǎn)生單色標定光源的方法，采用多種濾波片的吸收來減少散射背景，提高光源單色性，標定光源的能譜用高純鍺多道譜儀監(jiān)測，強度用標準劑量儀UNIDOS監(jiān)測。相同照射條件下，實際沉積劑量與材料種類密切相關，本文以空氣為比照對象，最終選定LiF為熱釋光材料，并作適當?shù)姆庋b。LiF劑量片首先在60Co源(1.25MeV)上采用標準劑量儀UNIDOS進行了劑量片的重復性和分散性篩選實驗，并獲得了1.25MeV的靈敏度數(shù)據(jù)。然后采用硬X射線源對自行封裝的LiF進行相對靈敏度的標定實驗。圖4給出了實驗室標定方法示意圖和相對靈敏度(LiF/Air)實驗結果。結果表明，本文使用的LiF劑量片對硬X射線能量響應雖然不是坪響應，但相對靈敏度(LiF/Air)較為平坦，可應用于封閉腔體的劑量分析。

圖4 LiF/Air相對靈敏度測量實驗(a)及1.25 MeV歸一化結果(b)Fig.4 Experiment for LiF/Air relative X-ray sensitivity measure (a) and results compared with 1.25 MeV (b).

2 測量實驗

2.1 散射X射線劑量貢獻的實驗研究

X射線輻照到屏蔽殼體時，內部某點的劑量包括X射線的直照貢獻和散射貢獻。從源直接到達測量的X射線，經(jīng)光路上的殼體材料吸收衰減后進入測點位置，形成劑量沉積，稱之為直照X射線的劑量；其他方向的X射線雖然不能直接找到測量位置，但是通過康普頓散射等作用，部分散射X射線也會進入測量位置形成劑量沉積，這部分貢獻稱為散射X射線的輻照劑量。在X射線屏蔽設計中，不但要考慮到在輻射環(huán)境中的劑量屏蔽效能，還要盡可能地減少殼體的質量，以提高電子學系統(tǒng)的有效載荷，一般需要根據(jù)電子系統(tǒng)的特點開展特殊設計，腔體結構更加復雜，開展散射X射線劑量貢獻的測量研究，對于屏蔽結構的設計研究具有一定的參考價值。

在實驗設計中，直照和散射X射線通過進入位置單元的X射線方向來區(qū)分，通過封閉腔體前方屏蔽結構的調整和光路設計分別實現(xiàn)X射線總沉積劑量、散射劑量和直照劑量的測量。LiF劑量片放置在封閉腔體的位置單元上。測量總劑量時，整個腔體完全接受X射線的照射(圖5(a))；測量散射X射線劑量時，入射方向用直徑約為15mm、厚度為10mm的鉛柱遮擋(圖5(b))；測量直照射線劑量時，腔體前方覆蓋一塊中心開孔?20mm的屏蔽板，屏蔽板材料為5mm的不銹鋼加2mm的鉛組合，X射線只有通過入射方向的通光孔才能進入腔體并被LiF探測到，其它方向的X射線將被屏蔽板完全屏蔽(圖5(c))。

圖5 散射X射線的劑量影響測量光路示意圖(a) 總劑量，(b) 散射劑量，(c) 直照劑量Fig.5 Measurement principle of scatter X-ray dose. (a) Total dose, (b) Scattering dose, (c) Direct radiation dose

屏蔽盒尺寸為15 cm×12 cm×6cm，每次實驗重復測量3次，測量數(shù)據(jù)列于表1。在該實驗測量條件下，LiF直接測量總劑量為30.8mGy，散射X射線與直照X射線劑量沉積合計為32.2mGy，相對偏差為4%，經(jīng)過3次反復測量，測量結果比較一致，因此可以認為該結果能夠用于散射X射線貢獻的評估，散射貢獻約為23%。

表1 散射X射線的劑量效應實驗測量結果(mGy)Table 1 Experimental results of scatter dose (mGy).

2.2 空間屏蔽效能測量

屏蔽殼體內部屏蔽效能的分布是人們在抗加技術研究中較為關心的參數(shù)，是關鍵器件重點位置輻射設計的依據(jù)。首先利用LiF劑量片對輻射場的強度進行測量，實驗測量位置選定在距離X射線源62.5cm處，首先進行了入射X射線照射劑量的測量，可以將測量平均值106.7作為62.5cm處場強，對于實際測量點的照射劑量通過平方反比關系換算。殼體結構及內部劑量片放置方法如圖6所示，測量結果表示如表2，通過與理論結果的比較可知，該方法測量得到的屏蔽效能數(shù)據(jù)是比較可信的。

圖6 內部劑量片位置Fig.6 Positions of LiF in the shell.

表2 空腔內部屏蔽效能實驗的測量結果Table 2 Experimental results of shielding effectiveness.

3 測量不確定度

根據(jù)式(1)，屏蔽效能的測量不確定度為：

式中，u(D0)和u(Di)分別為某位置在殼體屏蔽前后沉積劑量的測量不確定度。對于屏蔽效能測量系統(tǒng)，劑量測量不確定主要來源于以下幾項：(1) X射線機輻射輸出的不穩(wěn)定性，該項不確定度為1%；(2) 輻射空間的不均勻性，均勻性90%時，采用矩形分布，該項測量不確定度為(3) 劑量片靈敏度不確定度，篩選后分散性不大于3%。因此劑量測量的不確定度約為6.7%，屏蔽效能測量不確定度約為9.3%。

4 結語

利用直流X射線機和LiF劑量片測量了X射線屏蔽殼體的散射劑量貢獻和屏蔽效能，由結果可以看到，在大面積輻照條件下，散射X射線的劑量貢獻非常顯著，開展殼體全體積輻照條件下的屏蔽效能測量方法研究是非常必要的；在殼體內部，除X射線直接照射的前面板外，其他位置的材料會發(fā)生二次散射等作用，這在一定程度上抵消了前面板距離帶來的散射減小作用，因此對于空間較小的位置空間，屏蔽效能的數(shù)據(jù)差別不大。在實際測量實驗中，由于硬X射線的空氣散射效應，與考核譜相比，實驗譜混入了更多的低能成份，客觀上影響了屏蔽效能的測量結果，導致測量結果偏小，下一步需要開展X輻照環(huán)境的屏蔽技術研究，提高測量結果的準確性。

本文通過理論分析和實驗研究，實現(xiàn)了與考核環(huán)境一致的X射線輻照能譜輸出方法，通過X射線熒光激發(fā)方法建立了LiF劑量片靈敏度標定平臺，最終為封閉殼體X射線屏蔽效能的實驗研究提供了一種行之有效的測量方法，且具有精確定位、抗干擾強、結果直觀可靠等特點。對于工藝影響較大的復雜屏蔽殼體，理論模擬難以真實地反映屏蔽性能，本文建立的實驗方法對于這類器件尤其具有非常重要的作用，此方法還可進一步用于電子學系統(tǒng)在加電情況下的X射線輻照考核。

致謝 感謝北京應用物理與計算數(shù)學研究所的邱有恒副研究員提供理論數(shù)據(jù)用于比較分析。

1 郭紅霞. 集成電路電離輻射效應數(shù)值模擬及X射線劑量增強效應研究[D]. 西安: 西安電子科技大學, 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 褚忠強, 徐曦, 牟維兵, 等. 單片機系統(tǒng)射線劑量增強效應研究[J]. 微電子學, 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 牟維兵, 徐曦. X射線不同方向輻照80C196KC20單片機研究[J]. 強激光與粒子束, 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 吳正新, 何承發(fā), 陸嫵, 等. 射線對金硅界面劑量增強效應的模擬研究[J]. 核技術, 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. 屏蔽材料組分含量的優(yōu)化設計[J]. 核電子學與探測技術, 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

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7 汲長松. 核輻射探測器及其實驗技術手冊[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. 固體熱釋光[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

總裝裝備預研重點基金項目(No.914A11050910ZW501)資助

羅劍輝，男，1977年出生，2009年于西北核技術研究所獲碩士學位，主要從事X射線測量技術研究

2014-06-05，

2014-06-26