EAST水平硬X射线诊断单元研究(2)
3、HXHTA结构设计
HXHTA设计主要考虑的问题是：提高探头接受输入辐射的信噪比、杂散噪声屏蔽和电绝缘。探测光源的最低流量(仪器的灵敏度)可近似地表示为2(B/AT)1/2。其中B为探测器的本底计数，A为探测器的有效面积，T为积分观测时间。由于增加探测器的有效面积受重量、尺寸等客观因素限制，所以在观测时间一定的情况下，提高探测器灵敏度的主要方法是降低探测器的本底计数。就目前工艺水平来看，对本底的抑制不能达到100%，原因及解决方法如下:
（1）根据半导体探头的工作原理，对各个方向的输入能量都会产生能量沉积并形成计数，由于目前装置没有反符合系统，所以当射线从窗口或其他方向入射时，径迹很短，沉积能量落在观测范围内时，所造成的计数并没有被抑制。我们采用金属钨屏蔽非观测范围辐射的方法。金属钨具有一系列的优点，是常用的最佳X射线屏蔽真空材料，重要的是钨元素在发生散裂反应后转化成的同位素寿命短，即使一个动能为1GeV的质子轰击钨靶发生散裂反应时，所产生出20个高能中子在几周后即失去放射性。根据X射线在物质中的衰减服从指数规律I=I0exp(-μmρt），其中μm 为质量衰减系数，ρ 为材料密度，t为材料厚度， 屏蔽盒正面钨板和斜面钨板厚度选为20mm， 侧面钨板和上下面钨板为14mm，而装置后面因为辐射很小，5mm厚的不锈钢板就可以起到屏蔽作用。
（2）由于从准直孔入射的弥漫背景X 射线与等离子体发出的FEB的X射线并无差别，所以从原理上讲，这部分本底是无法完全消除的，只能通过减小准直孔的截面和深度比来减小进入准直孔的背景HXR通量。狭缝加准直棒两级准直的方法可以得到很大的等效深度，不仅可以减小探头接受的背景HXR通量，还可以减少探头接受的有效HXR 通量避免探头饱和。狭缝开在斜面钨板上，在简化设计的同时使得径向窗口等效于切向窗口。准直棒和探头相连可以进一步屏蔽噪音辐射并且得到最大等效深度。通过优化计算，在狭缝宽度4mm，深度35mm时，只有中间的2，3两层狭缝入射的X射线会互相干扰，可以在窜层X射线所通过的衬板放置探头的区域嵌入钨板来屏蔽这部分干扰，又因为这个区域入射窜层X射线的法向角度θ 最小是65°，8mm厚钨板等效屏蔽厚度就达到所需的20mm。
（3）X射线入射到介质中时，与该介质原子的电子、带电粒子（原子核和电子）周围的电场和介子场发生作用。这4 种相互作用可导致X 射线全吸收，或者发生弹性（相干）散射或非弹性（非相干） 散射。而每种相互作用的最主要结果有3种：光电子效应、康普顿散射和电子对效应。这3种效应所产生的光电子、散射X光子、反冲核、湮没光子等，要满足动量守恒和能量守恒的条件，其运动方向必然会偏离入射X 射线的方向，如图5所示。经准直了的X 射线束入射到探测器1上，其中一部分光电子、散射X 光子等会穿过隔离层被相邻的探测器2、3、4等收集到，这些探器会产生一个相当于本底的输出量。这个输出量，即称为探测器间的信号串扰噪声。探测器串扰噪声会影响到探测器的信噪比，过大时甚至会引起探测器完全不能工作。通过National ResearchCouncil of Canada 近来推出的蒙特卡罗模拟程序版本—EGSnrc程序包模拟估算可知，当隔离层（W）厚度为0.5mm 时，相邻的第一个探测器的串扰噪声下降至1%左右，相邻第二个探测器降至0.5%以下，但隔离层大于0.5mm之后，隔离层的增厚对抑制串扰噪声意义已不大。由于钨对不锈钢的相对密度为2.5，各层衬板厚度选用5mm不锈钢是合适的。
图5 探头射线串扰示意图
另外，为了得到纯净的电信号，HXHTA要和EAST装置本体电绝缘，而其内部的各层探头也要相互电绝缘。聚四氟乙烯是一种坚韧的、非热塑性的和非多空性的树脂材料，具有良好的电绝缘性能———高电阻（＞1019Ω·cm）、低电介质损耗（2kV/mm）和高电击穿强度，可以很方便地加工成各种形状的零件。它大多是结晶体，没有熔点，工作温度为－50℃～250℃，虽然机械性能随温度升高而急剧下降，但在EAST 真空室烘烤温度最高200℃的环境下，考虑到绝缘块要能承受一定静载荷和耐摩擦性，它还是较为合适的材料。图6 给出了HXHTA 的三维简图，图中深色零件为绝缘块，浅色零件为结构不锈钢，透明轮廓线零件为钨板。
图6 HXHTA的SolidWorks三维简图
图7 LHCD实验中的HXR水平多道信号
4、结论
设计的EAST硬X射线诊断系统在实验中取得了较好的实验结果。从图7的实验数据可以看到，信号比较稳定，信噪比也很好。图中，上图为输入电流能量强度的时间函数曲线，下图是各位置探头反映的HX 强度的时间函数曲线。测量结果表明，系统设计合理，装置空间分辨率精度、辐射屏蔽满足要求，能够满足测量20keV～200keV 能量范围等离子体的硬X射线韧致辐射的要求。但是在实验中出现底座电绝缘不好的情况，说明电绝缘的耐压不足，还需要对底座的电绝缘零件进行优化设计。另外，在以后的EAST实验中等离子体温度会越来越高，辐射的X射线能量也会随之增强，CdTe晶体探头由于电阻率较低，所制成的探测器漏电流较大，能量分辨率较低，将会被更高能量探测范围的半导体CZT晶体探头所取代。CZT晶体是在CdTe中掺入Zn，使禁带宽度增加而发展成的新探头，它在室温下对X 射线能量分辨率较好，能量探测范围在10keV~6MeV，且无极化现象。
