基于同步辐射的硬X射线探测器标定方法及关键技术研究

In metrology, the radiation detector standards are divided into primary standards and secondary, or transfer standards. As we all know,free-air ionization chambers are widely used as primary standards for the absolute measurement of air kerma in X-ray fields. However, they suffer ion-recombination seriously at the high dose rate, such as for synchrotron radiation beamlines. We propose a comprehensive study on hard X-ray decters calibration under high-flux density synchrotron radiation source with both a free-air ionization chamber and a flow-gas ionization chamber. A research will be done on the subject of the relationship beween recombination loss and electric field,gas composition and pressure,and also photon flux density by Monte-Carlo simulation as well as experiment.For the determination of absolute photon flux from high-intense synchrotron radiation beamline, a new detector system based on the photon-ionization of rare gases will be developed as an online monitor. A free air ionization chamber will be designed as primary standard to calibrite the online monitor with a semiconductor photodiode as a transfer standard. This study will provide fundamental experimental data and quantitative uncertainty analysis for establishment of a dector calibration system in the energy range of 6keV to 20keV,with the highest measurable photon flux over than 1E10 phon/s and the uncertainty better than 2%. We belive that this project must be able to provide more accuracy evaluation in the field of laser plasma, astronomical observation and other interdisciplinary application of traceability.

本项目旨在基于国内现有同步辐射光源，研究高通量密度条件下硬X射线探测器标定方法及关键技术。研究内容包括（1）通过Monte-Carlo 模拟高通量密度X射线入射下气体中的电离情况，研究复合损失与电离室灵敏区电场、气体配比和压力的相关性，通过系统地实验研究给出探测器气体配比、压力及收集电场等参数设置，设计并研制出适合同步辐射高通量密度条件下工作的在线实时监测探测器。（2）建立以自由空气电离室为基础的离线实验室参考标准，通过传递探测器对在线实时监测探测器进行校准，考核校准系统的稳定性，并分析影响整个系统测量不确定度的因素。（3）建立同步辐射硬X射线标定系统及光子通量绝对测量的实验室标准，其能量范围6keV-20keV，可测最高光子通量超过1E10 phon/s ，整体不确定度优于2%。为激光等离子体诊断、天文观测以及其它交叉学科领域的相关应用提供X射线绝对量值溯源基础。

本课题旨在基于国内现有的同步辐射光源，研究高通量密度条件下同步辐射硬X射线绝对测量及探测器标定方法及关键技术。主要包括以下几个方面：在线监测系统系统、标准探测器系统、绝对光子通量的获得、传递探测器的建立及标定。.由于同步辐射光源是随着时间变化的，而标定过程需要一定的时间，因此需要建立在线监测探测器系统对同步辐射光源进行监测来降低测量不确定度。基于同步辐射高通量密度的考虑，采用负压充稀有气体平行板电离室作为在线监测探测器，减小复合损失的影响。.现有的X射线辐射计量领域的国家标准量是空气比释动能率，而空气比释动能率是通过自由空气电离室复现的。因此，与计量院合作，建立了实验室标准探测器：自由空气电离室。对使用自由空气电离室作为同步辐射硬X射线计量标准探测器复现空气比释动能率进行研究，并将空气比释动能率转化为光通量。根据空气比释动能率定义，需要对测量的结果进行一系列的修正。通过计算和模拟得到电场畸变修正、通过室壁的辐射穿透修正、极性修正、光阑边缘穿透修正、空气湿度影响的修正、电子损失修正、电离室内散射光子的修正、电离室内荧光的修正及其他修正。而空气衰减修正和复合损失修正则需要由实际光源情况测量获得。考虑到当入射同步辐射硬X射线通量密度很大时，自由空气电离室灵敏区气体电离密度很高，会导致离子对复合损失严重，致使自由空气电离室不能工作，利用衰减片对入射光通量进行衰减。.结合在线监测探测器，通过测量空气减弱及复合损失修正，我们使用自由空气电离室复现了6-20keV同步辐射硬X射线空气比释动能率，得到绝对光子通量，相对测量不确定度好于1%。由于标准探测器不便携性，一般使用传递探测器进行对比及用户级探测器标定。对传递探测器进行选材及并对其性能进行了研究。对传递探测器进行标定，建立了6-20keV同步辐射硬X射线绝对强度的实验室参考标准。