造价工程师成绩查询-政教主任述职报告

光　学　学　报　
ＡＣＴＡ　ｏＰＴＩＣＡ　ＳＩＮｌＣＡ　
Ｖ０１．１　６． Ｎｏ　６　
Ｊｕｎｅ．１９９６　
（＝、厶卷幛一　一明　
＾　
光纤ｘ射线探 针和测量系统　
（中国矿业大学自动化工程系一江苏徐州，矿业　　㈣。。。。）　　’　／　
算结果，井做了实验标定。讨ｉ，２了光纤探钟测量系统的构成、删量曲动吝蔼围和响应时间。　
关键词 　型，　
１引　言　
，　・灵敏度。　龟　
用单次闪光Ｘ光机产生的高强度脉冲ｘ射线 进行各项研究时，对脉冲Ｘ射线强度的测　
量是必要的。本文提出了新颖的光纤Ｘ射线探针和测量系统， 其基本原理是：当Ｘ射线照射　
光纤时产生光电效应、康普顿散射和正负电子对，能量为０．ｊ～８　Ｍ ｅＶ的Ｘ射线，康普顿散　
射是主要的，其它两种效应可以忽略．散射产生的康普顿电子在光纤中发射契 仑柯夫光，其　
中的一部分被光纤收集，成为受导光线，经光纤传输后在光电检测器中产生输出电流。这 种　
光纤探针和测量系统比传统的由荧光体光电二极管组成的测量系统优越，因为光纤探针体积　
微小而不影响Ｘ射线的空间分布，抗电磁干扰能力强并具有超快的时间响应，这是其它核辐　
射探测器 难以实现的。　
２　ｘ射线在光纤中激发的契仑柯夫光　
２．１　Ｘ射线在光纤中散射产生的电 子　
Ｘ射线在光纤中的隶普顿散射的几何条件如图ｌ所示　能量为　的Ｘ光子在　方向单位　
立 体角内散射的康普顿电子数目的微分截面为　
面面一ｉ　ｄ，ｏ－一号　［１［　（１＿～１＋　＿　（ ａ１＿　）二：二（＿１　丽－ｃｏｓ　０）￣［ｌ　＿　一－ｃ＿。ｏｓ　　十ｒ干　二　詈　：｝ｆ　㈩　１ 　
其中　一ｅ　ｉ＇ｌｆｌ，ｏＣ’一２．８ｘ１０－１。ｃｍ是电子的经典半径．ｎ一耳／ｍｃｃ　在 　方向的康普顿电子能　
量为　
一　
２ｎ盯　
一　～
＋（１－－ｒｅ ）：ｅｔｇ－＂￣ｏ　【２）　
康普顿电子的相对速度　与能量的关系由相对论公式确定：　
收 稿日期：ｔ９９４年ｌ０月３１日；收到修改稿日期：１９９５年【０片Ｉ】日　

６期　 王耀才等：　光野ｘ射线探针和测量系统　
（３）　一　１—１　（１＋Ｅ　ｍ。ｃ！）。　
角 度　与　的关系为ｏａｔ　一（１＋口）ｔａｆｔ（　／２）。康普顿电子的能　
量范围为。至　／［１ ＋（２ｎ）　］。在光纤中康普顿电子的产生是随　
机的，从产生到逸出纤芯．电子所走路径的平均值　 可以近似地　
表示为　—　Ｄ／（８ｓｉｎ　，）．其中Ｄ为纤芯直径，为¨ｍ数量级．因此　
可忽略电子在纤芯中的散射　
向的夹角。　
是光纤轴向与康普顿电子运动方　
Ｘ　ｒ－ ｝ｖ　
２．２康普顿电子在光纤中发射的契仑柯夫光　
光纤中的康普顿电子，当其速度　超过光 在光纤中的速度，　
即　＞　＝ｌ／ｎ　时，就会在其路径上发射契仑柯夫光　其中ｍ为　
Ｆｉ ｇ　Ｉ　ｔ　ｕＩｉｉＤ【ｕｌ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　ａｎｄ　ｌ
ｃｅｒｅｎｋｏｖ　ｒａｄｉａｔ ｉｏｎ　１ｎ　
ｏｐｔｉｃ　ｆｉｂｅｒ　ｉｒｒａｄｉａｔｅｄ　ｂｙ　
纤芯的折射率，称风 为光纤中契仑柯夫辐射的闽速度。一个电子　
在其单位路径上发射的契仑柯夫光（光谱范围为ｊ　）光子 数目　
随渡长＾的分布为　
一　
Ｘ—ｒａｙ　
ｃ　～　菩　
其中ｈ为 普朗克常数，２　／ｈｅ一１／１３７．发光光谱分布在紫外、可见和近红外光谱区，光子均　
匀分布在 　电子路径为轴线、　为半有的圆锥表面上，称０　为契仑柯夫辐射角，其表达式　
为ｃｏｓ日　一（　 ），它表明了契仑柯夫辐射的方向性　
欲使注入光纤某横截面的光线被光纤接收，成为受导光线，要求注 八光的方向必须满足　
一
定的几何条件，用光纤的接收角０　表征这一特性，它与光纤的数值孔 径ＮＡ和注八光所在　
＿ｖＡ一　ｌ　ｓｉｎ　
介质的折射率ｍ有关　圆柱形、阶梯折射率分布 的熔融石英光纤．对子午光线有　
固此，在光纤中产生的契仑柯夫光，只有与光纤轴向夹角　≤０　的那 些光子才能被光纤接　
收、成为受导光线　因此，只有满足　，≤　≤弘。条件的那些康普顿电子在光纤 中发射的契仑　
柯夫光的一部分才能成为光纤中的受导光线，不难导出　
１＝Ｉ　ｃｏｓ　（１ ／　）～ＣＯＳ一（１～ＮＡ　／　｝）　
２　ｃｏｓ　（ｎ　励Ｉ）＋ＣＯＳ　（Ｉ一Ⅳ　。　ｆ）　
光纤中使康普顿电子发射的契仑柯夫光成为受导光线的份额．被定义为光纤的接收效率　
。参照图１，设　为光纤轴向和光子发射方向在垂直电子运动方向的平面上投影线之间的夹　
角，｛为 光纤轴向和电子运动方向在垂直Ｘ射线入射方向的平面上投影线之间的夹角，根据　
立体几何有　
ｃ∞巩＝ｃ　札ｃ∞０　＋ｓｉｎ　ｓｉｎ　０　ｃ∞　
ｃｏｓ啦＝ｃ　ＣＯＳ　一ｓｉｎ　ｓｉｎ　 ｃｏｓ　（４）　
满足光线受导条件的　的最大值等于０　，此时　也达到最大值，于是可　导出　２　１　，ｆ　！一、’Ａ：）。　一ｃ。ｓ杯．，　
一　
使　达到最大值的社称为最佳角 度　
。。　ｌ０，　
一　『二—　可ｉ　蔷一　
．可导出　
ｃ０ｓ。。［（　 ｝～ＮＡ　）　／　．　当　＞０　时　
当　≤　时　

光　学　学　报　ｌ　６ 卷　
其中．ＮＡ＝０．２０．　一１．５。当　—Ｉ时．计算出啦　一　７．７　、　
４Ｏ．５ 。、船一５５．８　；图２示出计算的　与　关系曲线　须指　
【ｕ；．；　
一
ｌＩ２ －０】　
出，在后面的灵敏度计算中　是由　、　和０的值算出的。　
２．３光纤对Ｘ射线激发 的契仑柯夫光的灵敏度　
光纤对Ｘ射线在其自身中激发的契仑柯夫光的灵敏度。被　
定义为单位 Ｘ射线通量强度照射单位长度光纤时在光纤中每堕　
位波长宽度内产生的波长为＾的受导契仑坷夫光的光 功率．以ｓ　
表示。基于前两节的讨论，利用有关公式，不难推导出　
ｎ３　ｒ　
・< br>ｒ　
９４×１０　。　Ｊ　ｊ　
ｃ　
ｓｉｎ　
ｓ】ｎ　Ｌ　一　ｎ　< br>：
ｅ＂　
（５）　
其中Ｐ一２．２　ｇ／ｃｒｎ。是石英光纤的密度，ｚ／Ａ一 ０．５是石英光纤原子的电荷数对质量数之比，　
是阿佛伽德罗常数。　的单位常用［　计￣，，Ｘ—－ 　Ｑ　ｕａｎｔｕｍ・ｃｍ・ｎｍ：表示
积函数，它就变成初始变量　、　、；的函数了　有效积分区间 　
。
将（】）至（４）式代入被　
分别表示在　０．　和　
］和ｃＥｏ．２　 ］积分区间内由约束条件（　＞　和　≤　≤　）确定的对灵敏度有贡献的　
积分区间，因此（５）式只 在此区间内进行积分　
用ＦＯＲＴＲＡＮ程序对（５）式积分做了数值计算．图３　
示出计算的 灵敏度与能量的关系曲线。选用的参数是，口　
一
５０１２ＩＴ］．　ｌ一１．ｊ．ＮＡ一０． ２０，　一０．５～８　ＭｅＶ．　＝　
８５０　ｌｌｌ２￣，　，一１　ｎｍ。计算结果表明，当≯一 ４７。时获得最　
高灵敏度，而且有比较平坦的能量响应，当　一４７。、Ｅ＝　
１．５　Ｍｅ Ｖ时．典型的计算结果为　一７．１　５×１　０。　ｎＷ／　
Ｘ－　Ｑｕ　ａｎ　ｕ　ｔｍ
—
・ｃｍ・ｎｍ。由数值计算结果可知６　∞ＮＡ　，　
由公式（５）可知一　∞Ｄ　／　。，即 灵敏度对光纤芯径和渡长　
Ｆｉｇ－３　ＳｅｎｓＲｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｏｐｔｉｃ　ｆｉｂｅｒ幻Ｘ— ｒａｙ　
很敏感　
３光纤探针和测量系统　
３．１构成　
光纤Ｘ射线探针（Ｏ ＦＰ）由光纤和包围它的灵敏度增强体构成，增强体的作用是提高灵敏　
度和消除因Ｘ射线在光纤周围物 质中的散射所造成对灵敏度的影响。增强体材料和尺寸的选　
择应使其在ｘ射线照射下达到电子平衡。当 Ｆ一１～３ＭｅＶ时，选择能将光纤嵌入其中心的　
ｄ　１　０ｍｒｆ］有机玻璃棒是适合的，估算的灵 敏度增强园子。一１０左右，则光纤Ｘ射线探针对ｘ　
射线的灵敏度Ｓ—ｓ　这提供了对Ｓ进行实验标定 的依据。光纤Ｘ射线探针的尾纤耦台到传　
输光纤上　
光纤Ｘ射线测量系统由光纤Ｘ射线探针、 光纤光缆（ＯＦｃｊ传输线、窄带滤光片（ＮＢＦ）和　
光电器件（ＯＥＤ）组成，其系统框图如图４所 示　
窄带滤光片的作用是选择光渡波长和谱线宽度、　。光电器件可选用快速光电倍增管　
（Ｐ ＭＴ）或条纹照相机．对前者可用宽带示波器记录。　

６期　王耀才等　光纤ｘ射线探针 和测量系统８２５　
３．２系统灵敏度和动态范围　
测量系统对Ｘ射线的灵敏度被定义为在单位 ｘ射　
线通量强度照射下，条纹照相机所记录的黑度或光电倍　
增管的阳极输出电流。以后者为 例，系统灵敏度为　
ｓ　一１０。。ｌ一。Ｌ　ＳＩＴＡ），，Ｓ＇／２［ｍＡ　Ｘ—－—Ｑ—ｕ—ａｎ ｆｔｕｍ—　
Ｓ。　¨】　
其中￣［ｃｍＪ为光纤Ｘ射线探针的照射长度，　和　［ｎｍ］　< br>光电倍增管的光阴极灵敏度和增益，　［ｄＢ／ｋｍ］和　
Ｌ［ｋｍ］为光纤光缆的损耗和长度。 　
日　
ｓｙｓｔｅｍ　ｗｉｔｈ　ｏｐｔｊｃ　ｆｉｂｅ￣　
为窄带滤光片的透射率和 光谱宽度，Ｓ　［ｍＡ／Ｗ－和Ｇ为　
Ｆ　．４　Ｃｏｎｆｉｇｕｒａｔｉｏｎ　ｏｆ　Ｘ　ｒａｙ　ｍ ｅａｓ　ｒｅｍ曲ｔ　
系统可测量的最低Ｘ射线通量强度　：当要求在系统分辨时间　［ｎｓ］内光阴极 产生光电　
子数目的相对起伏为５　时．可以表示为　
ｆ　：　
。。
ｌ×　< br>ＳｌＳ
．
加’　Ｓ　
！：ｘ
Ｑｕａｎｔｕｍ“．ｃ　］
—一一　…‘　
系统可测量的最高Ｘ射线通量强度，。：主要由长度为ｆ的光纤Ｘ射线探针所容许的辐 照　
非线性／５＇ｕ［ｄＢ］、抗辐照水平　［ｄＢ／最‘ｍ：和射线脉冲的持续时间ｔｏ［ｎｓ］决定 ，（其中最表示　
库仑每千克）可以导出　
ｔ２一　［　
系统测量的动态范围为　Ｘ　Ｑ　ｕａｎｔｕｍ］　
ｓ　竽・　
口　
３，　
一３．５．　一１０． 计　
ＤＲ！　
Ｌ
一１　２．１×１　０　
　
对如下参数（单位从略， 上文已给出）：ｆ一１０．　
１　
：１．１　６３，　一０．３．Ｌ＝０．５，　
８５ ０，Ａ　：２０，Ｔ：０．７，ｓ　一１　３０，０—２×１０　．ｓ一８×１　０　。，　
算出：最　 一２×１　０　。，，Ｌ　Ｉ　１．８×１　０　，，２　１　２×１　０　．ＤＲ：１１］。　
３．３ 系统的时间响应　
光纤Ｘ射线探针：由几何条件引起的信号最大时延差为ｔ－一　（ｎ　
此．光 纤ｘ射线探针脉冲响应的宽度为　＝０．２８　１３ｓ　
ｏ０ｓ　）／ｃ．当　＝１　０　
∞， 　＝４７。时，　一０．２７　Ｈｓ；由契仑柯夫辐射原子退激发产生的时间展宽最大为０　１　１３ｓ。因　< br>光纤光缆：对多模梯度石英光纤，当Ｌ—Ｏ．５　ｋｍ时，模式色散产生的脉冲展宽可达到Ｏ．　
２　Ｈｓ；当　Ｉ　８５０　ｎｍ、　＾一２０　ｎｒｉ３和５　ｎｍ时，材料百散导致的脉冲展宽分别为１　Ｄ Ｓ和０．２５　
ｎｓ（取材料色散系数为０．１　ｎｓ／ｋｍ・ｎｍ）。因此，当　一２０　ｎｇｌ和５ 　ｎｍ时，０．５　ｋｍ长的光纤　ｆ
光缆脉冲总展宽分别为１　ｎｓ和０．３２　ｒｌ＆。　
光电倍增管：普通快速光电倍增管和微通道板（ＭＣＰ）光电倍增管的脉冲展宽分别为２　ｎｓ　
和０． ３１３ｓ。　
ｘ射线测量系统的脉冲展宽最小可达到０．７　ｎｓ，最大（相当于最低配置）为２．７　 ｉ１ｓ　
４实验与分析　
光纤Ｘ射线探针的灵敏度标定实验装置如图４所示，单次闪光的Ｘ光机 主要由直流电　

光　学　学　报　
源、电压脉冲发生器、脉冲成形器、二极管和 靶室组成，可产生宽度为２０～１　００　ｎｓ的Ｘ光脉　
冲，ｘ射线的平均能量为２　ＭｅＶ。ｘ射线 通量强度的恻量方法如下：用ＬｉＦ玻璃受照射后的　
热释光效应测量单次闪光脉冲的累积剂量．同时用 ＳＴ４　０１塑料闪烁体和光电二极管构成的闪　
烁探测器测量闪光的脉冲波形，这样就可计算出探针处 Ｘ射线的通量强度，其典型值为３×　
１　０　Ｅｘ　Ｑｕａｎｔａｍ／ｓ・ｃｍ　：　
实验条 件如下：光纤探针由ｄ　ｌ　０　ｍｍ有机玻璃棒和Ｇｅ・Ｐ・Ｓｉ系梯度光纤构成，光纤光　
缆采用Ｓ ｉＯ　・ＧｅＯ　梯度光纤，长度为Ｌ＝１．０２　ｋｍ。光纤Ｘ射线探针和光纤光缆光纤的芯直　
径均 为Ｄ一５０　ｂｍ，ＮＡ：０．２０，　＝１．５．它们的其它参数以及窄带滤光片和光电倍增管的参　
数与上述２．３节和３．２节计算时采用的参数值相同。光电倍增管测量的信号经３ｍ长电缆传　
送给宽 带示波器（ｏｓｃ）。　
实验初始数据是从示波器屏幕上取得的０．３　ｖ电压波形，相当于光电倍增管 输出４　ｍＡ　
电流，由此算出实验系统的Ｓ　＝１．３Ｘ１　０一ＬｍＡ，—Ｘ　Ｑｕ　ａｎ　ｔｕ— ｍＪ￣
再由它的表达式代入相应参　
，
数值，便可求出标定结果为Ｓ－一８Ｘ１　０一 Ｅｎｗ，—Ｘ　Ｑｕ　ａ　ｎｔｕｍ・Ｂｍ・ｎｍ］
渡形的典型宽度为８２　
，
ｌｆＳ ，波形光滑无起伏　
若取　一１　０，则　的计算值偏低１　２　理论计算用了光纤对子午光线的　，实 际上光纤　
中存在大量的斜光线，而它的ＮＡ较前者为大，因此导致理论结果偏低。本文旨在建立光纤Ｘ 　
射线探针的数学模型，用计算结果指导标定实验，最终以标定值为准　本系统对频带而言采　
用了最低配置，其上升时间为２．８　ｎｓ。　
结论理论和实验结果表明，这种新型的光纤Ｘ射线探针和 测量系统是可应用的。使用条　
件是在光纤Ｘ射线探针前加准直器并保证　＝４７。，其灵敏度和时间响 应可以通过系统不同　
的配置进行调节，最佳系统的响应时间为亚毫微秒级。　
参
１］ Ｋ．Ｓｉｅｇｂａｈｎ＋　Ａｌｐｈａ　Ｂ幽　Ｇａｍｒｒ￣一Ｒａｙ　
考　文
∞　
献 　
Ｖｏ１．１．ｈｍｓｔｅｒｄａｍ　Ｐｒｅｓｓ．ＡｍｓＣｅｒ如　．１９６５：５４～５９　
Ｏｐｔｉｃ　Ｆｉｂｅｒ　Ｘ—Ｒａｙ　Ｐｒｏｂｅ　ａｎｄ　Ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　Ｓｙｓｔｅｍ　Ｗａｎｇ　Ｙａｏｃａｉ　
（ＤＰ　ｍ衄　
Ｓｈｉ　Ｙｉｗｅｉ　Ｗａｎｇ　Ｑｕｎｗｅｉ 　
唧　班聊　，Ｃｈｉｎａ　Ｕｎｌ￣ｓｉ＊ｙ　ｏｆ＾赫　ａＭ　ＴｅｃｈｗＸｏｇｙ，Ｘｕｚｌｕｍ 　２２１　００８）　
（Ｒｅｃｅｉｖｅｄ　３１　Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９９４；ｒｅｖｉｓｅｄ　１１ 　Ｏｃｔｏｂｅｒ　１９９５）　
Ａｂｓ仃ａｃｔ　Ｂａｓｅｄ　ｏｎ　ｔｈｅ　Ｃｅｒｅｎｋｏｖ　ｒ ａｄｉａｔｉｏｎ　ｏｆ　ｅｌｅｃｔｒｏｎｓ　ｆｒｏｍ　ｔｈｅ　Ｃｏｍｐｔｏｎ　ｓｃａｔｔｅｒｉｎｇ　 ｏｆ　
ｔｈｅ　Ｘ－ｒａｙ　ｉｎ　ｏｐｔｉｃ　ｆｉｂｅｒ，ａｎ　ｏｐｔｉｃ　ｆｉｂｅｒ　Ｘ－ｒ ａｙ　ｐｒｏｂｅ　ａｎｄ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｓｙｓｔｅｍ　ｃａｎ　ｂｅ　
ｃｏｎｓｔｒｕ ｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ｔｈｅｏｒｅｔｉｃａ１　ａｎｄ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌ　ｓｔｕｄｙ　ｈａｖｅ　ｂ ｅｅｎ　ｃｏｎｄｕｃｔｅｄ．Ｔｈｅ　ａｎａｌｖｔｉｃａＪ　
ｅｘｐｒｅｓｓｉｏｎ　ｆｏｒ　ｔｈ ｅ　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ　ｏｆ　ｔｈｅ　ｐｒｏｂｅ　ｉｓ　ｄｅｒｉｖｅｎ　ａｎｄ　ｉｔｓ　ｃａｌｃ ｕｌａｔｉｎｇ　ｒｅｓｕｌｔ　ｉｓ　ｇｉｖｅｎ．Ｗｅ　
ｈａｖｅ　ｍａｄｅ　ｔｈｅ　ｃａｌｉｂ ｅｒａｔｉｏｎ　ｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ　ａｎｄ　ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ　ｔｈｅ　ｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ　ｄ ｙｎａｍｉｃ　ｒａｎｇｅ　ａｎｄ　
ｔｊｍｅ　ｒｅｓｐｏｎｓｅ　ｏｆ山ｅ　ｓｙｓｔｅｍ．　Ｋｅｙ　ｗｏｒｄｓ　ｏｐｔｉｃ　ｆｉｂｅｒ　ｐｒｏｂｅ，　Ｃｅｒｅｎｋｏｖ　ｌｉｇｈｔ，Ｘ－ｒａ ｙ，　ｓｅｎｓｉｔｉｖｉｔｙ