不同能量光子輻照電纜響應規律研究

李進璽，程引會，李寶忠，吳 偉，馬 良，朱 夢，周 輝

（西北核技術研究所，陜西 西安 710024）

脈沖X射線引起的電子系統效應主要包括系統電磁脈沖（System Generated Electromagnetic Pulse，SGEMP）、內電磁脈沖（Internal EMP，IEMP）和電子系統瞬態輻照效應（Transient Radiation Effect in Electronics，TREE）。與電子系統相連接的線纜瞬態輻照響應是SGEMP效應研究的內容之一，電子系統中常見的線纜主要有：屏蔽電纜、導線和線路板布線等。該瞬態輻照響應輕則干擾、重則損傷與線纜相連的電子系統。本工作在文獻［1－2］的基礎上，采用時域傳輸線（TL）方法，對不同能量光子輻照同軸屏蔽電纜的瞬態響應規律進行研究。由電子打靶而產生的脈沖X射線環境中，不可避免地含有一定比例的電子成分。為了更好地分析實驗結果、合理有效地利用輻射模擬裝置開展SGEMP效應研究，對單能電子經不同靶材料發生韌致輻射后在電纜上的瞬態輻照響應也進行研究。

1 計算模型及方法

圖1為同軸電纜模型示意圖。同軸電纜受到脈沖X射線輻照時，護套、屏蔽層、芯線以及介質層有一部分正、負電荷沉積，還有一部分電子逃逸到電纜外部空間中。一般情況下，金屬的光電產額較介質的大，介質內的沉積電荷為負，導體內的沉積電荷為正。由于介質層負電荷的作用，芯線正電荷中僅有一部分用來產生瞬態電流，而另一部分用來產生靜電場，逃逸到電纜外部空間中的電子對瞬態電流和靜電場則均無貢獻。因此，在電纜介質層內電荷分布沿圓周方向對稱的假設條件下，如果已知芯線正電荷和介質層負電荷的徑向分布，即可利用高斯定理計算得到介質層內的電場分布，通過對電場分布進行積分可得到電纜芯線和屏蔽層間的電勢差。由于同軸電纜單位長度的分布電容已知，由實驗［3］可知，線纜X射線瞬態響應波形與X射線注量的時間變化波形一致。因此，電勢差U對時間t的變化率與X射線注量的時間變化一致，傳輸線模型中的電流I＝CdU／dt，其中：C為電容。

TL方程的差分格式參見文獻［2，4］，求解TL方程可得到電纜任意位置的電流電壓響應。

圖1 屏蔽電纜受輻照的幾何模型Fig.1 Model of irradiated shielding cable

2 計算結果及分析

計算中，X射線時間譜為高斯脈沖y（t）＝exp（－4π（（t－t0）／τ）2），其中，t0＝16ns，τ＝20ns。電纜型號為SYV－50－1，受輻照長度l＝1m，電纜芯線兩端接匹配負載，屏蔽層接地。射線與材料作用采用蒙特卡羅方法計算。

2.1 不同能量光子輻照電纜時的響應

計算中，光子注量為4.2J／cm2。圖2示出光子能量不同時電纜負載電壓波形，圖3示出電纜負載電壓峰值與輻照光子能量的關系曲線。

圖2 光子能量不同時電纜負載電壓波形Fig.2 Waveforms of voltage for different photon energy

圖3 電纜負載電壓峰值與輻照光子能量的關系Fig.3 Peak values of cable load voltages for different photon energy

由圖2、3可看出，輻照光子能量較小時電纜響應為負，且存在峰值；光子能量增大到一定值后，電纜響應出現極性變化，響應極性發生變化時的光子能量約為850keV，且光子能量大于2MeV后繼續增大光子能量對電纜響應幅度的影響很小。光子能量較大時，導體和介質材料的光電產額差別不大，所以光子能量增大到一定值后，電纜響應幅度變化很小。

圖4示出不同能量單能光子輻照電纜時每個輻照光子對應的電荷沉積。由圖4可看出，電纜受不同能量光子輻照時，芯線和屏蔽層的沉積電荷為正，介質層沉積的分布電荷為負，但光子能量不同時，芯線、介質層以及屏蔽層三者沉積電荷的相對值不同，同時，沉積電荷在介質層內的分布也不同。因此，電纜響應的極性由芯線、介質層以及屏蔽層三者沉積電荷的相對值和沉積電荷在介質層內的分布共同決定。

圖4 不同能量單能光子輻照電纜時的電荷沉積Fig.4 Distributed charge for different photon energy

為了說明負電荷在介質層中的分布對電纜響應的影響，圖5示出介質層中電荷所處位置不同時的電纜響應，計算條件為：電纜芯線沉積電荷9.88×10－6C，介質層沉積電荷－6.13×10－5C。由圖5可看出，負電荷在介質層中的分布不同時電纜響應也不同，當負電荷靠近電纜芯線時，負載電壓響應為負；當負電荷靠近電纜屏蔽層時，負載電壓響應為正。

圖5 介質層電荷位置不同時的電壓Fig.5 Voltage for medium charge in different positions

2.2 韌致輻射環境輻照電纜時的響應

計算條件為：電子能量1MeV，韌致輻射電子密度1014cm－2。靶材料為：1）鉭膜，厚0.5mm；2）0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜，光電子出射材料為鋁膜。

圖6示出計算得到的韌致輻射光子能譜，圖7示出韌致輻射光子和前向電子在電纜上電壓響應時間波形的比較，圖8示出穿過兩種靶材料的前向電子在電纜上的沉積電荷分布。表1列出前向電子和韌致輻射光子在電纜上電壓響應最大值的比較。

圖6 韌致輻射光子譜Fig.6 Bremsstrahlung photon spectra

圖7 韌致輻射光子和前向電子產生的響應Fig.7 Waveforms of voltage for bremsstrahlung photons and forward electrons

圖8 前向電子在電纜上的沉積電荷分布Fig.8 Distributed charge of cable for forward electrons

表1 電壓響應最大值的比較Table 1 Comparison of voltage peak value for different targets

由圖6可看出，1MeV的單能電子經0.5mm鉭膜和0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜產生的韌致輻射光子譜差別不大。以靶材料為0.5mm鉭膜為例，韌致輻射光子譜的能量峰值約為250keV，最高能量不超過1MeV，小于850keV的光子能譜在總能譜中所占份額大于96%，850keV以上能量的光子在韌致輻射譜中所占份額很小，即電纜上的響應主要由小于850keV的光子產生，按圖3所示不同能量光子的響應規律推斷，1MeV的單能電子韌致輻射光子譜在電纜上的電壓響應為負值，這與圖7所示結果一致。

由圖7可看出，1MeV的單能電子經靶材料發生韌致輻射后在電纜上的瞬態輻照響應是前向電子和光子在電纜上響應的綜合，兩者在電纜上的電壓響應均為負值。

由圖7和表1可知，靶材料為0.5mm鉭膜時，前向電子的響應大于韌致輻射光子的響應，兩者之間相差1.8倍左右；靶材料為0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜時，前向電子的響應小于韌致輻射光子的響應，兩者之間相差2.5倍左右；因為兩種靶材料產生的韌致輻射光子譜差別不大，只是鋁膜衰減了一部分的光子，所以，兩種韌致輻射光子環境在電纜上的響應差別不大；靶材料為0.5mm鉭膜＋0.5mm鋁膜時，前向電子產生的響應較0.5mm鉭膜時減小了至少5倍。因此，SGEMP實驗中，可在原子序數大的靶材料后面增加一定厚度的原子序數較小的材料來衰減前向電子，從而在對韌致輻射光子環境影響不大的情況下減小韌致輻射X射線裝置中前向電子的干擾。

由圖8可看出，前向電子在電纜芯線、介質層以及屏蔽層的沉積電荷均為負值，靶材料增加0.5mm鋁膜后，衰減了一部分的前向電子，從而導致了前向電子在電纜上響應的減小。

3 結論

利用時域傳輸線方法研究了電纜瞬態輻照響應規律。光子能量不同時，電纜響應極性不同，對于型號為SYV－50－1的電纜，極性發生變化時的光子能量約為850keV，但光子能量增大到2MeV后電纜響應幅度變化很小。計算了1MeV的單能電子經不同靶材料發生韌致輻射后在電纜上的瞬態輻照響應。在SGEMP實驗中，可在原子序數大的靶材料后面增加一定厚度的原子序數較小的材料來減小韌致輻射X射線裝置中前向電子的干擾。

文中采用的方法對于分析和預測脈沖X射線輻照電纜時的響應規律及有效地進行脈沖X射線防護具有重要意義。同時，本文得到的結果對于電纜的SGEMP實驗方案的設計及合理有效地利用輻射模擬裝置開展線纜的SGEMP效應研究具有一定的指導意義。

［1］李進璽，程引會，周輝，等.屏蔽電纜對脈沖X射線響應的數值計算［J］.強激光與粒子束，2006，18（6）：981－984.LI Jinxi，CHENG Yinhui，ZHOU Hui，et al.Response of shielding cable to pulsed X－rays［J］.High Power Laser and Particle Beams，2006，18（6）：981－984（in Chinese）.

［2］李進璽，程引會，周輝，等.用傳輸線和時域有限差分法計算電纜X射線響應［J］.強激光與粒子束，2007，19（12）：2 079－2 082.LI Jinxi，CHENG Yinhui，ZHOU Hui，et al.Calculation of coaxial line X－ray responses by transmission line method and finite difference time domain method［J］.High Power Laser and Particle Beams，2007，19（12）：2 079－2 082（in Chinese）.

［3］ZHONG Yufen，ZHOU Hui，LI Baozhong，et al.The research of braided shielding cable responses in DPF X－ray environments［C］∥Proceedings of the 9th National Conference on Nuclear Electronics ＆ Nuclear Detection Technology.Beijing：［s.n.］，1999：239－242.

［4］HIGGINS D F，BARBARA S.Time－domain calculation of the leakage of SGEMP transients through braided cable shields［J］.IEEE Trans Nucl，1989，36（6）：2 042－2 049.