使用761型伽马能谱仪 测量激光产生的轫致辐射的能谱

许多爱好者喜欢将调q的纳秒激光聚焦在固体上打出五颜六色的等离子体。

还好大家的聚焦透镜质量不好,也没有准确的安装,不然常见的爱好者级大号YAG激光(1J 2ns)用f/1透镜聚焦到1um光斑直径在固体表面会产生几KeV甚至几十KeV的轫致x光,其转换效率之高,剂量之大,就算在空气中打这样的固体靶,也十分危险,要是好好的调整透镜角度,早就可以在新闻上看到这些故事了,那样的话省去了我许多的打字功夫。。。。而实际情况因种种原因要安全许多。

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查阅文献,可见若是打铜金属固体,可以得到如下的最高轫致能量

电子温度kT ~ 130 keV Sqrt{I / 10^17 W cm-2 }

取1J 2ns 10mm光束直径,10mm焦距离轴抛物面镜或非球面f/1透镜聚焦,I(能量密度)达到1.27 * 10^17 W/cm^2,要是激光条件完美是可以产生100KeV截止的轫致辐射的,结合轫致辐射能谱形状,其低能部分因为没有普通x光管的玻璃阻挡,完整的辐射出来,那是要至少脱一层皮的。。。

IMG_1947.jpeg


好在大部分人在空气里打固体,这么大的激光首先会在电离空气过程中浪费能量,导致实际固体靶上的功率密度远远没有那么高,相对较安全,但是云母窗盖格计数器亲测是可以测到大量软x射线的。这时候因为x射线时间很短,计数器当做了一个粒子事件,显著的低估了剂量,需要挪到很远的地方,靠4pi衰减,远到盖格计数器几乎测不到的地方,再统计出实际剂量。


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[修改于 1年2个月前 - 2023/04/08 03:51:36]

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~~空空如也
UICalc
1年2个月前 IP:上海
919170

应该是篇好文,但看不到,就不点赞了 sticker

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大仙
1年2个月前 IP:上海
919174

请教下大佬,这个能用在杀菌上吗?

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S.D.P
1年2个月前 IP:江西
919251

虽然我想看,但是看不到,但是赞还是要点的。

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5free
1年2个月前 IP:江苏
919253

可惜看不到

曾在  https://www.kechuang.org/t/86688 看到 “  对于文献上所见的新放射源技术,必须足够谨慎对待,不可主观臆测、贸然实验。例如,用飞秒激光打磁带,看起来没多大动静,但是只需打几个脉冲,就可能打出100%致死剂量(10Gy),超过很多人的想象空间,容易轻视其危害。事故源于无知和盲目自信,必须高度警惕。”

大抵上说的就是这种了

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虎哥
1年2个月前 IP:四川
919257

脉冲辐射的测量是个难题,还是得热释光或者胶片之类的测量手段靠谱,如果要用现代方法监测,电路需要特殊设计。

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kinako猫猫
10个月25天前 IP:江苏
923535

看完之后咱自己也去试了一下。似乎不需要很大功率,洗眉机几MW的激光聚焦之后打在铜片上,云母窗就能测到。(但是要对准焦点,位置放靠前或者靠后都没有反应)

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RodTech作者
10个月25天前 IP:英国
923536
引用kinako猫猫发表于6楼的内容
看完之后咱自己也去试了一下。似乎不需要很大功率,洗眉机几MW的激光聚焦之后打在铜片上,云母窗就能测到...

洗眉机也能打出来实属奇怪,可能有一些非线性效应。往夸张了估算,大约0.5J, 5ns, 也才100兆瓦,按说还是小了点,加上在空气中,提前击穿了实际上到了金属片上能量已经没多少了。这么看来,一张烤箱铝箔应该能够挡住射线,最好的情况可能只有几kev。不过看看文献,这个量级激光也有作为微焦点x射线源用的,可能我的估算不准确,实际能量没这么低。


功率密度要够高,功率低了把电子烧热的温度也低了,产生的辐射就小了。焦点附近 随便偏移一点,就是成百上千倍的功率密度变差。


可以先扩束到1英寸,再用优质1英寸直径1英寸焦距镜片聚焦,此时只有几um范围内是聚焦正确的,弄一个千分头挪动扫描,就可以得到极大的辐射了。

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kinako猫猫
10个月24天前 IP:江苏
923559
引用RodTech发表于7楼的内容
洗眉机也能打出来实属奇怪,可能有一些非线性效应。往夸张了估算,大约0.5J, 5ns, 也才100兆...

咱也有点奇怪…而且射线还能穿透铝箔,就是那种家用铝箔,贴在云母窗那个位置还能测到。

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kinako猫猫
10个月24天前 IP:江苏
923560
引用RodTech发表于7楼的内容
洗眉机也能打出来实属奇怪,可能有一些非线性效应。往夸张了估算,大约0.5J, 5ns, 也才100兆...

可能击穿空气不会损失太多能量?感觉打在空气中等离子体远没有打在金属那么响。

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RodTech作者
10个月24天前 IP:英国
923576
引用kinako猫猫发表于8楼的内容
咱也有点奇怪…而且射线还能穿透铝箔,就是那种家用铝箔,贴在云母窗那个位置还能测到。

那大概是我的估算错了,实际上要更加厉害,这是令人惊讶的。。值得复现一下然后记载下来,还好大部分爱好者打剃须刀片都是把q开关拆掉,用毫秒脉冲实现的

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kinako猫猫
10个月23天前 IP:江苏
923603
引用RodTech发表于10楼的内容
那大概是我的估算错了,实际上要更加厉害,这是令人惊讶的。。值得复现一下然后记载下来,还好大部分爱好者...

今天录了个视频awa

是云母窗贴一层铝箔之后的测试

另外再空气中大概也是只能走几厘米。(很奇怪,估计可能因为能量相对高的射线占比很少,加上平方反比衰减就不太容易测的到了,也有可能铝箔太薄了)

也排除过其他干扰,比如激光器本身的放电,都不会引起计数。如果是冲击波的作用那应该就对铜片摆放位置关系不大,总能量一定就可以。但是事实上必须很准确卡在焦点才会有计数(而且冲击波强到电离空气也不太可能,真那么强云母窗应该会破掉)。基本可以肯定就是射线的作用了。

FullSizeRender.mp4 点击下载


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kinako猫猫
10个月23天前 IP:江苏
923604
引用RodTech发表于10楼的内容
那大概是我的估算错了,实际上要更加厉害,这是令人惊讶的。。值得复现一下然后记载下来,还好大部分爱好者...

之前咱也看过一些纳秒激光打锡靶的文章,大概每平方厘米0.1太瓦会有80万k的电子温度。那个透镜聚焦之后大概20um的光斑,洗眉机按几兆瓦算的话,大概就接近每平方厘米1太瓦(不过只是估算啦w)这样的话产生少量kev的射线似乎也可能?但是量应该不多,所以拿远了就不太能测到。

(只是猜测一下啦,也有可能就是单纯空气吸收)

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KKshell999
8个月12天前 修改于 8个月11天前 IP:云南
926251

铝箔可以穿透,铝箱边缘也可以探测到,莫非要用铅?

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coulson21
2个月7天前 IP:安徽
931295

关于761测量的能谱,可以从数学上推断出是有问题的。

探测器假如有20%的概率会探测到一个光子,那么就有20%的平方,也就是4%的概率同时探测到两个光子(761无法分辨出一个脉冲的两个光子),有0.8%的概率同时探测到三个光子。

这实际上会使得761实际显示的能谱是真实能谱的组合,也就是

$$count(E) = \sum_{i=1}^{+inf}P_0^i\times count_0(E*i)$$


另一方面,从激光的功率密度来说,似乎就不应该能产生这么高能的射线

我建议如果想要验证出线的能谱,应该使用不同厚度的铝阻挡CR/DR板,测量阻挡后的射线强度,然后使用反拉普拉斯变换获得能谱


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RodTech作者
2个月7天前 IP:美国
931305
引用coulson21发表于14楼的内容
关于761测量的能谱,可以从数学上推断出是有问题的。探测器假如有20%的概率会探测到一个光子,那么就...

的确是有问题的,固体靶也不应该产生这么热的电子。因为是给学生玩的小实验没有仔细分析,当时推测是因为我们有预脉冲,产生了自聚焦,实际场强比按照数值孔径算出来的高很多。


ip板加不同材料和厚度阵列也做了,效果不佳,并没有测到上百KeV的光子,全是低能的。

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twz562
2个月6天前 IP:山东
931323
引用coulson21发表于14楼的内容
关于761测量的能谱,可以从数学上推断出是有问题的。探测器假如有20%的概率会探测到一个光子,那么就...

感觉这个模型也有些值得推敲的地方:

首先,当激光脉冲是2ns时,这个时间尺度已经远低于闪烁体的上升时间和下降时间,相当于给系统一个冲击响应,不论期间会产生多少个光子,系统都会认作一个光子,如果光子数非常多,则会导致这个光脉冲的能量变得非常大,产生的脉冲可以会远高于系统内部运放的到轨电压,导致系统饱和,最后只获得一个可能远低于实际脉冲高度的信号。如果是这样的,则这个脉冲的顶部会削掉一部分,此时信号会出现一个比较明显的拐角,这可能会让主信号后面出现若干毛刺。如果信号没有达到到轨电压,则这个拟合的信号与实际辐射强度符合的较好。

其次,装置打出的是一束低能光子流,排除周围介质的吸收,闪烁体对低能射线的探测效率几乎是100%,如果系统对高能射线的探测效率做了修正,即通过算法提高了高能射线的强度,则会把这个低能光子束误认为是一个高能光子,造成测量数值偏大。

再次,还是基于闪烁体对低能射线的探测效率比较高,假设有10个光子同时进入闪烁体,闪烁体对单光子的探测效率为90%,若能谱不发生重叠,则只能这10个光子中每次只探测一个,则概率为C(10,1)*0.9*0.1^9,这个概率还是非常低的,10个同时测到的概率为0.9^10,大约34%。考虑到闪烁体的分辨率,整体能谱基本上糊成一条平滑的曲线了。如果这个情况是气体探测器的话,因为探测效率比较低,则大概率能分辨出能谱。


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RodTech作者
2个月5天前 IP:美国
931392
引用twz562发表于16楼的内容
感觉这个模型也有些值得推敲的地方:首先,当激光脉冲是2ns时,这个时间尺度已经远低于闪烁体的上升时间...

第一点不用考虑,我就站在旁边,我还活着。。没有那么强,周围的热释光也没有响应。帖子里也描述了用4pi衰减到约5个事件中只有1个被761探测到,显然是不存在运放饱和这种事情的。


第二点也不用考虑,原因同上。


第三点概率算错了。具体怎么算参考14楼。就算算对了,为什么是光滑曲线的解释也是不对的。产生多事件堆叠的情况,会不会把能谱糊成一条平滑曲线,要看具体情况,绝大部分情况是不会的。可以参考一下闪烁体能谱仪相关资料。具体症状常为峰还在,底抬高了。


这个结果从仪器角度来看是比较可信的,4pi衰减到约5次事件看到1个是光子计数常用的选择。然而从物理过程角度看是不可信的,需要从理论上深究产生原因。

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虎哥
2个月5天前 修改于 2个月5天前 IP:四川
931393
引用RodTech发表于17楼的内容
第一点不用考虑,我就站在旁边,我还活着。。没有那么强,周围的热释光也没有响应。帖子里也描述了用4pi...

这个可能要考虑碘化铯的特点和触发器的实现原理。主贴未记载在单个脉冲后计数率的变化情况,后续逐渐衰减的高能谱很可能都是余辉引起的,而真正的主脉冲累积于1600道左右,由于事件数量少反而很不起眼。

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RodTech作者
2个月5天前 IP:美国
931394
引用虎哥发表于18楼的内容
这个可能要考虑碘化铯的特点和触发器的实现原理。主贴未记载在单个脉冲后计数率的变化情况,后续逐渐衰减的...

记得csv应该是有每个事件的时间和峰高?我让人分析一下,激励重复频率100hz,应该20cps左右合理。且间隔要是10ms的倍数

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虎哥
2个月5天前 IP:四川
931395
引用RodTech发表于19楼的内容
记得csv应该是有每个事件的时间和峰高?我让人分析一下,激励重复频率100hz,应该20cps左右合...

我记得是没有,这个数据量可以很大,没法大量缓存,只能不停地写入TF卡,然后就巨费电。

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