CN101042976A - 重复频率快脉冲硬x射线发生器 - Google Patents

Abstract

一种重复频率快脉冲硬X射线发生器，本发明的二极管是由固定支撑筒和滑动支撑筒部分套接构成，其间用波纹管密封连接，并在套接部位轴向设有槽轨，外部再套有旋转外筒，能带动滑动支撑筒沿槽轨运动；在腔内轴线上设有阴极连杆，其前端为阴极靶；在二极管腔内固定设有锥形密封圈将腔体分为前真空室和后油腔；在二极管前外端固定装有阳极组件。本发明将二极管设计成活动的结构，解决了电源的稳定性、二极管真空密封、动定支撑的同轴度、在线灵活调节等技术难题；在不破坏真空前提下，实现了灵活调整纵横比，建立了电流测量探头；具有结构灵活、可重复频率或单次运行，以及脉冲宽度、强度、能谱连续可调的优点，弥补了现有技术不足，为新型快响应探测器的研制应用、建立快脉冲硬X射线计量标准、二极管物理机制研究和脉冲射线动态成像技术提供了理想的辐射场。

Description

重复频率快脉冲硬X射线发生器

技术领域

本发明属于重复频率快脉冲硬X射线源结构的改进，具体是真空电子束二极管结构的改进，涉及脉冲功率应用技术领域。

背景技术

真空电子束二极管是产生脉冲硬X射线的一种装置，其结构原理是：将性能稳定的重复频率快脉冲电压加在二极管阴阳极间，阴极靶面出射电子束，在脉冲电场作用下加速运动至阳极靶，通过碰撞和辐射转换能量，产生特征X射线和轫致辐射谱相互叠加的快脉冲硬X射线辐射场，脉冲电压的运行频率、电压参数及其稳定性主要由脉冲功率电源控制，射线的能谱及强度等参数由二极管的结构参数决定。

稳定性好、可重复频率运行的快脉冲硬X射线发生器，在脉冲射线测量系统的时间响应标定以及辐射成像等领域有着重要的作用。目前市场有售的四用辐射仪、便携式闪光X射线检查仪、单次纳秒脉冲发生器等装置均可以产生纳秒量级的快信号，其大都为纳秒以上脉冲(不够快)，存在有单次运行、稳定性不好、运行方式以及辐射场参数调整不灵活的缺陷；少数装置产生的脉冲也可以达到亚纳秒量级。在快脉冲硬X射线发生器方面以俄罗斯生产的四用辐射仪为代表，其工作原理是：由marx发生器产生脉冲电源来驱动三个独立的通道，各通道配有固定结构的二极管来产生脉冲硬X射线，前两个通道输出的快脉冲电压宽度分别为2ns、150ps的X射线辐射场，另一个通道可以产生脉冲宽度为0.2ns的特征X射线。该设备虽然可以产生快脉冲硬X射线，但其储能时间长，且二极管结构固定、难以更换阴极靶材料，无法调节二极管纵横比，没有电流监测手段，辐射场运行的灵活性和稳定性也不好。这些缺陷无法满足快响应探测器标定等应用领域对稳定、参数灵活控制的快脉冲硬X射线辐射场的需求。

另外是，对常规小型二极管难以建立有效的电流监测手段。

发明内容

本发明的目的就是设计一种重复频率快脉冲硬X射线发生器，使其具有灵活的结构，可以在线调整发生器的工作电压、脉宽、纵横比等参数，从而获得运行灵活的稳定纳秒、皮秒脉冲硬X射线辐射场，为脉冲射线测量的快响应探测器标定、建立快脉冲硬X射线标准场，以及快脉冲射线测量技术研究等应用领域提供合适的快脉冲硬X射线辐射场。

本发明的重复频率快脉冲硬X射线发生器，需要实现二极管结构纵横比灵活可调，解决该活动结构与真空密封的矛盾，和射线束稳定性以及建立电流监测探头的技术目标。本发明是将二极管设计成径向绝缘型二极管，在确保阻抗匹配的原则下，着力解决电绝缘、真空密封、快电子发射、快电压电流测量的技术难题。

本发明的重复频率快脉冲硬X射线发生器的具体技术方案如下：

1)所述二极管的腔体是由固定支撑筒和滑动支撑筒部分套接构成，在两部分间用波纹管密封连接，确保滑动支撑筒在固定支撑筒上滑动中二极管真空不受影响，并在固定支撑筒和滑动支撑筒套接部位轴向设有槽轨，确保滑动时内外筒电极的轴向同心；在二极管的外部再套有旋转外筒，在传输中50Ω阻抗匹配和不破坏真空条件下，通过旋转外筒能带动滑动支撑筒沿所设槽轨运动，实现纵横比的在线调整；所述的固定支撑筒末端与二极管底座连接环连接固定，在二极管腔体内轴线上设有阴极连杆，阴极连杆的前端为阴极靶，在阴极连杆与固定支撑筒内壁间固定设置有锥形密封圈将腔体分为前后两个腔，前腔为真空室，后腔为油腔；在所述的二极管前外端(滑动支撑筒前外端)装置有阳极组件，并以阳极压圈固定。其中阳极组件由里至外分别为阳极膜(靶)、支撑花盘、真空密封膜。所述波纹管的密封连接，可以通过固定支撑筒上的后压块和滑动支撑筒上的前压块与波纹管密封连接。所述的滑动支撑筒末端的导电簧片呈外张栅栏状，以保证两支撑筒间的导电性能。在整个安装中要确保轴线同心和油密封，以及结合处的电绝缘和真空密封。本发明二极管真空室所用真空系统采用本领域常规的技术方法。

2)建立二极管运行监测探头，实现纳秒到亚纳秒级高电压、脉冲强电流的实时测量，其要求测量探头具有响应快、衰减倍数大、抗电磁干扰及较大的信噪比等特点。本发明采用微分环作为电流探头、伞型电容分压器作为电压探头对二极管运行状态进行监测；两探头径向对称安装在滑动支撑筒体前端，位于阴极头末端垂直位置处；其中电流测量探头的前端裸露于滑动支撑筒内壁的凹槽内，确保安装不影响传输线50Ω阻抗的匹配，同时尽量减小测量的分布参数；电压测量探头的伞形电容分压器的薄片电极粘覆在滑动支撑筒内壁上，输出部分与示波器相连。

3)为了建立所需要的辐射场，本发明选择的快脉冲功率电源除要求传输线输出阻抗匹配和其接口与二极管接口匹配外，还应具备：脉冲电压幅度在几百千伏间可调；脉冲电压半宽在0.75～4.5ns间连续可调；能提供单次和重复频率脉冲运行；脉冲功率不小于1GW。

本发明设计的重复频率快脉冲硬X射线发生器的工作原理为：电源产生的脉宽、幅度、重复频率可以调整的脉冲电压加在二极管上，在二极管阴阳极间形成电场，阴极射出电子束打靶产生X射线；本发明在不破坏真空的前提下，通过转动二极管的旋转外筒，由丝杠带动滑动支撑筒在固定支撑筒上轴向滑动，在线调整二极管纵横比，使得脉冲X射线能量和强度在线可调。其产生的辐射场实现了控制灵活方便，射线能量的上限、能谱、强度、脉宽等重要参数的灵活可调。

本发明与小型便携式闪光X射线检测仪和四用辐射仪为代表的现有技术相比，在辐射场性能参数、二极管结构参数、以及小型二极管参数测量三方面均有明显进步，表现在以下几方面：

1.二极管的纵横比灵活可调、控制精度高，从而可实现硬X射线辐射场的强度以及能谱的在线调整，靶材料易于更换。而已有技术设计成一个密封整体，不便于纵横比调节和靶材更换，且真空破坏后难以恢复。

2.在紧凑的二极管真空室内建立了电流、电压监测手段，同时将电场的扰动降到最低，解决了高电压、快信号测量探头不能脱离被测系统单独标定的难题，建立并完善了二极管电压、电流运行监测手段。

3.本发明的硬X射线发生器所产生的辐射场具有以下优点：重复运行频率在1～100pps间可调，且可以单次运行；单次快脉冲硬X射线宽度在660ps～4.5ns间连续可调，并具有一定的强度，能满足现有快响应探头标定的要求；发生器稳定性好，可用其建立快脉冲硬X射线辐射场的标准场，用于测量技术的研究。本发明的重复频率快脉冲硬X射线发生器与现有快脉冲硬X射线发生器的参数比较见下表：

名称	峰值电压/MV	半宽Γ0.5/ns	剂量率/Rad.s-1	峰值电流/kA	运行方式
						四用辐射仪(皮秒通道)	0.7	2.5、0.8	1.7×10-3(靶前1m处峰剂量率)	--	单次
便携式闪光X射线检查仪	0.15	～100	3.5×10-3(靶前0.3m)	--	1、5pps或单次
						重频快脉冲硬X射线发生器	0.25	4.5～0.66	5.3×10-3(靶前0.3m)	2.4～2.8	1、2、10、100pps或单次
注：图中标“——”的为没有建立电流测量手段。

本发明将二极管设计成独特的活动结构，解决了电源的稳定性、二极管真空密封、动定支撑的同轴度、在线灵活调节等技术难题，实现了在不破坏真空前提下，灵活调整二极管的纵横比，同时对二极管的监测加设有电流测量探头，创造性地建立了结构灵活、可重复频率或单次运行，以及脉冲宽度、强度、能谱连续可调的纳秒到皮秒量级的快脉冲硬X射线发生器。弥补了现有快脉冲硬X射线发生器的不足，为新型快响应探测器的研制和应用、建立快脉冲硬X射线计量标准、进一步开展二极管物理机制研究和脉冲射线动态成像技术提供了理想的辐射场。

附图及其说明

附图1为本发明所设计的重复频率快脉冲硬X射线发生器的结构示意图，图中1为油腔，2为(底座)连接环，3为阴极连杆，4为波纹管后压块，5为密封圈，6为固定支撑筒，7为波纹管，8为旋转外筒，9为真空室，10为波纹管前压块，11为阴极靶，12为滑动支撑筒，13为电流测量探头，14为阳极压圈，15为阳极组件，16为电压测量探头，17为固定套环。

附图2、3、4的实验结果证实了本发明建立的X射线发生器运行良好，具备有一定的监测手段，能得到性能稳定的辐射场，具体各图如下：

附图2为本发明硬X射线发生器在亚纳秒脉冲下运行的电流、电压和X射线的时间谱曲线图。图中从上往下，第一条曲线(标号5)为快探测器(脉宽725ps，下降沿329ps)对辐射场X射线的时间响应曲线；第二条曲线(标号4)为前沿1.18ns的探测器对辐射场X射线的时间响应曲线；第三条曲线(标号1)为监测的微分电流曲线；第四条曲线(标号7)为监测的电压曲线。前两条曲线为辐射场时间谱，计算得知装置可以产生前沿为337ps的脉冲硬X射线辐射场，后两条曲线表明此时二极管工作良好，运行电压为185kV，脉冲电压前沿为428ps。

附图3为本发明的硬X射线发生器在纳秒脉冲工况运行下电流电压监测曲线。图中从上往下，第一条曲线为第三条曲线(测量得到的微分电流)经过示波器积分得到的电流曲线，第二条为发生器运行的电压波形，图中显示脉冲峰值电压250kV，半宽4.5ns。

附图4为用热释光剂量计检测本发明硬X射线发生器在峰值电压250kV、脉宽2.5ns工况下，单次脉冲运行时，(0角度)距离阳极靶芯不同距离的剂量场分布曲线，测试表明X射线源表面2cm处剂量为20mGy。

附图5为本发明的硬X射线发生器按照图2的工况运行时，取12次脉冲微分电流、电压参数的统计曲线。上面为电压波形，下面为微分电流曲线。测量结果表明：在同一工况下本发明测量得到单次运行的微分电流、电压曲线谱形相似，曲线幅值波动性小。证明本发明的硬X射线发生器运行稳定性好，能满足脉冲射线测量的快响应探测器的标定需要。

具体实施方式

以下结合附图详细说明本发明快脉冲硬X射线发生器的实施方式。包括零件材料的选择和要求，以及安装、调试、运行等部分。

按以上技术方案的要求，本发明可选择结构紧凑的Tesla型重复频率脉冲功率电源，其功率为1GW量级，电源传输线的输出阻抗为50Ω，接口与二极管接口匹配；脉冲电压宽度在0.74～4.5ns间可调，峰值电压在100～250kV间可调，可以单次、1pps、2pps、10pps以及100pps重复频率运行，运行稳定性好，体积0.5×0.5×1.1m³，总重100kg。

本发明波纹管可选择壁厚在1.5mm以上的优质紫铜，其内径与固定支撑筒外径匹配，长度大于50mm；阴极连杆和前压块用黄铜，密封圈用有机玻璃，阴极靶材可用高纯硬质石墨或天鹅绒，阳极靶可选用金属钽或钨，阳极密封膜采用20μm的钛或铍，除探头外，其它部件用不锈钢材料加工。电流电压探头如图1所示，径向安装在滑动支撑筒前端，并与阻抗50Ω、耐压1000V的电连接件匹配；探头外端用丝口固定在滑动支撑筒体上，采用真空密封胶填充间隙，确保真空要求。电压分压器的基体前端芯头焊接在薄片电极(覆铜片)表面，确保焊点平整，覆铜片用导电胶粘覆在滑动支撑筒内表面；微分环的基体前端芯头裸露于滑动支撑筒内壁设置的凹槽(宽3mm，高3mm，长12mm)内，弯成平滑的椭球形，探头末端固定焊在滑动支撑筒体上，确保芯头与滑动支撑筒的良好接触。探头的选择和安装不能影响传输线阻抗匹配的原则。把滑动支撑筒末端的导电簧片加工呈外张的栅栏状，确保两支撑筒间的导电性能。

按附图1所示的结构，本发明的安装过程如下：

第一步，将各部件擦拭干净，将波纹管两边的套环(前后压块)装上，然后均匀扩宽锥形口，将后压块带波纹管用螺钉固定在固定支撑筒上，实现真空密封。

第二步，探头安装，将导线柱芯线穿入滑动支撑筒预留的小孔并焊接在电极表面，把电容分压器电极片用导电胶粘覆在滑动支撑筒内壁上，确保表面平整。将滑动支撑筒内壁凹槽中裸露的微分环芯线弯成Ω状，焊接接地。做好两个探头在滑动支撑筒上的真空密封。对安装好的测量探头用传输线和50Ω假负载构成回路，以2ns、5ns脉冲电源和50ns方波电源分别对所装的电流电压探头进行标定。

第三步，在滑动支撑筒上以螺纹套接固定套环，将滑动支撑筒沿着轨槽插入固定支撑筒内，压紧波纹管，然后将波纹管及前压块通过预留的螺栓与滑动支撑筒连接固定，实现真空密封；将旋转外筒套在已装波纹管的固定支撑筒外，再将旋转外筒与固定套环用螺钉连为一体。

第四步，将有机玻璃密封圈(装有O型圈)装入固定支撑筒内的后端(锥头朝前)，上紧底座连接环压紧密封圈，将阴极连杆插入密封圈中，然后旋上阴极靶；将阳极靶置于滑动支撑筒前端面，压上阳极花盘和阳极密封膜，外面用阳极压圈旋紧阳极组件。

第五步，将真空系统接上，检查真空度(要求15分钟以内，真空达到10^-3Pa左右)，然后将底座连接环与电源接口用螺栓连接，完成系统安装。安装完毕后整个发生器装置长125mm，直径90mm，总重量约5kg。

联机调试过程如下：通过传输线将电源与二极管连接起来，同时将真空系统和二极管相连，监测二极管的运行状况得到的波形见附图2，采用微通道光电倍增管监测X射线束的时间和剂量情况，见附图2、3、4，取发生器运行12次的数据反映其稳定性，见附图5，图中显示其稳定性较好。

本发明的重复频率快脉冲硬X射线发生器的运行实施步骤为：

第一步，选择电源的运行电压。完成测量实验布置并通电，调整Tesla型重复频率脉冲功率源的主开关间隙，控制击穿电压在100kV～250kV内连续可调，用电容分压器监测运行电压；

第二步，选择电源的运行脉宽。通过调整高压气体开关的间隙，可以对脉冲的前后沿进行陡化，脉冲电压半宽在0.75～4.5ns间连续可调；

第三步，选择电源的脉冲方式，通过时基电路和并联的可控硅控制，实现电源的重频稳定运行，重复频率在1pps～100pps可调；

第四步，通过旋转外筒，由固定套环内螺纹带动滑动支撑筒沿轴向滑动，滑动距离可通过外筒旋转圈数准确计量。阳极靶外径为Φ17mm，纵横比可以在0.5～0.05之间连续可调，选择合适的纵横比；在真空度达到6×10^-3Pa以下时，启动脉冲电源、二极管以及X射线辐射场，监测参数，开始试验。

测试结果参见附图2～5：本发明的重复频率快脉冲硬X射线发生器，可以获得单次或重复频率脉冲硬X射线辐射场，二极管可以输出峰值电压在100～250kV间连续可调、半宽在660ps～4.5ns间连续可调的脉冲X射线，且输出的强度和能谱可以在线调整；从附图5中12次运行的电流电压监测波形看，本发明的稳定性以及运行的灵活性比现有技术有较大的提高，是其它快脉冲硬X射线发生器无法比拟的。本发明在新型快响应探测器的研制和应用、建立脉冲硬X射线计量标准、开展二极管物理机制研究和脉冲X射线动态成像等技术领域有较好的应用前景。

Claims (6)

1.一种重复频率快脉冲硬X射线发生器，是由二极管及与其接口匹配的快脉冲功率电源构成，其特征在于，所述二极管的腔体是由固定支撑筒和滑动支撑筒部分套接构成，在两部分间用波纹管密封连接，并在固定支撑筒和滑动支撑筒套接部位轴向设有槽轨；在二极管的外部再套有旋转外筒，旋转外筒能带动滑动支撑筒沿所设槽轨运动；所述的固定支撑筒末端与底座连接环连接固定，在二极管腔体内轴线上设有阴极连杆，阴极连杆的前端为阴极靶，在阴极连杆与固定支撑筒内壁间固定设置有锥形密封圈将腔体分为前后两个腔，前腔为真空室，后腔为油腔；在所述的二极管前外端装置有阳极组件，并以阳极压圈固定。

2.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，在所述滑动支撑筒体的前端径向对称安装有微分环电流探头和伞型电容分压器电压探头，两探头前端位于二极管腔内与阴极末端垂直；其中电流测量探头的前端裸露于滑动支撑筒内壁的凹槽内，电压测量探头的伞形电容分压器的薄片电极粘覆在滑动支撑筒内壁上，输出部分与示波器相连。

3.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述的快脉冲功率电源应具备：脉冲电压幅度在几百千伏间可调，脉冲电压半宽在0.75～4.5ns间连续可调，能提供单次和重复频率脉冲运行，脉冲功率不小于1GW。

4.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述波纹管的密封连接，是通过固定支撑筒上的后压块和滑动支撑筒上的前压块与波纹管密封连接。

5.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述的阳极组件由里至外分别为阳极膜、支撑花盘、真空密封膜。

6.根据权利要求1所述的X射线发生器，其特征在于，所述的滑动支撑筒末端的导电簧片呈外张栅栏状。

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