CN103077875A - 一种强流小焦斑长寿命真空二极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种强流小焦斑长寿命真空二极管，对重复频率快脉冲硬X射线发生器中原有二极管进行改造，对活动阴阳极组件的结构和材料进行了改进，阴极头选用钨镍铜合金材料，坐落在动支撑上，向内形成尖端凸起的锥孔结构用于发射电子并和X射线准直，阳极靶选用金属钽材料，靠螺纹固定在铜芯线上。其中锥环型阴极结构的改进，有利于控制出射等离子体半径，便于获得浓密等离子体，满足电子束输运中自箍缩条件，形成亚毫米束斑，满足了脉冲成像领域的细致化成像要求。

Description

一种强流小焦斑长寿命真空二极管

技术领域

本发明是在重复频率脉冲功率电源基础上发明的电子束二极管，用于产生强流小焦斑脉冲硬X射线，属于脉冲功率技术应用领域。

背景技术

近年来，小焦斑脉冲辐射成像技术由于其瞬态辐射强、辐照时间短、成像过程受环境辐射干扰小、被照射物体受照剂量可控等特点正逐渐成为辐射成像领域的发展趋势。与当前广泛应用于辐射成像领域的稳态X光机（电流技术指标一般为50μA～100mA）相比，其在如下诸多领域具有突出的优势：

（1）在军事、反恐和国防工业领域能够发挥独特作用，包括武器弹药填充状态检测，核材料分析与识别，放射性物件成像检测等。例如航空航天领域对电子器件/部件/组件质量和装配可靠性要求极其严格，脉冲成像技术能够提供高分辨的电子元器件透视检查以及组件装配后质量/状态检测；

（2）在临床医学诊断方面能够发挥特殊作用。A）乳腺癌前期检测，在众所周知的乳腺癌临床诊断与防治中，若病灶尺寸在1mm以下被发现，采用切除手术将能够很快治愈，不会危及患者生命，脉冲辐射成像技术可用于实现亚毫米成像检测；B）医学透视检查，采用单脉冲图像增强式透视成像技术可以极大降低患者在检测过程中的吸收总剂量，同时极短的曝光时间可以减小常规曝光中，因病人器官蠕动带来的伪影；

（3）在古文物、古建筑以及木器/家具等结构分析与鉴定领域，可移动的高分辨脉冲X射线成像技术，可以获取物品的结构、内部组成和材料品质等多方面特征信息，用于学术研究或防伪鉴别。

国内外诸多研究机构采用阳极杆箍缩的通用技术来发展小焦斑成像技术，如美国的Cygnus研制一台基于感应电压叠加器(IVA)和阳极杆箍缩二极管(RPD)技术的现场应用的双轴闪光照相装置，国内许多单位在此也开展了大量的研究，建立了相关装置。但该类装置普遍存在体积庞大、仅能单次运行的缺点，无法满足机动化、重复频率运行的应用需要，难以实现小型可移动化。西北核技术研究所研制的重复频率快脉冲硬X射线发生器（专利号：ZL200710017567.X）具有强流、短脉冲、机动化的特点，但由于其在如下几方面存在的不足：

1）其阳极膜、支撑花盘和真空密封膜组成的透射式靶件结构，难以实现长寿命及耐受高功率密度运行；

2）阴阳极组件结构不满足箍缩条件，其X射线束呈4π发射，无法满足精细化成像要求；

3）波纹管两端通过压接方式联接，在调节阳极靶和阴极靶之间距离时，难以长期维持真空度，使其不适宜应用于脉冲成像领域。

发明内容

本发明目的是在重复频率脉冲功率电源基础上，建立一种X射线产生装置即强流小焦斑长寿命真空二极管，来获得束流强度大、脉冲宽度窄、射线束焦斑小的脉冲硬X射线辐射场，以应用于亚毫米空间分辨的移动式脉冲X射线源成像技术。

本发明的技术解决方案是：

一种强流小焦斑长寿命真空二极管，其特殊之处在于：

包括外筒5、设置在外筒5一端的法兰1、设置在外筒5另一端的压环12及密封挡板1、设置在外筒5的内筒、设置在内筒内的阴阳极组件；

所述内筒包括设置筒状定支撑2、筒状动支撑10、波纹管3；所述定支撑2设置在外筒5内且与法兰1固连，所述动支撑10设置在外筒5内且与压环12固连，所述波纹管3设置在定支撑2和动支撑10及外筒5之间的空腔内且两端分别与定支撑和动支撑密封连接，所述定支撑2、动支撑10、波纹管3、阴阳极组件之间形成径向真空密封活动结构；

所述阴阳极组件包括密封碗4、铜芯线6、金属阳极靶7、阴极头13；所述密封碗的大端与定支撑2的内侧面密封连接，其小端与铜芯线6端部密封连接，所述阴极头13设置在动支撑10内且被压环12及密封挡板11密封压紧在动支撑10外端面；所述阳极靶7与铜芯线6端部电连接且位于密封碗4小端与阴极头13之间；

所述动支撑10侧壁上设置有抽真空接口9。

上述阴极头13是向阳极靶方向形成尖端凸起的锥孔结构。

上述锥孔孔径1～5mm。

上述动支撑10侧壁上还设置有用于放置电流监测探头8的电流检测接口。

上述阴极头13选用钨镍铜合金材料；所述阳极靶7选用金属钽材料；所述密封碗4和密封挡板11选用有机玻璃材料。

本发明的优点：

本发明是对重复频率快脉冲硬X射线发生器中原有二极管进行改造，使其在保留束流强度大、脉冲时间短、重复性好以及机动化等特点的同时，还具备微型焦斑、长工作寿命的特点，满足机动化脉冲成像应用要求。其具有以下优点：

1、微型焦斑：

调整脉冲功率源的极性并提高电压，以输出正高压，便于二极管工作，有利于二极管电子束流自箍缩；

对活动阴阳极组件的结构和材料进行了改进，阴极头13选用钨镍铜合金材料，坐落在动支撑10上，向内形成尖端凸起的锥孔结构用于发射电子并和X射线准直，阳极靶7选用金属钽材料，靠螺纹固定在铜芯线6上。其中锥环型阴极结构的改进，有利于控制出射等离子体半径，便于获得浓密等离子体，满足电子束输运中自箍缩条件，形成亚毫米束斑，满足了脉冲成像领域的细致化成像要求。

2、长工作寿命：

通过理论模拟计算及物理设计，对二极管的阴阳极结构进行了改进，形成外传输线为阴极与传输线芯线为阳极的异形结构，便于二极管工作在散射靶模式下，弥补透射靶阳极靶寿命有限、长期稳定性不足的问题，将二极管寿命由10万次脉冲提高到不小于1000万次脉冲，为其现实应用提供了基础。

3、输出X射线能量强：

通过阴阳极互换，二极管的阳极靶由透射靶改为散射靶（电子打靶方向与X射线出射方向相反），并提高装置运行电压，有助于提高出射X射线能量及强度，同时克服薄阳极靶烧蚀影响束斑稳定性，实现长寿命运行。1m处峰值注量可以达到2.07×10¹⁶（cm^-2·s^-1），单脉冲光子数可达10¹²，可以产生输出能量密度几十J/cm²的超硬X射线，满足了高密度、大型物品脉冲成像的流强需求。

4、应用范围广：

阴极靶与阳极头均具有互换性，可以加工成不同孔径或直径的多种结构。

5、有利于保持在线真空：

本发明轴向真空密封结构进行了改造。本发明二极管的波纹管3两端直接与定支撑2和动支撑10焊接，省去了中间环节，更有利于保持二极管纵横比调节下的在线真空。

附图及说明

图1为本发明的小焦斑长寿命真空二极管结构示意图；

附图标记为：1-法兰；2-定支撑；3-波纹管；4-密封碗；5-外筒；6-铜芯线；7-阳极靶；8-电流监测探头；9-抽真空接口；10-动支撑；11-密封挡板；12-压环；13-阴极头。

具体实施方式

一种强流小焦斑长寿命真空二极管，包括外筒5、设置在外筒5一端的法兰1、设置在外筒5另一端的压环12及密封挡板1、设置在外筒5的内筒、设置在内筒内的阴阳极组件；内筒包括设置筒状定支撑2、筒状动支撑10、波纹管3；定支撑2设置在外筒5内且与法兰1固连，动支撑10设置在外筒5内且与压环12固连，波纹管3设置在定支撑2和动支撑10及外筒5之间的空腔内且两端分别与定支撑和动支撑密封连接，定支撑2、动支撑10、波纹管3、阴阳极组件之间形成径向真空密封活动结构；阴阳极组件包括密封碗4、铜芯线6、金属阳极靶7、阴极头13；密封碗的大端与定支撑2的内侧面密封连接，其小端与铜芯线6端部密封连接，阴极头13设置在动支撑10内且被压环12及密封挡板11密封压紧在动支撑10外端面；阳极靶7与铜芯线6端部电连接且位于密封碗4小端与阴极头13之间；动支撑10侧壁上设置有抽真空接口9。阴极头13是向阳极靶方向形成尖端凸起的锥孔结构，锥孔孔径1～5mm。动支撑10侧壁上设置有用于放置电流监测探头8的电流检测接口。阴极头13选用钨镍铜合金材料；阳极靶7选用金属钽材料；密封碗4和密封挡板11选用有机玻璃材料。

本发明原理：

本发明的强流小焦斑长寿命真空二极管是在上文所述的重复频率快脉冲硬X射线发生器（专利号：ZL200710017567.X）的基础上，采用强流阴极自箍缩技术对原二极管的阴阳极组件进行改造，使其产生的X射线具有束流强度大、脉冲宽度窄、射线束焦斑小等特点。其工作原理描述如下：脉冲功率驱动源产生的快脉冲电压，加载在二极管阴阳极间，驱使二极管锥状金属冷阴极出射电子，形成始于场致发射终于爆炸发射的阴极等离子体，阴极区域的电子在脉冲电场的加速下轰击厚金属钽靶，从而产生脉冲X射线。其小焦斑的实现方式中，首先借助微小的阴极发射面限制出射电子的束斑，便于形成稠密粒子流。接着，当电子束在向阳极输运过程中，其束流密度达到临界自箍缩条件时，会产生自箍缩，进一步缩小打靶的电子束斑尺寸，实现强脉冲X射线的焦斑微型化，同时配合金属阴阳极材料及结构设计，实现装置长寿命运行。整个强流小焦斑长寿命真空二极管的实施中，包括各零部件材料选择和加工，二极管的安装，以及调试、运行几部分，具体的描述如下：

研制过程中波纹管3选择优质、壁厚在1.5mm以上的不锈钢或紫铜作为材料，其内径与定支撑外径匹配；密封碗4和密封挡板11材料选用有机玻璃，阴极头13用钨镍铜合金，其锥孔孔径可选择1～5mm之间，阳极靶7用金属钽，除探头外的其它部件用不锈钢材料加工而成。二极管在设计、加工和安装过程中尽量满足整个传输线阻抗匹配的原则。

本发明安装过程与原二极管基本一致，主要在阴极头13的安装具有区别，详细描述如下：

第一步，将各部件擦拭干净，定支撑与动支撑留有焊接坡口，两者靠导向键槽装配好后，分别与波纹管的两端焊接，形成径向真空密封活动结构，旋入外筒；

第二步，电流监测探头安装，做好探头与动支撑之间的真空密封；

第三步，密封碗径向装配好O形圈后，套在铜芯线光段上并压紧，然后安装阳极靶并旋紧螺纹，三者装配一体后整体装入定支撑沉坑内，依靠法兰使密封碗压紧在定支撑的变径台面上，法兰与定支撑靠O形圈密封、螺栓固定；

第四步，利用辅助工具把阴极头装入动支撑内，O形圈放入动支撑凹槽，放上挡板并靠压环与动支撑固定后压紧，实现轴向真空密封。

第五步，将二极管与传输线连接，与脉冲功率驱动源以及高压气体开关等其它辅件整体组成脉冲X射线发生器，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），电流监测探头与示波器连接。

本发明的小焦斑长寿命真空二极管的调试、运行实施步骤为：

第一步，与系统传输线连接后，密封碗、铜芯线与定支撑等组成的油腔内灌满变压器油，确保没有气泡，打开真空系统，使二极管真空腔内气压降至10^-3Pa以下；

第二步，开启脉冲硬X射线发生器以及测量系统，根据实验要求选择不同的电压、脉宽（调节脉冲功率电源和高压气体开关），通过旋转外筒调节二极管阴阳间隙，选择合适的纵横比，通过在线电流、电压监测系统确保系统温度运行；

第三步，X射线的焦斑测量。依据针孔成像原理，脉冲X射线源产生的射线，经过针孔装置放大后成像到增感屏上，X射线与闪烁体发生相互作用，将射线强度图像转化为相应的可见光图像，再经过镜面反射和镜头耦合后，由CCD相机进行图像采集，通过光纤输出到计算机中进行后续处理。

针对本发明的小焦斑长寿命真空二极管，根据经验公式计算了电子束自磁场箍缩条件与临界箍缩电流，推导过程如下：

在相对论条件下，电子在均匀恒定磁场中作拉莫尔运动的回旋半径为：

$r_L=\frac{\mathrm{\γ}{m}_e{v}_{\⊥}}{\mathrm{eB}}$

其中

$\mathrm{\γ}=\frac{1}{\sqrt{1-{(v/c)}^2}}=\frac{1}{\sqrt{1-{\mathrm{\β}}^2}}=1+\frac{{\mathrm{eU}}_d}{m_e{c}^2}---\left(2\right)$

为电子的相对论因子，v_⊥为电子垂直于磁力线的运动速率，B为磁感应强度，v为电子总的运动速率，m_e为电子质量，e为电子电量，c为光速，U_d为加速器电压。

对于在电子束自磁场中运动的电子，取

v_⊥=v    （3）

B=B_b=μ₀I_b/(2πr_c)    （4）

I_b=Nev_z    （5）

N=v(4πε₀c²)/e²    （6）

式中，v_z为电子的轴向运动速率，N为单位长度上的电子数，v为经典电子半径长度上的电子数。代入式（1）得到其拉磨尔半径为：

$r=\frac{\mathrm{\γ}}{v}\frac{r_c}{2}\left(\frac{v}{v_c}\right)---\left(7\right)$

作为一个粗略的判断准则，可以认为：当电子束在磁场中运动的拉磨尔半径小于二极管阴阳极间距时，电子束将开始发生箍缩。这一箍缩盘踞式可写为

r_L≤d    （8）

假设电流半径r_c为2mm，阴阳极间隙为2mm的情况下，电子的平均能量为140keV，则有：

$\mathrm{\γ}=1+\frac{{\mathrm{eU}}_d}{m_e{c}^2}=1+\frac{140}{511}=1.27$

代入到

$I_b\≥I_c=I_{\mathrm{\α}}\mathrm{\β\γ}\frac{r_c}{d}=I_{\mathrm{\α}}\frac{r_c}{d}\sqrt{{\mathrm{\γ}}^2-1}$

此情况下的临界自箍缩电流为6.8kA。本发明二极管在运行中，电流能达到8kA（大于临界箍缩电流），可以实现自箍缩，同时可适当增大阴阳极间隙来达到减小箍缩电流的目的。

Claims (5)

1.一种强流小焦斑长寿命真空二极管，其特征在于：

包括外筒（5）、设置在外筒（5）一端的法兰（1）、设置在外筒（5）另一端的压环（12）及密封挡板（1）、设置在外筒（5）的内筒、设置在内筒内的阴阳极组件；

所述内筒包括设置筒状定支撑（2）、筒状动支撑（10）、波纹管（3）；所述定支撑（2）设置在外筒（5）内且与法兰1固连，所述动支撑（10）设置在外筒（5）内且与压环（12）固连，所述波纹管（3）设置在定支撑（2）和动支撑（10）及外筒（5）之间的空腔内且两端分别与定支撑和动支撑密封连接，所述定支撑（2）、动支撑（10）、波纹管（3）、阴阳极组件之间形成径向真空密封活动结构；

所述阴阳极组件包括密封碗（4）、铜芯线（6）、金属阳极靶（7）、阴极头（13）；所述密封碗的大端与定支撑2的内侧面密封连接，其小端与铜芯线（6）端部密封连接，所述阴极头（13）设置在动支撑（10）内且被压环（12）及密封挡板（11）密封压紧在动支撑（10）外端面；所述阳极靶（7）与铜芯线（6）端部电连接且位于密封碗（4）小端与阴极头（13）之间；

所述动支撑（10）侧壁上设置有抽真空接口（9）。

2.根据权利要求1所述的强流小焦斑长寿命真空二极管，其特征在于：所述阴极头（13）是向阳极靶方向形成尖端凸起的锥孔结构。

3.根据权利要求2所述的强流小焦斑长寿命真空二极管，其特征在于：所述锥孔孔径1～5mm。

4.根据权利要求1或2或3所述的强流小焦斑长寿命真空二极管，其特征在于：所述动支撑（10）侧壁上还设置有用于放置电流监测探头8的电流检测接口。

5.根据权利要求4所述的强流小焦斑长寿命真空二极管，其特征在于：所述阴极头（13）选用钨镍铜合金材料；所述阳极靶（7）选用金属钽材料；所述密封碗（4）和密封挡板（11）选用有机玻璃材料。

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