CN105676260A - 电子束箍缩过程诊断系统及其诊断方法 - Google Patents

Abstract

本发明属于脉冲功率领域，具体涉及一种电子束箍缩过程诊断系统及其诊断方法。该诊断系统包括沿电子束入射方向依次设置的复合阳极和图像采集系统；复合阳极包括相互贴合的导电膜和闪烁体，导电膜朝向电子束入射端；图像采集系统设置于闪烁体一侧。导电膜和闪烁体的结构参数是通过蒙特卡洛模型对闪烁体材料中电子能量沉积情况的预估结果来确定的，结构参数包括材质和厚度。本发明利用数值模拟选择适合的工作参数和结构参数，根据可见光信号，结合闪烁体能量沉积和可见光辐射之间的确定关系，即可获得电子束到达阳极的空间分布、强度分布信息，诊断方法简单，诊断结果准确。

Description

电子束箍缩过程诊断系统及其诊断方法

技术领域

本发明属于脉冲功率领域，具体涉及一种电子束箍缩过程诊断系统及其诊断方法。

背景技术

强流电子束二极管是脉冲功率领域的重要器件，不同的结构参数、不同工作状态下可用于获得强流电子束输出、大面积辐射场、小焦斑X射线源等输出状态。强流电子束二极管在国防、民用领域都有很多重要应用，如何提高输出参数的稳定性、获得准确的强流电子束输出指标是脉冲功率研究领域的重点和难点。大量研究结果表明，电子束的箍缩过程对强流电子束的输出指标影响巨大。因此，诊断电子束的箍缩运动过程是强流电子束二极管研究中十分重要的部分。

由于强流电子束二极管通常工作在数百万伏高电压脉冲下，电磁场环境复杂，工作状态变化极快(工作过程持续时间仅数十ns)；电子束的箍缩过程难以诊断。目前获得应用的常见的诊断方法是对电子束轰击阳极后的辐射场进行诊断，进而反推分析电子束的阳极落点和能量分布等信息。但是由于电子束轰击阳极发生韧致辐射的过程十分复杂，其X射线的能谱、方向性均难以确定；而且X射线穿透能力极强，对测量系统的屏蔽和抗干扰能力提出了很高的要求。上述理论分析和实验测量上的困难都限制了强流电子束二极管中电子束箍缩过程诊断技术的发展。

发明内容

本发明的目的是提供一种新型的电子束箍缩过程诊断系统及其诊断方法，解决了现有的电子束二极管设备无法对电子束箍缩过程进行准确诊断的技术问题。

本发明的技术解决方案是：所提供的电子束箍缩过程诊断系统包括沿电子束入射方向依次设置的复合阳极和图像采集系统；所述复合阳极包括相互贴合的导电膜和闪烁体，所述导电膜朝向电子束入射端；所述图像采集系统设置于闪烁体一侧。

上述导电膜和闪烁体的结构参数是通过蒙特卡洛模型对闪烁体材料中电子能量沉积情况的预估结果来确定的，所述结构参数包括材质和厚度。

上述导电膜是厚度为10～100μm的低Z材料金属箔，保证电子束高穿透率，且降低了金属箔前后表面电子空间位置的差异。

上述闪烁体是厚度为1mm的薄片状塑料闪烁体，确保可见光辐射强度可探测的前提下，尽量减小闪烁体厚度以提高空间分辨率。

上述图像采集系统为光纤阵列、ICCD相机或者分幅相机，准确获取可见光分布信息。

本发明还提供一种基于上述电子束箍缩过程诊断系统的电子束箍缩过程诊断方法，其特殊之处在于：包括以下步骤：

1】将导电膜与闪烁体紧密粘贴固定，制成复合阳极；

2】沿电子束入射方向依次安装复合阳极和图像采集系统；复合阳极的导电膜朝向电子束入射端；

3】使用图像采集系统采集可见光分布信息，所述可见光辐射信息包括空间分布、强度和时间信息；

4】根据闪烁体能量沉积和可见光辐射之间的确定关系，获得电子束到达阳极的空间分布和强度分布信息。

上述步骤1】的具体实现方式为：

1.1】根据二极管工作参数预估电子束的能量分布情况，所述工作参数包括脉冲电压和电流波形；

1.2】建立蒙特卡洛模型预估闪烁体材料中的电子能量沉积情况；

1.3】根据预估结果确定导电膜和闪烁体的结构参数，所述结构参数包括材质和厚度；

1.4】将符合步骤1.3】中的结构参数的导电膜与闪烁体紧密粘贴固定，制成复合阳极。

本发明的有益效果在于：

(1)本发明利用数值模拟选择适合的工作参数和结构参数，根据可见光信号，结合闪烁体能量沉积和可见光辐射之间的确定关系，即可获得电子束到达阳极的空间分布、强度分布信息，诊断方法简单，诊断结果准确。

(2)本发明采用复合阳极代替高Z材料转换靶，复合阳极采用金属导电膜和片状塑料闪烁体贴敷而成，避免了高Z材料韧致辐射的复杂性。

附图说明

图1为本发明较佳实施例的结构原理示意图；

图2为本发明闪烁体能量沉积分布情况的数值模拟结果。

具体实施方式

本发明较佳实施例的工作原理是利用二极管复合阳极设计来简化电子束箍缩落点诊断，在典型“环形阴极-平板阳极”电子束二极管结构中，采用复合阳极代替高Z材料韧致辐射靶转换靶。复合阳极采用金属导电膜和片状塑料闪烁体贴敷而成。二极管工作过程中，复合阳极受电子束轰击后，高能电子束穿过金属导电膜在塑料闪烁体内沉积能量。选择适合的闪烁体材料，能量沉积区域发出特定波长的可见光。根据数值模拟结果选择适合厚度的金属导电膜和闪烁体厚度，可保证可见光发光区域集中在较小空间尺寸内，且与电子束落点对应。在复合阳极后方，采用图像采集装置诊断可见光信号，可获得可见光信号的空间分布、强度和时间信息。在适合的参数下，根据可见光信号，结合闪烁体能量沉积和可见光辐射之间的确定关系，即可获得电子束到达阳极的空间分布、强度分布信息。金属导电膜可以采用数十微米厚度的金属箔，平整安装代替二极管阳极。塑料闪烁体可以采用1mm左右的片状结构，塑料闪烁体厚度取决于电子束的入射角、能量等信息，还要综合考虑能量沉积效率和发光强度、诊断系统对空间分辨率的要求等因素。金属导电膜与片状塑料闪烁体紧贴固定，尽量减小缝隙。图像采集装置可以采用光纤阵列、高速ICCD或分幅相机。

复合阳极的设计方法中，根据二极管工作参数(脉冲电压和电流波形)，预估电子束的能量分布情况，建立蒙特卡洛模型预估塑料闪烁体材料中电子能量沉积情况，结合闪烁体能量沉积与可见光辐射之间的关系，确保可见光辐射强度可探测的前提下，尽量减小闪烁体厚度以提高空间分辨率。综合考虑空间分辨率、辐射光诊断系统等要求，确定阳极复合靶金属箔材质、厚度和闪烁体材料、厚度等结构参数。

复合阳极的制作方法中，复合阳极和二极管结构整体处于真空腔体中。复合阳极金属箔与塑料闪烁体薄片之间采用放气率低、贴敷致密平整的胶水粘结，安装过程须保证复合靶前表面金属箔与装置二极管结构阳极金属结构电接触良好。

实验过程中，阳极复合靶后表面可见光光斑强弱动态范围大、光斑强弱和分布变化迅速，后端诊断系统采用光纤阵列、高速ICCD或分幅相机获取可见光分布信息。根据试验获得图像中的光斑强度和分布、闪烁体辐射光与能量沉积之间的关系等，得到闪烁体上沉积能量的分布情况，进而即可获得电子束的空间分布信息。

参见图1，电子束从阴极1发射跨越阴阳极间隙后，轰击复合阳极。复合阳极中的导电膜2采用低Z材料制成的厚度较小的金属箔，保证电子束高穿透率，且降低了金属箔前后表面电子空间位置的差异。电子穿过金属箔后，能量沉积在塑料闪烁体3内，闪烁体3的后表面发射特征光。在适当范围内，可见光辐射强度与电子沉积能量成比例关系。在闪烁体3后侧设置的图像采集装置4用于采集可见光图像信息，可见光辐射光斑位置反映了电子束落点。

图2是在典型参数下，理论计算电子束落点对应的可见光辐射光斑。选用金属箔厚度0.1mm，塑料闪烁体厚度1mm，采用蒙特卡洛方法数值模拟电子束垂直入射和45度角斜入射时，闪烁体后表面区域能量沉积分布情况。该能量沉积区域对应可见光辐射光斑区域，进而决定了本发明方法诊断电子束箍缩过程的空间分辨率。正入射、斜入射电子在闪烁体上能量沉积曲线半高宽～0.5mm。意味着反映电子束落点的可见光辐射光斑半高宽分布在亚毫米区域，即空间分辨率为亚毫米量级。

Claims (8)

1.一种电子束箍缩过程诊断系统，其特征在于：包括沿电子束入射方向依次设置的复合阳极和图像采集系统；所述复合阳极包括相互贴合的导电膜和闪烁体，所述导电膜朝向电子束入射端；所述图像采集系统设置于闪烁体一侧。

2.根据权利要求1所述的电子束箍缩过程诊断系统，其特征在于：所述导电膜和闪烁体的结构参数是通过蒙特卡洛模型对闪烁体材料中电子能量沉积情况的预估结果来确定的，所述结构参数包括材质和厚度。

3.根据权利要求2所述的电子束箍缩过程诊断系统，其特征在于：所述导电膜是厚度为10～100μm的金属箔。

4.根据权利要求3所述的电子束箍缩过程诊断系统，其特征在于：所述金属箔为低Z材料。

5.根据权利要求1-4中任一所述的电子束箍缩过程诊断系统，其特征在于：所述闪烁体是厚度为0.2-1mm的薄片状塑料闪烁体。

6.根据权利要求5所述的电子束箍缩过程诊断系统，其特征在于：所述图像采集系统为光纤阵列、ICCD相机或者分幅相机。

7.一种基于权利要求1-6中任一所述的电子束箍缩过程诊断系统的电子束箍缩过程诊断方法，其特征在于：包括以下步骤：

1】将导电膜与闪烁体紧密粘贴固定，制成复合阳极；

2】沿电子束入射方向依次安装复合阳极和图像采集系统；复合阳极的导电膜朝向电子束入射端；

3】使用图像采集系统采集可见光分布信息，所述可见光辐射信息包括空间分布、强度和时间信息；

4】根据闪烁体能量沉积和可见光辐射之间的确定关系，获得电子束到达阳极的空间分布和强度分布信息。

8.根据权利要求7所述的电子束箍缩过程诊断方法，其特征在于：所述步骤1】的具体实现方式为：

1.1】根据二极管工作参数预估电子束的能量分布情况，所述工作参数包括脉冲电压和电流波形；

1.2】建立蒙特卡洛模型预估闪烁体材料中的电子能量沉积情况；

1.3】根据预估结果确定导电膜和闪烁体的结构参数，所述结构参数包括材质和厚度；

1.4】将符合步骤1.3】中的结构参数的导电膜与闪烁体紧密粘贴固定，制成复合阳极。