CN110047721A - 一种轫致辐射反射三极管 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于产生强脉冲硬X射线的轫致辐射反射三极管，解决现有轫致辐射反射三极管的两个阴阳极间隙电势不一致和辐射场无法充分利用的问题。该三极管包括反射三极管腔体、阳极基座、阳极、阴极、横向盖板、前向盖板、绝缘板固定螺母、绝缘板过渡件和绝缘板；反射三极管腔体与绝缘板相连接的部分为圆筒，远离绝缘板的部分过渡为一封闭腔体，封闭腔体相对的面设置为平行的两个平板；两个阴极分别设置在封闭腔体的两个平板上；阳极位于两个阴极之间；阳极设置在阳极基座上，阳极基座通过绝缘板过渡件安装在水线内筒上，绝缘板过渡件通过绝缘板固定螺母固定；横向盖板分别设置在封闭腔体的两个平板上，前向盖板设置在封闭腔体的轴向末端。

Description

一种轫致辐射反射三极管

技术领域

本发明涉及脉冲功率技术领域，具体涉及一种用于产生强脉冲硬X射线的轫致辐射反射三极管。

背景技术

强脉冲硬X射线源被广泛应用于各种辐照效应的实验研究中。传统单间隙二极管将阴极发射的强流脉冲电子束轰击到高原子序数的靶材上产生轫致辐射。由于系统电磁脉冲效应需要能谱在10～100keV的脉冲硬X射线，所以用于打靶的脉冲电子束最大能量必须小于300keV，这就要求单间隙二极管的端电压低于300kV。在单间隙轫致辐射二极管中，阴极发射的强流脉冲电子束只和阳极转换靶进行一次作用，难以充分利用电子束的能量，其X射线转换效率极低。此外，在低电压情况下，由于阴极等离子体运动的影响，单间隙二极管难以产生够强的电子束流来产生轫致辐射。因此，单间隙二极管不利于产生高注量大面积的硬X射线辐射场。为了提高低能X射线转换效率，轫致辐射反射三极管在上世纪末期逐渐发展起来，已成为一种先进的脉冲硬X射线技术。

在脉冲功率领域，传统二极管主要由一个阳极和一个阴极组成。轫致辐射反射三极管则是将一个阳极置于两个相向的阴极中间而构成。当高压脉冲加载到反射三极管上时，两个阴极向中间的阳极发射电子束，电子在两个阴极间来回反射的过程中不断穿透阳极，并产生正反向轫致辐射，在空间叠加形成所需的辐射场。目前的反射三极管为轴向结构，不仅难以保证两个阴阳极间隙空间电势的一致性，而且驱动源方向的辐射场无法得到充分利用。

发明内容

本发明的目的是解决现有轫致辐射反射三极管的两个阴阳极间隙电势不一致和辐射场无法充分利用的问题，提出一种电子横向发射的轫致辐射反射三极管，高功率脉冲经同轴输出转换为平板传输，实现辐射场的横向输出。

本发明的技术解决方案如下：

一种轫致辐射反射三极管，包括反射三极管腔体、阳极基座、阳极、阴极、横向盖板、前向盖板、绝缘板固定螺母、绝缘板过渡件和绝缘板；所述绝缘板设置在反射三极管腔体的一侧，且与反射三极管腔体连接；所述反射三极管腔体与绝缘板相连接的部分为圆筒，远离绝缘板的部分过渡为一封闭腔体，所述封闭腔体相对的两个面设置为平行的两个平板；两个阴极分别设置在封闭腔体的两个平板上，且阴极发射面平行相对设置；所述阳极位于两个阴极之间，两个阴极发射面与阳极面距离相同，且阳极和两个阴极的中心点连线与反射三极管腔体的轴线垂直；所述阳极设置在阳极基座上，所述阳极基座位于反射三极管腔体的圆筒内，且通过绝缘板过渡件安装在水线内筒上，所述绝缘板过渡件通过绝缘板固定螺母固定；所述横向盖板分别设置在封闭腔体的两个平板上，将安装阴极的腔体封闭，所述前向盖板设置在封闭腔体的轴向末端，将封闭腔体的轴向末端封闭。

进一步地，所述阳极包括阳极膜支撑板、阳极膜压紧环和阳极膜；所述阳极膜压紧环安装在阳极膜支撑板上，所述阳极膜支撑板上设置有凸起，所述阳极膜压紧环上设置有凹槽；所述阳极膜设置在阳极膜支撑板和阳极膜压紧环之间，且通过凸起和凹槽压紧安装。

进一步地，所述阳极膜为圆形薄膜，且是原子序数为73的钽箔薄膜。

进一步地，所述阳极基座与绝缘板接触的一侧设置为圆锥面，所述反射三极管腔体与绝缘板接触的拐角处设置为圆角。

进一步地，所述反射三极管腔体的圆筒部分与绝缘板之间设置有绝缘板固定环，所述反射三极管腔体、绝缘板固定环、绝缘板以及水线外筒之间通过固定螺栓固定。

进一步地，所述阴极与封闭腔体的两个平板之间设置有阴极垫片，用于调节阴极与阳极之间的距离。

进一步地，所述阳极基座上设置有扇形槽，所述绝缘板过渡件上设置有导向柱，所述导向柱与扇形槽相配合，实现阳极基座与绝缘板过渡件的周向转动，用于调节阳极的位置。

进一步地，所述封闭腔体为矩形腔体。

进一步地，所述横向盖板与封闭腔体的两个平板之间设置有O形密封圈，所述前向盖板与封闭腔体的末端设置有O形密封圈。

进一步地，所述绝缘板、前向盖板、横向盖板均为有机玻璃板。

本发明与现有技术相比，有益效果是：

1.本发明轫致辐射反射三极管将高功率电压脉冲由同轴传输转为平板传输，并将其加载到两个共用一个阳极的阴阳极间隙中，使得电子在两个平行阴极间多次反射，充分利用低能电子，提高轫致辐射产额的同时降低辐射场的平均能量。

2.在传统单间隙二极管中，由于穿透阳极膜的电子混杂在X射线辐射场中，对辐照效应实验产生不利影响；本发明轫致辐射反射三极管中电子被束缚在两个阴极和阳极膜构成的电场势井中，X射线辐射场中的电子可以忽略，容易获得更加干净的X射线辐射场，更有利于开展辐照效应实验。

3.本发明轫致辐射反射三极管采用将功率脉冲从同轴传输过渡到平板加载的方法，使阳极膜两侧的结构完全对称，避免了前向盖板和阳极基座对场分布的不利影响，确保了两个阴阳极间隙的场分布一致性，有利于提高辐射靶两侧X射线辐射场的一致性。

4.本发明轫致辐射反射三极管中阳极膜产生的前向辐射和反射辐射在空间叠加形成两个参数一致的横向输出辐射场，既可以一个辐射场用于监测辐射场参数，另一个辐射场开展辐照效应实验，又可以在两个辐射场中同时开展效应实验，提高了辐射场的使用效率，显著增加脉冲功率源的工作效率。

5.在传统单间隙轫致辐射二极管中，电子透射阳极膜后所剩余的动能被其他部件吸收，无法充分利用电子动能产生轫致辐射；而本发明轫致辐射反射三极管通过采用两个相对的阴极不断反射电子，使电子多次与阳极膜作用，增加了阳极膜的有效作用厚度，提高轫致辐射的产生效率，增加辐射场的能注量。

6.本发明轫致辐射反射三极管一方面采用阴极反射电子，使穿透阳极膜的低能电子多次入射阳极膜，从而辐射出更多低能段的X射线；另一方面本发明三极管可采用厚度更小的阳极膜，减小X射线的产生深度，降低阳极膜对低能X射线的自吸收，进而增加辐射场的低能份额，降低辐射场的平均能量。

附图说明

图1为本发明轫致辐射反射三极管结构示意图；

图2为本发明轫致辐射反射三极管局部剖结构示意图；

图3为本发明轫致辐射反射三极管的阳极基座示意图；

图4为本发明轫致辐射反射三极管的绝缘板表面电场优化结果示意图；

图5为本发明轫致辐射反射三极管的阳极膜固定结构示意图；

图6为本发明轫致辐射反射三极管的阴极垫片示意图。

附图标记：1-反射三极管腔体，2-阳极基座，3-阳极，4-阴极，5-横向盖板，6-前向盖板，7-绝缘板固定螺母，8-绝缘板过渡件，9-绝缘板固定环，10-绝缘板，11-水线外筒，12-水线内筒，13-阳极膜支撑板，14-阳极膜压紧环，15-阳极膜，16-阴极垫片，17-扇形槽，18-方形槽。

具体实施方式

以下结合附图和具体实施例对本发明的内容作进一步详细描述：

本发明提出了横向轫致辐射反射三极管的设计方法，将脉冲功率从同轴传输转换为平板传输，并加载到反射三极管上，实现电子横向发射。横向反射三极管不仅解决了阴阳极间隙空间电势不一致的问题，而且充分利用了阳极两面的辐射场，提高电子功率的使用效率。

如图1和图6所示，一种轫致辐射反射三极管，包括反射三极管腔体1、阳极基座2、阳极3、阴极4、横向盖板5、前向盖板6、绝缘板固定螺母7、绝缘板过渡件8和绝缘板10；绝缘板10设置在反射三极管腔体1的一侧，且与反射三极管腔体1连接，反射三极管腔体1与绝缘板10相连接的部分为圆筒，远离绝缘板10的部分过渡为一封闭腔体，封闭腔体的顶面和底面为平行设置的两个平板；两个阴极4分别设置在封闭腔体的两个平板上，且阴极4发射面平行相对设置；阳极3位于两个阴极4之间，两个阴极4发射面与阳极3面距离相同，且阳极3和阴极4的中心点连线与反射三极管腔体1的轴线垂直；反射三极管腔体1的圆筒部分与绝缘板10之间设置有绝缘板固定环9，阴极4与封闭腔体的两个平板之间设置有阴极垫片16，用于调节阴极4与阳极3之间的距离。

阳极3设置在阳极基座2上，阳极基座2位于在反射三极管腔体1的圆筒内，且通过绝缘板过渡件8安装在水线内筒12上，绝缘板过渡件8通过绝缘板固定螺母7固定安装；阳极基座2上设置有扇形槽17，绝缘板过渡件8上设置有导向柱，导向柱与扇形槽17相配合，实现阳极基座2与绝缘板过渡件8的周向转动，用于调节阳极3的位置。横向盖板5分别设置在封闭腔体的两个平板上，将安装阴极4的腔体封闭，前向盖板6设置在封闭腔体的轴向末端，将封闭腔体的轴向末端封闭。

阳极3包括阳极膜支撑板13、阳极膜压紧环14和阳极膜15；阳极膜支撑板13上设置有凸起，阳极膜压紧环14上设置有凹槽；阳极膜15设置在阳极膜支撑板13上，且通过凸起和凹槽压紧安装，同时阳极膜支撑板13、阳极膜压紧环14通过凸起和凹槽定位；阳极膜15为圆形薄膜，且为原子序数较高的钽箔薄膜。

本发明用于产生脉冲硬X射线辐射场的脉冲功率负载，主要包括反射三极管腔体1、阳极3和两个完全一样的阴极4，阳极3处于两个阴极4之间，阴极4发射面平行相向且与阳极3面距离相同，并且阳极3和阴极4的中心点连线与反射三极管腔体1的整体轴线相互垂直。反射三极管腔体1与绝缘板10法兰相连接的部分为圆筒，远离法兰部分过度成相平行并且以圆弧连接的两个平板；横向盖板5与封闭腔体的两个平板之间设置有O形密封圈，前向盖板6与封闭腔体的末端设置有O形密封圈。绝缘板固定螺母7将绝缘板过渡件8固定在水线内筒12末端；绝缘板固定环9固定在水线外筒11末端。

工作时，反射三极管腔体1接地，阳极3则载入正高压脉冲。采用有机玻璃绝缘板10隔绝脉冲输出线和反射三极管腔体1，绝缘板过渡件8通过绝缘板固定螺母7进行固定，将绝缘板过渡件8固定在脉冲功率源输出端的水线内筒12末端，绝缘板过渡件8与水线内筒12同轴心。阳极基座2与绝缘板过渡件8连接采用扇形槽17(如图2和图3所示)，便于调节阳极3，使阳极3面沿竖直方向或水平方向。将绝缘板固定环9通过螺杆将绝缘板10固定在脉冲功率源输出端的水线外筒11末端，绝缘板固定环9与水线同轴心，并以固定环为基准将反射三极管腔体1进行固定，确保反射三极管腔体1同轴传输段与水线同轴心。

为了确保绝缘板10表面不会被高压击穿发生闪络放电，绝缘板10需进行镜面抛光，且安装后用绒布蘸取四氯化碳进行擦拭。此外，为了减小绝缘板10内外沿根部三结合点处的电场(小于25kV/cm)，对绝缘板10的内外沿根部进行电场屏蔽设计，如图4所示。阳极基座2与绝缘板10接触位置加工圆锥过渡段，实施例取阳极基座2和绝缘板10夹角20.56°；反射三极管腔体1与绝缘板10接触位置倒圆角，实施例取倒角半径40mm，所有暴露在真空腔体的表面要求粗糙度好于1.6μm。

阳极基座2如图2和图5所示，阳极3和阳极基座2之间用内六角沉头螺钉连接，确保螺钉没有凸出阳极基座2表面；阳极3和阳极基座2的定位则由阳极基座2的方形槽18完成。阳极3由三部分构成，阳极膜支撑板13、阳极膜压紧环14和阳极膜15，装配关系如图4所示。阳极膜15由原子序数较高的钽箔做成(阳极膜15具体可由原子序数为73的钽箔做成)，其厚度与加载电压相关，存在最优值使得辐射场能注量最大，实施例中阳极膜15厚度取10μm。阳极膜15裁成圆形，再由阳极膜支撑板13和阳极膜压紧环14绷紧，保证膜表面平整。

阴极4与反射三极管真空腔连接情况如图5所示，阴极4采用石墨加工而成，是内部中空的圆环结构。其与反射三极管真空腔采用螺纹连接，并由止口进行定位。阴极4与阳极3之间的距离由阴极垫片16进行调节，实施例中阴阳极间隙设置为5mm。两边阴极的发射面与阳极面平行，并且与阳极面的距离调节成一致。横向盖板和前向盖板均由透可见光的有机玻璃加工，便于进行观察和诊断，盖板与反射三极管腔体之间由O形密封圈进行真空密封，实际使用时要求真空度好于10^-2Pa。

该轫致辐射反射三极管的实施例应用于国内强脉冲辐射模拟与效应国家重点实验室的200kV脉冲功率源平台，阳极膜厚度为10μm，有效半径90mm；阴极为单环石墨阴极，环宽5mm，环外径60mm；阴阳极间隙设置为5mm。实验结果表明：距离阳极靶面5cm处面积为150cm²范围内反射三极管的平均剂量为69rad(Si)，是同等脉冲功率源条件下的单间隙二极管辐射场平均剂量(35rad(Si))的两倍，X射线转换效率显著提高。

Claims (10)

1.一种轫致辐射反射三极管，其特征在于：包括反射三极管腔体(1)、阳极基座(2)、阳极(3)、阴极(4)、横向盖板(5)、前向盖板(6)、绝缘板固定螺母(7)、绝缘板过渡件(8)和绝缘板(10)；

所述绝缘板(10)设置在反射三极管腔体(1)的一侧，且与反射三极管腔体(1)连接；

所述反射三极管腔体(1)与绝缘板(10)相连接的部分为圆筒，远离绝缘板(10)的部分过渡为一封闭腔体，所述封闭腔体相对的两个面设置为平行的两个平板；

两个阴极(4)分别设置在封闭腔体的两个平板上，且阴极(4)发射面平行相对设置；

所述阳极(3)位于两个阴极(4)之间，两个阴极(4)的发射面与阳极(3)距离相同；

所述阳极(3)设置在阳极基座(2)上，所述阳极基座(2)位于反射三极管腔体(1)的圆筒内，且通过绝缘板过渡件(8)安装在水线内筒(12)上，所述绝缘板过渡件(8)通过绝缘板固定螺母(7)固定；

所述横向盖板(5)分别设置在封闭腔体的两个平板上，将安装阴极(4)的腔体封闭，所述前向盖板(6)设置在封闭腔体的轴向末端，将封闭腔体的轴向末端封闭。

2.根据权利要求1所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述阳极(3)包括阳极膜支撑板(13)、阳极膜压紧环(14)和阳极膜(15)；所述阳极膜压紧环(14)安装在阳极膜支撑板(13)上，所述阳极膜支撑板(13)上设置有凸起，所述阳极膜压紧环(14)上设置有凹槽；所述阳极膜(15)设置在阳极膜支撑板(13)和阳极膜压紧环(14)之间，且通过凸起和凹槽压紧安装。

3.根据权利要求2所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述阳极膜(15)为圆形薄膜，且是原子序数为73的钽箔薄膜。

4.根据权利要求1或2或3所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述阳极基座(2)与绝缘板(10)接触的一侧设置为圆锥面，所述反射三极管腔体(1)与绝缘板(10)接触的拐角处设置为圆角。

5.根据权利要求4所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述反射三极管腔体(1)的圆筒部分与绝缘板(10)之间设置有绝缘板固定环(9)；所述反射三极管腔体(1)、绝缘板固定环(9)、绝缘板(10)以及水线外筒(11)之间通过固定螺栓固定。

6.根据权利要求5所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述阴极(4)与封闭腔体的两个平板之间设置有阴极垫片(16)，用于调节阴极(4)与阳极(3)之间的距离。

7.根据权利要求6所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述阳极基座(2)上设置有扇形槽(17)，所述绝缘板过渡件(8)上设置有导向柱，所述导向柱与扇形槽(17)相配合，实现阳极基座(2)与绝缘板过渡件(8)的周向转动，用于调节阳极(3)的位置。

8.根据权利要求7所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述封闭腔体的两个侧面为相平行的平板，两个平板通过圆弧板连接。

9.根据权利要求8所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述横向盖板(5)与封闭腔体的两个平板之间设置有O形密封圈，所述前向盖板(6)与封闭腔体的末端设置有O形密封圈。

10.根据权利要求9所述的轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述绝缘板(10)、前向盖板(6)、横向盖板(5)均为有机玻璃板。