CN110797244B - 一种长寿命强流二极管复合阳极及其制作方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种长寿命强流二极管复合阳极及其制作方法，其目的是为了提升强流二极管输出辐射场的均匀性，同时克服每次实验须更换阳极靶的限制。该长寿命强流二极管复合阳极包括依次设置的等离子体抑制层、轫致辐射层、电子中子吸收层和真空结构支撑层；所述等离子体抑制层的材料为石墨烯或钛，所述轫致辐射层的材料为钽，所述电子中子吸收层的材料为石墨，所述真空结构支撑层的材料为1系铝。

Description

一种长寿命强流二极管复合阳极及其制作方法
技术领域
本发明涉及高功率强流脉冲电子束与物质相互作用领域，具体涉及一种长寿命强流二极管复合阳极及其制作方法。
背景技术
高功率强流脉冲电子束一般是指能量0.3～15MeV、束流强度10kA～25MA、脉冲宽度20～100ns的电子束(下称强流电子束)，其主要应用之一就是通过与高原子序数物质相互作用产生高剂量大面积x射线或γ射线，强流二极管是实现这一应用的装置。在强流二极管中，强流电子束从阴极射出，轰击至高原子序数轫致辐射转换靶(即阳极)上，产生高能射线。在二极管阳极区域，由于存在极其复杂的强电磁场—强电子束流—强等离子体相互耦合作用，电子束容易向靶中心箍缩，同时对阳极靶产生极强的热力学破坏效应，导致二极管输出的射线辐射场均匀性指标(靶后方1米处辐射场剂量率最小值与最大值之比)降低，且每次实验后须更换阳极靶，实验效率低下。
现有强流二极管所用阳极靶多为单层钽靶，关于复合阳极的研究成果不多。在杨进玺等所著的《电子束与复合靶作用后辐射特性的数值模拟》一文中通过数值模拟研究了钽和聚乙烯组成的复合阳极靶对辐射x射线场的影响，指出聚乙烯层的存在有助于减小x射线场中的电子份额，但未有试验研究；来定国等所著的《强流电子束轫致辐射复合薄靶设计》是杨进玺文中复合靶的试验研究，但未虑及阳极等离子体抑制、高能射线辐射场均匀性以及靶的寿命问题。在施将君等所著的《高能多脉冲辐射照相的复合靶物理分析》一文中，提出了掺杂碳的复合钽靶设计，指出该复合材料的靶有助于减小高温等离子体的形成，可延长靶的寿命。此文中的“复合靶”是指采用复合材料制作的靶，与本发明将要讨论的层叠状“复合阳极”并不相同。
发明内容
为了提升强流二极管输出辐射场的均匀性，同时克服每次实验须更换阳极靶的限制，本发明提出了一种具有等离子体抑制作用、可提升高能射线辐射场均匀性的长寿命强流二极管复合阳极及其制作方法。
本发明的技术方案是：
一种长寿命强流二极管复合阳极，包括依次设置的等离子体抑制层、轫致辐射层、电子中子吸收层和真空结构支撑层；所述等离子体抑制层的材料为石墨烯或钛，所述轫致辐射层的材料为钽，所述电子中子吸收层的材料为石墨，所述真空结构支撑层的材料为1系铝。
进一步地，所述等离子体抑制层的厚度为2～50μm。
进一步地，所述轫致辐射层的厚度为0.45mm～0.90mm。
进一步地，所述电子中子吸收层的厚度为0.5mm～20mm。
进一步地，所述真空结构支撑层的厚度为2mm～1cm。
进一步地，所述轫致辐射层主要由多层钽箔叠加而成。
进一步地，所述轫致辐射层由50μm纯钽箔叠加而成，叠加数量为9层～12层，各层间的气隙小于1μm。
同时，本发明还提供一种长寿命强流二极管复合阳极的制作方法，包括以下步骤：
步骤一、对钽箔进行清洁除尘处理，在无尘车间内将多层钽箔压制为叠靶，形成轫致辐射层；
步骤二、在无尘车间内采用真空等离子体喷涂的方式将石墨烯或钛喷涂在轫致辐射层的一侧表面，形成等离子体抑制层；
步骤三、制备高纯石墨层和1系铝层，进行除尘处理，形成电子中子吸收层和真空结构支撑层；
步骤四、在无尘实验室中，按照等离子体抑制层、轫致辐射层、电子中子吸收层和真空结构支撑层的顺序依次装配至二极管处，并压紧。
进一步地，步骤一中，所述轫致辐射层的厚度为0.45mm～0.90mm；步骤二中，所述等离子体抑制层的厚度为2～50μm；步骤三中，所述电子中子吸收层的厚度为0.5mm～20mm；所述真空结构支撑层的厚度为2mm～1cm。
进一步地，步骤一中，所述轫致辐射层由50μm纯钽箔叠加而成，叠加数量为9层～12层，各层间的气隙小于1μm。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：
1.本发明提供的长寿命强流二极管复合阳极包括等离子体抑制层，等离子体抑制层具有阳极等离子体抑制作用，可减弱电子束流向靶中心的箍缩，提升强流二极管输出辐射场的均匀性。
2.发明提供的长寿命强流二极管复合阳极的轫致辐射层由纯钽箔叠加而，使得其具有良好的抗热力学损伤特性，可连续工作2～4发次实验，无须每次实验后更换阳极靶，大幅度提升实验效率，同时降低实验成本。
3.发明提供的长寿命强流二极管复合阳极的电子中子吸收层由高纯石墨组成，石墨可提升强流二极管输出辐射场中的光子份额，提升辐射效应实验准确性。通过本发明复合阳极中的电子中子吸收层，吸收透射的电子和次级中子，使二极管输出的辐射场接近纯净x射线或γ射线场。
附图说明
图1为发明提供的长寿命强流二极管复合阳极的结构示意图。
附图标记：1-等离子体抑制层，2-轫致辐射层，3-电子中子吸收层，4-真空结构支撑层。
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。
本发明提供一种具有阳极等离子体抑制作用、可提升x射线或γ射线辐射场均匀性的长寿命强流二极管复合阳极，同时提供该复合阳极的制作方法。该阳极与强流电子束相互作用时能够产生高剂量大面积x射线或γ射线。
如图1所述，本发明所提供的复合阳极主要由四层组成，依次为等离子体抑制层1、轫致辐射层2、电子中子吸收层3和真空结构支撑层4。等离子体抑制层1由比热容大、热导率高、致密性佳的低原子序数材料组成，具体可为石墨烯或钛，该层具有抑制阳极靶表面等离子体形成及提升辐射场均匀性的作用；轫致辐射层2主要由多层钽箔叠加而成，用于与电子束相互作用产生x射线或γ射线，同时具备抗热力学损伤特性；电子中子吸收层3主要用于吸收透射的电子和在轫致辐射层2中产生的中子，减小辐射场中的电子中子份额；真空结构支撑层4主要作用是增强靶的结构强度，同时起到封真空的作用。
下面将本发明提出的四层“层叠式”复合阳极进行详细的描述，该复合阳极可替换现有强流二极管使用的单层钽靶，可减弱电子束流向靶中心的箍缩，提升强流二极管输出辐射场的均匀性。
等离子体抑制层1的厚度为2～50μm，由石墨烯或纯钛组成，制作工艺采用真空等离子体喷涂。这两种材料比热容大、热导率高、致密性佳，可延缓阳极吸附气体的解吸附，抑制阳极等离子体成分来源，从而抑制阳极等离子体的产生，减弱电子束的箍缩程度，使电子束流形态更加稳定，减弱电子束对阳极靶的热力学损伤效应，提升二极管辐射场的均匀性。
轫致辐射层2由50μm纯钽箔叠加而成，叠加数量为9层至12层，该层总厚度为0.45mm至0.90mm(根据实验条件不同选择)。叠靶由机床压结而成，各层间的气隙小于1μm。高能电子束与钽相互作用，通过轫致辐射产生高能x射线或γ射线。采用多层钽箔叠加而成的叠靶有助于增强靶的抗热力学冲击性能，延长靶的使用寿命。
电子中子吸收层3由高纯石墨组成，厚度0.5mm～20mm。石墨作为中子慢化剂，在吸收电子、中子的同时不影响光子的通过，可大幅提高强流二极管输出辐射场中的光子份额。
真空结构支撑层4由1系铝组成，厚度2mm～1cm，起到增强阳极的结构强度和封真空的作用。
同时，本发明还提供一种制作长寿命强流二极管复合阳极的方法，包括以下步骤：
步骤一、对50μm厚的钽箔进行清洁除尘处理，在无尘车间内将多层钽箔压结成叠靶，要求各层间的气隙＜1μm，形成轫致辐射层；
步骤二、在无尘车间内采用真空等离子体喷涂的方式将石墨烯或钛喷涂至轫致辐射层的一侧表面，喷涂厚度精度误差＜1μm，该涂层即为等离子体抑制层；
步骤三、制备高纯石墨层和1系铝层，进行除尘处理，即为电子中子吸收层和真空结构支撑层；
步骤四、在无尘实验室将复合阳极各层按照等离子体抑制层、轫致辐射层、电子中子吸收层和真空结构支撑层的顺序依次装配至加速器二极管处，并依靠外套法兰压紧。

Claims (2)

1.一种长寿命强流二极管复合阳极，其特征在于：包括依次设置的等离子体抑制层（1）、轫致辐射层（2）、电子中子吸收层（3）和真空结构支撑层（4）；
所述等离子体抑制层（1）由比热容大、热导率高、致密性佳的低原子序数材料组成，具体材料为石墨烯或钛，采用真空等离子体方式进行喷涂，主要用于抑制阳极靶表面等离子体形成及提升辐射场均匀性；所述轫致辐射层（2）由50μm纯钽箔叠加而成，叠加数量为9层～12层，各层间的气隙小于1μm；所述电子中子吸收层（3）的材料为石墨，主要用于吸收透射的电子和在轫致辐射层（2）中产生的中子，减小辐射场中的电子中子份额；所述真空结构支撑层（4）的材料为1系铝；
所述等离子体抑制层（1）的厚度为2～50μm；
所述轫致辐射层（2）的厚度为0.45mm～0.90mm；
所述电子中子吸收层（3）的厚度为0.5mm～20mm；
所述真空结构支撑层（4）的厚度为2mm～1cm。
2.一种长寿命强流二极管复合阳极的制作方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、对钽箔进行清洁除尘处理，在无尘车间内将多层钽箔压制为叠靶，形成轫致辐射层；所述轫致辐射层的厚度为0.45mm～0.90mm，由50μm纯钽箔叠加而成，叠加数量为9层～12层，各层间的气隙小于1μm；
步骤二、在无尘车间内采用真空等离子体喷涂的方式将石墨烯或钛喷涂在轫致辐射层的一侧表面，形成等离子体抑制层；所述等离子体抑制层的厚度为2～50μm；
步骤三、制备高纯石墨层和1系铝层，进行除尘处理，形成电子中子吸收层和真空结构支撑层；所述电子中子吸收层的厚度为0.5mm～20mm，所述真空结构支撑层的厚度为2mm～1cm；
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