CN110993470B - 一种大面积拼接式强流二极管阳极靶 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种大面积拼接式强流二极管阳极靶，该二极管阳极靶克服了每次实验须更换整个阳极靶的限制，实现了减小实验成本的目的。大面积拼接式强流二极管阳极靶包括支撑板和多个阳极靶；所述支撑板的端面上设置有多个安装孔，多个阳极靶安装在安装孔内，实现多个阳极靶的紧密排布，且安装孔的厚度小于阳极靶的厚度。该二极管阳极靶由多块小阳极靶拼接而成，实验完成后仅需更换损坏的部分阳极靶，无需整体更换，节省了实验成本。

Description

一种大面积拼接式强流二极管阳极靶

技术领域

本发明属于高功率强流脉冲电子束与物质相互作用领域，具体涉及一种用于强流电子束与物质相互作用产生高剂量大面积x射线或γ射线的大面积拼接式强流二极管阳极靶。

背景技术

强流二极管主要由处于真空中的阴极、阳极组成，其主要功能是通过阴极发射的强流电子束与高原子序数(下简称Z)阳极靶相互作用产生高剂量大面积x射线或γ射线。在二极管阳极区域，由于电子束能量高、强度大(0.3～15MeV、10kA～25MA)，轰击到阳极靶上的电子束会对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，使得阳极破孔、断裂、扭曲，每次实验后须整体更换阳极靶，实验效率低下。

现有脉冲功率装置的强流二极管所用阳极靶多为单层钽靶，蒯斌等所著的《高功率辐射模拟设备及其应用分析》、《长脉冲高阻抗强流电子束二极管》等文章中介绍了的“晨光号”、“强光一号”等加速器基本构造，文中列出的各加速器的二极管均采用单层钽靶，但是存在每次实验后须更换整个阳极的问题。

发明内容

为了提升强流二极管输出辐射场的均匀性，克服每次实验须更换整个阳极靶的限制，减小实验成本，本发明提供了一种大面积拼接式强流二极管阳极靶。该阳极靶由多块小型靶拼接而成，组装灵活，每次实验后仅更换损坏的小块阳极靶即可，无需整体更换阳极靶，方便快捷，减小实验成本。

为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：

一种大面积拼接式强流二极管阳极靶，包括支撑板和多个复合阳极靶；所述支撑板的端面上设置有多个安装孔，多个复合阳极靶设置在安装孔内，实现多个复合阳极靶的紧密排布，且安装孔的厚度小于复合阳极靶的厚度。

进一步地，所述复合阳极靶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，所述轫致辐射层主要由多层钽箔叠加而成。

进一步地，所述等离子体抑制层的厚度为2～50μm，所述轫致辐射层的厚度为0.45mm～0.90mm，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，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。

进一步地，所述安装孔的深度为复合阳极靶厚度的一半。

进一步地，所述安装孔为盲孔或台阶通孔，所述复合阳极靶过盈配合安装在盲孔内，或者过盈配合安装在台阶通孔的小端。

进一步地，所述支撑板为铝板。

进一步地，所述支撑板上设置有螺钉孔，用于将支撑板安装在脉冲功率装置上。

进一步地，所述安装孔为1cm×1cm的矩形槽，槽间距为0.05～0.1mm，所述支撑板的厚度为1cm，所述安装孔的深度为0.2～1mm。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：

1.本发明提供的大面积拼接式强流二极管阳极靶由多块小阳极靶拼接而成，实验完成后仅需更换损坏的部分阳极靶，无需整体更换，节省实验成本。

2.本发明提供的大面积拼接式强流二极管阳极靶由多块小阳极靶拼接而成，实验完成后仅需更换损坏的部分阳极靶，无需整体更换，提高了实验效率。

3.本发明提供的复合阳极靶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。

4.本发明提供的复合阳极靶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。

5.本发明提供的复合阳极靶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为本发明大面积拼接式强流二极管阳极靶的支撑板结构示意图；

图2为本发明大面积拼接式强流二极管阳极靶的结构示意图；

图3为发明提供的复合阳极靶的结构示意图。

附图标记：1-安装孔，2-支撑板，3-螺钉孔，4-复合阳极靶，41-等离子体抑制层，42-轫致辐射层，43-电子中子吸收层，44-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。

研究发现，由于强流二极管中的电子束存在箍缩现象，电子束对阳极靶的破坏一般多集中在某一靶区域，阳极靶的其它部分并未损坏。基于此种现象，本发明提供了一种大面积拼接式强流二极管阳极靶。该阳极靶由多块小型靶拼接而成，组装灵活，每次实验后仅更换损坏的小块阳极靶即可，无需整体更换阳极靶，阳极靶的更换方便快捷，减小了实验耗材损耗。

如图1和图2所示，本发明提供了一种大面积拼接式强流二极管阳极靶，包括支撑板2和多个复合阳极靶4；支撑板2的端面上设置有多个安装孔1，多个复合阳极靶4设置在安装孔1内，实现多个阳极靶的紧密排布，同时，安装孔1的厚度小于复合阳极靶4的厚度，使得复合阳极靶4的端面突出支撑板2。安装孔1具体可为盲孔或台阶通孔，复合阳极靶4可通过过盈配合安装在盲孔内，或者通过过盈配合安装在台阶通孔的小端。为保证阳极靶安装的结构强度，另一方面，支撑板材料应尽量不要出现在靶面，应让到达阳极的电子全部与靶相互作用产生射线，综合上述二者的要求，将安装孔1的深度定为复合阳极靶4厚度的一半。

支撑板2具体可采用铝板、钢板或铁板，优选的采用铝板，安装孔1的形状具体可为矩形、三角形或六边形，复合阳极靶4的形状与安装孔1的形状相匹配，只要实现多个复合阳极靶4的紧密排布即可。支撑板2其端面四周设置有螺钉孔3，用于将支撑板2设置在脉冲功率装置上。支撑板2的厚度可具体设置为1cm，安装孔1可具体设置为1cm×1cm的矩形槽，安装孔1的深度具体为0.2～1mm，槽间距为0.05～0.1mm。

如图3所述，本发明所提供的复合阳极靶4主要由四层组成，依次为等离子体抑制层41、轫致辐射层42、电子中子吸收层43和真空结构支撑层44。等离子体抑制层41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42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43主要用于吸收透射的电子和在轫致辐射层42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44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41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42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43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44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。

本发明提供的大面积拼接式强流二极管阳极靶由多块1cm×1cm小复合阳极靶4拼接组合而成，安装于网格状安装孔1上，可替换现有强流二极管使用的整块单层钽靶。该大面积拼接式强流二极管阳极靶的制作过程如下：

1.在厚度为1cm左右的铝片上加工1cm×1cm的网格状阳极靶安装孔1，槽深为复合阳极靶4厚度的一半，约为0.2～1mm，各安装孔1间距为0.05～0.1mm；

2.将多块1cm×1cm的小复合阳极靶4(材料为钽)通过紧配合的方式安装至槽中，即可组成一整块大面积复合阳极靶4，该方案的拼接式复合阳极靶4整体性较强，安装、更换方便。

Claims (8)

1.一种大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：包括支撑板(2)和多个复合阳极靶(4)；

所述支撑板(2)的端面上设置有多个安装孔(1)，多个复合阳极靶(4)设置在安装孔(1)内，实现多个复合阳极靶(4)的紧密排布，且安装孔(1)的厚度小于复合阳极靶(4)的厚度；

所述复合阳极靶(4)包括依次设置的等离子体抑制层(41)、轫致辐射层(42)、电子中子吸收层(43)和真空结构支撑层(44)；

所述等离子体抑制层(41)的材料为石墨烯或钛，采用真空等离子体喷涂工艺制作；

所述轫致辐射层(42)为多层钽箔叠加由机床压结而成，所述电子中子吸收层(43)的材料为石墨，所述真空结构支撑层(44)的材料为1系铝。

2.根据权利要求1所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述等离子体抑制层(41)的厚度为2～50μm，所述轫致辐射层(42)的厚度为0.45mm～0.90mm，所述电子中子吸收层(43)的厚度为0.5mm～20mm，所述真空结构支撑层(44)的厚度为2mm～1cm。

3.根据权利要求2所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述轫致辐射层(42)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。

4.根据权利要求1至3任一所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述安装孔(1)的深度为复合阳极靶(4)厚度的一半。

5.根据权利要求4所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述安装孔(1)为盲孔或台阶通孔，所述复合阳极靶(4)过盈配合安装在盲孔内，或者过盈配合安装在台阶通孔的小端。

6.根据权利要求5所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述支撑板(2)为铝板。

7.根据权利要求6所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述支撑板(2)上设置有螺钉孔(3)，用于将支撑板(2)安装在脉冲功率装置上。

8.根据权利要求7所述的大面积拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述安装孔(1)为1cm×1cm的矩形槽，槽间距为0.05～0.1mm，所述支撑板(2)的厚度为1cm，所述安装孔(1)的深度为0.2～1mm。

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