CN111048377B - 一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极 - Google Patents

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Abstract

为了减弱束流箍缩对强流二极管输出辐射场均匀性的影响，同时增强阳极靶的抗冲击抗烧蚀性能，克服每次实验须更换阳极靶的限制，本发明提供了一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极。该强流二极管复合阳极包括钽片和铝衬底，所述钽片和铝衬底叠加设置；所述钽片的端面设置有通孔，所述通孔内设置有石墨层，所述石墨层由多层高纯石墨片叠加而成；所述铝衬底的端面设置有安装槽，所述安装槽与通孔同轴设置，且安装槽内设置有钨层，所述钨层由多层高纯钨片叠加而成。

Description

一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极
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，具体涉及一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，应用在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射线的装置中。
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)，从阴极出射的电子会由于自磁场的作用向靶中心箍缩聚焦，使得轰击到靶中心的电子多于靶面其他位置，导致二极管输出的辐射场呈现中心强度高、其他地方强度低的问题。同时，轰击到阳极靶上的电子束会对阳极靶产生极强的热力学破坏效应，使得阳极靶特别是阳极中心处破孔、断裂、扭曲，导致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“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，未有采用复合结构设计以期提升二极管输出辐射场的成果。
发明内容
为了减弱束流箍缩对强流二极管输出辐射场均匀性的影响，同时增强阳极靶的抗冲击抗烧蚀性能，克服每次实验须更换阳极靶的限制，本发明提供了一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极。
为实现以上发明目的，本发明的技术方案是：
一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，包括钽片和铝衬底，所述钽片和铝衬底叠加设置；所述钽片的端面设置有通孔，所述通孔内设置有石墨层，所述石墨层由多层高纯石墨片叠加而成；所述铝衬底的端面设置有安装槽，所述安装槽与通孔同轴设置，且安装槽内设置有钨层，所述钨层由多层高纯钨片叠加而成。
进一步地，所述钽片中钽的纯度＞99.99％。
进一步地，所述高纯石墨片选用密度＞1.82g/cm3的石墨。
进一步地，所述高纯钨片中钨的纯度>99.95％。
进一步地，所述铝衬底采用1系铝。
进一步地，所述钽片和铝衬底上设置有螺钉通孔，所述钽片和铝衬底通过螺钉连接。
进一步地，所述钽片和铝衬底的形状和尺寸相同，形状为圆形或矩形。
进一步地，所述通孔和安装槽的形状和尺寸相同，形状为圆形或矩形。
进一步地，所述石墨层通过过盈配合的方式安装在通孔内，所述钨层通过过盈配合的方式安装在安装槽内。
进一步地，所述钽片的厚度为0.4～2mm，所述铝衬底的厚度为2mm～1cm；所述安装槽的深度为0.5～1mm，所述高纯石墨片的厚度为50μm～0.5mm，所述高纯钨片的厚度为100μm～500μm。
与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：
1.本发明用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极中心轫致辐射效率低，可减弱束流箍缩带来的辐射场“中心强、四周弱”的影响，使二极管输出的辐射场更加均匀。
2.本发明用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极中心具有耐烧蚀特性，可大幅增强阳极靶的抗热力学破坏性能。
3.本发明用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极可连续工作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，同时降低了实验成本。
附图说明
图1为本发明用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极的剖面图。
附图标记：1-钽片，2-铝衬底，3-石墨层，4-钨层，5-螺钉通孔。
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。
对于强箍缩型的强流二极管，电子在轰击到阳极的过程中会发生向中心箍缩聚焦的现象，二极管辐射场输出呈现“中心太强、四周偏弱”的现象，且钽阳极靶的破坏主要集中在中心区域，研究发现，在合适的参数下，将钽靶的中心区域部分替换成其他轫致辐射效率更低和更耐烧蚀的材料，可有效降低辐射场中心处的强度、减弱电子束对阳极靶的热力学破坏效应，同时保证输出的射线满足要求。基于此，本发明提供了一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极。
如图1所示，本发明提供的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极包括钽片1和铝衬底2，钽片1和铝衬底2叠加设置；钽片1端面设置有通孔，通孔内设置有石墨层3；铝衬底2的端面设置有安装槽，安装槽与通孔同轴设置，且安装槽内设置有钨层4。钽片1和铝衬底2上设置有螺钉通孔5，钽片1和铝衬底2具体可通过螺钉连接。石墨层3由多层高纯石墨片叠加而成，钨层4由多层高纯钨片叠加而成，铝衬底2材料为1系铝，钽片1中钽的纯度＞99.99％，高纯石墨层选用密度＞1.82g/cm3的石墨，高纯钨片中钨的纯度>99.95％，铝衬底2采用1系铝。
本发明用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极由钽片1和铝衬底2叠加而成，中心掏槽，由多层高纯石墨片和多层高纯钨片替代原有材料进行填充。钽片1和铝衬底2的形状和尺寸可设置为相同，也可设置为不同，形状具体可设置为圆形或矩形，通孔和安装槽的形状和尺寸可设置为相同，也可设置为不同，形状具体可设置为圆形或矩形。
钽片1的厚度具体可为0.4～2mm，铝衬底2的厚度具体可为2mm～1cm；安装槽的深度具体可为0.5～1mm，高纯石墨片的厚度为50μm～0.5mm，所述高纯钨片的厚度为100μm～500μm。
该强流二极管复合阳极中，钽片1与电子束相互作用产生x射线或γ射线，石墨与铝具有较好的耐烧蚀抗冲击特性，且属于低原子序数材料，不会阻碍射线。石墨层采用多层叠加结构，进一步增强了其抗热力学损伤性能。钨的轫致辐射效率低于钽，会削弱中心处的射线产额，有利于提升辐射场的均匀性。同样的，钨层采用多层叠加结构，可增强其抗热力学损伤性能。
本发明提供的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极安装过程中，将多层石墨片和钨片通过紧配合(过盈配合)的方式安装至钽片1和铝衬底2的中心凹槽中，然后将钽片1与铝衬底2通过螺钉连接，钽片1为朝向二极管阴极的一侧。
本发明提供的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极由两层组成，第一层由两部分组成，外侧为环状或者“回”字状的钽片1，中心为多层高纯石墨片，二者拼接组成圆形或者方形的轫致辐射层；第二层为同尺寸的铝衬底2，中心为圆形凹槽，安装多层高纯钨片。二极管工作时，电子束由靶外侧向中心箍缩，聚焦轰击在靶中心的石墨处，由于石墨具有较强的抗冲击抗烧蚀能力，在电子束的轰击下可不发生明显破裂，可连续进行2～4发实验。

Claims (10)

1.一种用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：包括钽片（1）和铝衬底（2），所述钽片（1）和铝衬底（2）叠加设置；
所述钽片（1）中心区域的端面设置有通孔，所述通孔内设置有石墨层（3），所述石墨层（3）由多层高纯石墨片叠加而成；
所述铝衬底（2）的端面设置有安装槽，所述安装槽与通孔同轴设置，且安装槽内设置有钨层（4），所述钨层（4）由多层高纯钨片叠加而成。
2.根据权利要求1所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述钽片（1）中钽的纯度＞99.99%。
3.根据权利要求2所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述高纯石墨片选用密度＞1.82g/cm3的石墨。
4.根据权利要求3所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述高纯钨片中钨的纯度>99.95%。
5.根据权利要求4所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述铝衬底（2）采用1系铝。
6.根据权利要求1至5任一所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述钽片（1）和铝衬底（2）上设置有螺钉通孔（5），所述钽片（1）和铝衬底（2）通过螺钉连接。
7.根据权利要求6所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述钽片（1）和铝衬底（2）的形状和尺寸相同，形状为圆形或矩形。
8.根据权利要求7所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述通孔和安装槽的形状和尺寸相同，形状为圆形或矩形。
9.根据权利要求8所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述石墨层（3）通过过盈配合的方式安装在通孔内，所述钨层（4）通过过盈配合的方式安装在安装槽内。
10.根据权利要求9所述的用于提升辐射场均匀性的强流二极管复合阳极，其特征在于：所述钽片（1）的厚度为0.4~2mm，所述铝衬底（2）的厚度为2mm~1cm；所述安装槽的深度为0.5~1mm，所述高纯石墨片的厚度为50μm~0.5mm，所述高纯钨片的厚度为100μm~500μm。
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