CN111048378B - 一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶 - Google Patents

Abstract

为了克服每次实验须更换整个阳极靶的限制，减小实验成本，同时满足脉冲功率装置快速切换输出射线参数的需求，本发明提供了一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶。该可旋转拼接式强流二极管阳极靶包括旋转支架、旋转套、支撑轴、真空旋转手臂、和拼接式阳极靶；拼接式阳极靶包括支撑板和多个阳极靶；支撑板的端面上设置有多个安装孔，多个阳极靶设置在安装孔内，且安装孔的厚度小于阳极靶的厚度；旋转支架上设置有多个阳极靶安装法兰，拼接式阳极靶置在阳极靶安装法兰上；真空旋转手臂与旋转套连接，将外部动力传递给旋转套，旋转套设置旋转支架的中心，带动旋转支架旋转，支撑轴通过轴承套装在旋转套内，用于支撑旋转支架。

Description

一种可旋转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射线的可旋转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。另外一方面，对于连续以不同射线参数辐照样品的实验需求，现有装置无法满足，只能拆开二极管更换阳极。

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，其中列出的各加速器的二极管均采用单层钽靶，每次实验后或针对不同的实验对象，须更换整个阳极，费时费力。

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，同时满足脉冲功率装置快速切换输出射线参数的需求，本发明提供了一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶。该可旋转拼接式强流二极管阳极靶主要由旋转支架和拼接式阳极靶组成，旋转支架上设置有多个阳极靶安装法兰，可安装多个不同构型的拼接式阳极靶，拼接式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，本发明提供的技术方案是：

一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶，包括旋转支架、旋转套、支撑轴、真空旋转手臂、和多个拼接式阳极靶；所述拼接式阳极靶包括支撑板和多个复合阳极；所述支撑板的端面上设置有多个安装孔，多个复合阳极设置在安装孔内，实现多个复合阳极的紧密排布，且安装孔的厚度小于复合阳极的厚度；所述旋转支架上设置有多个阳极靶安装法兰，所述拼接式阳极靶设置在阳极靶安装法兰上；所述真空旋转手臂与旋转套连接，将外部动力传递给旋转套，所述旋转套设置旋转支架的中心，带动旋转支架旋转，所述支撑轴通过轴承套装在旋转套内，用于支撑旋转支架。

进一步地，所述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厚度的一半。

进一步地，所述真空旋转手臂与电机的输出轴连接，所述电机带动真空旋转手臂转动。

进一步地，所述旋转套与旋转支架过盈配合实现连接，或者所述旋转套与旋转支架通过键连接，所述旋转支架为圆形铝板，所述旋转支架上设置有四个阳极靶安装法兰，四个阳极靶安装法兰沿旋转支架的中心周向均布。

进一步地，所述安装孔为盲孔或台阶通孔，所述复合阳极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，所述支撑板上设置有螺钉孔，用于将支撑板安装在阳极靶安装法兰上。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：

1.本发明提供一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶，该阳极靶安装后，实验时无须拆卸二极管装置和重新抽真空，也无须更换阳极靶，提高了实验效率。

2.本发明提供一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶，旋转靶支架上可安装不同构型的拼接式阳极靶，针对不同的实验对象，可快速切换阳极靶，满足连续以不同射线参数辐照样品的实验需求。

3.本发明提供的拼接式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。

4.本发明提供的拼接式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。

5.本发明提供的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。

6.本发明提供的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。

7.本发明提供的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为本发明可旋转拼接式强流二极管阳极靶的结构示意图；

图2为本发明可旋转拼接式强流二极管阳极靶的安装示意图；

图3为本发明支撑板结构示意图；

图4为本发明拼接式阳极靶的结构示意图；

图5为发明复合阳极的结构示意图。

附图标记：1-旋转支架，2-阳极靶安装法兰，3-旋转套，4-真空旋转手臂，5-拼接式阳极靶，6-支撑轴，7-轴承，8-操作窗口，51-安装孔，52-支撑板，53-螺钉孔，54-复合阳极，541-等离子体抑制层，542-轫致辐射层，543-电子中子吸收层，544-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。

如图1和图2所示，本发明提供了一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶，包括旋转支架1、旋转套3、支撑轴6、真空旋转手臂4和多个拼接式阳极靶5，拼接式阳极靶5具体可为圆形阳极靶、矩形阳极靶或其他构型的阳极靶。旋转支架1上设置有多个阳极靶安装法兰2，将多个不同构型的拼接式阳极靶5安装在阳极靶安装法兰2上；真空旋转手臂4与旋转套3连接，将外部动力传递给旋转套3，旋转套3设置旋转支架1的中心，带动旋转支架1旋转，支撑轴6通过轴承7套装在旋转套3内，用于支撑旋转支架1。

具体的，旋转套3与旋转支架1通过过盈配合实现连接，或者通过键连接，真空旋转手臂4具体可固定连接在旋转套3的端面，将旋转动力传递给旋转套3，真空旋转手臂4的旋转动力具体可通过手动旋转实现，也可通过电机实现。当通过手动旋转实现时，真空腔体的壁上设置有操作窗口8，操作窗口8上设置有真空手套，操作人员通过真空手套旋转真空旋转手臂4；当通过电机实现时，电机设置在真空腔体内，真空旋转手臂4与电机的输出轴连接，将电机的动力传输给旋转套3，从而带动旋转支架1旋转。

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，阳极靶其他部分并未损坏。基于此种现象，上述阳极靶具体可设置为拼接式阳极靶5，该拼接式阳极靶5由多块小型复合阳极54拼接而成，组装灵活，每次实验后仅更换损坏的小块复合阳极54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3和图4所示，本发明提供拼接式阳极靶5包括支撑板52和多个复合阳极54；支撑板52的端面上设置有多个安装孔51，多个复合阳极54设置在安装孔51内，实现多个复合阳极54的紧密排布，同时，安装孔51的厚度小于复合阳极54的厚度，使得复合阳极54的端面突出支撑板52。安装孔51具体可为盲孔或台阶通孔，复合阳极54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。为保证复合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复合阳极靶相互作用产生射线，综合上述二者的要求，将安装孔51的深度定为复合阳极靶54厚度的一半。

支撑板52的形状具体可为矩形或圆形，可与阳极靶安装法兰2的形状相同或者不相同，只要能够安装在阳极靶安装法兰2上即可，支撑板52具体可采用铝板、钢板或铁板，优选的采用铝板，安装孔51的形状具体可为矩形、三角形或六边形，复合阳极54的形状与安装孔51的形状相匹配，只要实现多个复合阳极54的紧密排布即可，支撑板52其端面四周设置有螺钉孔53，用于将支撑板52设置在阳极靶安装法兰2上。

如图5所述，本发明所提供的复合阳极54主要由四层组成，依次为等离子体抑制层541、轫致辐射层542、电子中子吸收层543和真空结构支撑层544。等离子体抑制层541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542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543主要用于吸收透射的电子和在轫致辐射层542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544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541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542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543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544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。

在本发明实施例中，该拼接式阳极靶5整体由多块1cm×1cm小复合阳极54拼接组合而成，安装于网格状安装孔51上，可替换现有强流二极管使用的整块单层钽靶，该拼接式阳极靶5的制作过程如下：1.在厚度为1cm左右的铝片上加工1cm×1cm的网格状安装孔51，安装孔51的厚度为阳极靶厚度的一半，约为0.2～1mm，各安装孔51间距为0.05～0.1mm；2.将多块1cm×1cm的小复合阳极54(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54，该拼接式阳极靶整体性较强，安装、更换方便。

如图2所示，本发明提供的可旋转拼接式强流二极管阳极靶安装在真空腔内，通过真空旋转手臂4进行旋转等操作，旋转支架1具体可为圆形铝板，旋转支架1上设置有四个阳极靶安装法兰2，四个阳极靶安装法兰2沿旋转支架1的中心周向均布，四个阳极靶安装法兰2可安装四个不同构型的拼接式阳极靶5，可根据实验需求，转动旋转支架1，将不同的拼接式阳极靶5旋转至二极管阳极处进行实验。

在实验过程中，将不同构型的拼接式阳极靶5安装至旋转支架1的阳极靶安装法兰2上，通过支撑轴6将旋转支架1安装至脉冲功率装置的二极管腔体处。整个二极管腔体与旋转拼接式阳极靶5处在真空腔中，关闭真空腔，将腔体抽至10^-3Pa后即可进行实验。实验完成后无须拆卸二极管装置和重新抽真空，直接利用真空旋转手臂4将另一拼接式阳极靶5转动至脉冲功率装置对应位置，固定后即可开始下一实验。

Claims (8)

1.一种可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：包括旋转支架(1)、旋转套(3)、支撑轴(6)、真空旋转手臂(4)和多个拼接式阳极靶(5)；

所述拼接式阳极靶(5)包括支撑板(52)和多个复合阳极(54)；所述支撑板(52)的端面上设置有多个安装孔(51)，多个复合阳极(54)设置在安装孔(51)内，实现多个复合阳极(54)的紧密排布，且安装孔(51)的厚度小于复合阳极(54)的厚度；

所述旋转支架(1)上设置有多个阳极靶安装法兰(2)，所述拼接式阳极靶(5)设置在阳极靶安装法兰(2)上；

所述真空旋转手臂(4)与旋转套(3)连接，将外部动力传递给旋转套(3)，所述旋转套(3)设置旋转支架(1)的中心，带动旋转支架(1)旋转，所述支撑轴(6)通过轴承(7)套装在旋转套(3)内，用于支撑旋转支架(1)；

所述复合阳极(54)包括依次设置的等离子体抑制层(541)、轫致辐射层(542)、电子中子吸收层(543)和真空结构支撑层(544)；

所述等离子体抑制层(541)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(542)为多层钽箔叠加并由机床压结而成，所述电子中子吸收层(543)的材料为石墨，所述真空结构支撑层(544)的材料为1系铝。

2.根据权利要求1所述的可旋转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(541)的厚度为2～50μm，所述轫致辐射层(542)的厚度为0.45mm～0.90mm，所述电子中子吸收层(543)的厚度为0.5mm～20mm，所述真空结构支撑层(544)的厚度为2mm～1cm。

3.根据权利要求2所述的可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述轫致辐射层(542)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任一所述的可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述安装孔(51)的深度为复合阳极(54)厚度的一半。

5.根据权利要求4所述的可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述真空旋转手臂(4)与电机的输出轴连接，所述电机带动真空旋转手臂(4)转动。

6.根据权利要求5所述的可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述旋转套(3)与旋转支架(1)过盈配合实现连接，或者所述旋转套(3)与旋转支架(1)通过键连接，所述旋转支架(1)为圆形铝板，所述旋转支架(1)上设置有四个阳极靶安装法兰(2)，四个阳极靶安装法兰(2)沿旋转支架(1)的中心周向均布。

7.根据权利要求6所述的可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述安装孔(51)为盲孔或台阶通孔，所述复合阳极(54)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。

8.根据权利要求7所述的可旋转拼接式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述支撑板(52)为铝板，所述支撑板(52)上设置有螺钉孔(53)，用于将支撑板(52)安装在阳极靶安装法兰(2)上。

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