CN111048379B - 一种旋转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，同时满足脉冲功率装置快速切换输出射线参数的需求，本发明提出了一种旋转式强流二极管阳极靶。该旋转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阳极靶；旋转支架上设置有多个阳极靶安装法兰，阳极靶设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。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，同时，该阳极靶满足连续以不同射线参数辐照样品的实验需求，提高了实验效率。

Description

一种旋转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射线的旋转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，本发明提供了一种旋转式强流二极管阳极靶。该旋转式强流二极管阳极靶主要由旋转支架和阳极靶组成，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阳极靶。

为实现以上发明目的，本发明提供的技术方案是：

一种旋转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复合阳极靶；所述旋转支架上设置有多个阳极靶安装法兰，所述复合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。

进一步地，所述旋转套与旋转支架通过键连接。

进一步地，所述旋转支架为圆形铝板。

与现有技术相比，本发明技术方案的优点是：

1.本发明提供一种旋转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.本发明提供一种旋转式强流二极管阳极靶，旋转靶支架上可安装不同构型的阳极靶，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，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为本发明旋转式强流二极管阳极靶的结构示意图；

图2为本发明旋转式强流二极管阳极靶的安装示意图。

图3为发明提供的复合阳极靶的结构示意图。

附图标记：1-旋转支架，2-阳极靶安装法兰，3-旋转套，4-真空旋转手臂，5-复合阳极靶，6-支撑轴，7-轴承，8-操作窗口，51-等离子体抑制层，52-轫致辐射层，53-电子中子吸收层，54-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，本发明提供了一种旋转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和多个复合阳极靶5，复合阳极靶5具体可为圆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，将多个不同构型的复合阳极靶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，或者旋转套3与旋转支架1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。

如图3所述，本发明所提供的复合阳极靶5主要由四层组成，依次为等离子体抑制层51、轫致辐射层52、电子中子吸收层53和真空结构支撑层54。等离子体抑制层51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52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53主要用于吸收透射的电子和在轫致辐射层52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54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51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52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53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54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。

如图2所示，本发明提供的旋转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，在本发明实施例中，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复合阳极靶5，可根据实验需求，转动旋转支架1，将不同的复合阳极靶5旋转至二极管阳极处进行实验。

在实验过程中，将不同构型的复合阳极靶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复合阳极靶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将另一复合阳极靶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)

1.一种旋转式强流二极管阳极靶，其特征在于：用于脉冲功率装置中，包括旋转支架(1)、旋转套(3)、支撑轴(6)、真空旋转手臂(4)和多个复合阳极靶(5)；

所述旋转支架(1)上设置有多个阳极靶安装法兰(2)，所述复合阳极靶(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)；

所述复合阳极靶(5)包括依次设置的等离子体抑制层(51)、轫致辐射层(52)、电子中子吸收层(53)和真空结构支撑层(54)；

所述等离子体抑制层(51)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，采用真空等离子体喷涂工艺制作，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(52)的材料为钽，主要由多层钽箔叠加由机床压结而成；所述电子中子吸收层(53)的材料为石墨，主要用于吸收透射的电子和在轫致辐射层(5 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(54)的材料为1系铝。

2.根据权利要求1所述的旋转式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述等离子体抑制层(51)的厚度为2～50μm，所述轫致辐射层(52)的厚度为0.45mm～0.90mm，所述电子中子吸收层(53)的厚度为0.5mm～20mm，所述真空结构支撑层(54)的厚度为2mm～1cm。

3.根据权利要求2所述的旋转式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述轫致辐射层(52)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任一所述的旋转式强流二极管阳极靶，其特征在于：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。

5.根据权利要求4所述的旋转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所述的旋转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。

7.根据权利要求6所述的旋转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)通过键连接。

8.根据权利要求7所述的旋转式强流二极管阳极靶，其特征在于：所述旋转支架(1)为圆形铝板。

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