CN111048380B - 一种可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶 - Google Patents

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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，本发明提供了一种可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶。该可旋转耐烧蚀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；复合阳极靶包括钽片和铝衬底，钽片和铝衬底叠加设置；钽片的端面设置有通孔，通孔内设置有第一石墨层；铝衬底的端面设置有安装槽，安装槽与通孔同轴设置且连通，安装槽内设置有第二石墨层；旋转支架上设置有多个阳极靶安装法兰，复合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，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

一种可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶
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射线的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶。
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阳极靶产生极强的热力学破坏效应，使得阳极破孔、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。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耐烧蚀强流二极管阳极靶。该可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶主要由旋转支架和复合阳极靶组成，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复合阳极靶，同时，该复合阳极靶减弱了强流电子束对阳极靶的热力学破坏效应，增强阳极靶的抗冲击抗烧蚀性能。
为实现以上发明目的，本发明提供的技术方案是：
一种可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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；所述复合阳极靶包括钽片和铝衬底，所述钽片和铝衬底叠加设置；所述钽片的端面设置有通孔，所述通孔内设置有第一石墨层，所述第一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连通，所述安装槽内设置有第二石墨层，所述第二石墨层由多层高纯石墨片叠加而成；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，所述钽片中钽的纯度＞99.99％，所述高纯石墨片选用密度＞1.82g/cm3的石墨，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。
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，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，所述第一石墨层通过过盈配合的方式安装在通孔内，所述第二石墨层通过过盈配合的方式安装在安装槽内。
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耐烧蚀强流二极管阳极靶，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耐烧蚀强流二极管阳极靶，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设置有多层高纯石墨片，因此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。
4.本发明提供的复合阳极靶可连续工作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为本发明可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶的结构示意图；
图2为本发明可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶的安装示意图；
图3为本发明复合阳极靶的剖面图。
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-钽片，52-铝衬底，53-第一石墨层，54-第二石墨层，55-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。
如图1和图2所示，本发明提供了一种可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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，电机的动力传输给旋转套3，从而带动旋转支架1旋转。
对于强箍缩型的强流二极管，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更耐烧蚀的材料，可有效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，本发明提供了一种复合阳极靶5。
如图3所示，本发明提供的复合阳极靶5包括钽片51和铝衬底52，钽片51和铝衬底52叠加设置；钽片51端面设置有通孔，通孔内设置有第一石墨层53；铝衬底52的端面设置有安装槽，安装槽与通孔同轴设置且连通，安装槽内设置有第二石墨层54。钽片51和铝衬底52上设置有螺钉通孔55，钽片51和铝衬底52具体可通过螺钉连接。第一石墨层53和第二石墨层54由多层高纯石墨片叠加而成，铝衬底52材料为1系铝，钽片51中钽的纯度＞99.99％，高纯石墨层2选用密度＞1.82g/cm3的石墨。铝衬底52采用1系铝。该复合阳极靶5中，钽片51用于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。
钽片51的厚度具体可为0.4～2mm，铝衬底52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。
复合阳极靶5的安装过程中，将多层石墨片通过紧配合(过盈配合)的方式安装至钽片51和铝衬底52的中心凹槽中，然后将钽片51与铝衬底52通过螺钉连接，钽片51为朝向二极管阴极的一侧。钽片51和铝衬底52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。
本发明提供的复合阳极靶5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51，中心为多层高纯石墨片，由多层高纯石墨片替代原有材料进行填充，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52，中心为圆形凹槽，安装多层高纯石墨片。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。
如图2所示，本发明提供的可旋转耐烧蚀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 (10)

1.一种可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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)和多个复合阳极靶(5)；
所述复合阳极靶(5)包括钽片(51)和铝衬底(52)，所述钽片(51)和铝衬底(52)叠加设置；所述钽片(51)中心区域的端面设置有通孔，所述通孔内设置有第一石墨层(53)，所述第一石墨层(53)由多层高纯石墨片叠加而成；所述铝衬底(52)的端面设置有安装槽，所述安装槽与通孔同轴设置且连通，所述安装槽内设置有第二石墨层(54)，所述第二石墨层(54)由多层高纯石墨片叠加而成；
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)。
2.根据权利要求1所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，其特征在于：所述钽片(51)中钽的纯度＞99.99％，所述高纯石墨片选用密度＞1.82g/cm3的石墨，所述铝衬底(52)采用1系铝。
3.根据权利要求2所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，其特征在于：所述钽片(51)和铝衬底(52)上设置有螺钉通孔(55)，所述钽片(51)和铝衬底(52)通过螺钉连接。
4.根据权利要求1或2或3所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，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所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，其特征在于：所述旋转支架(1)为圆形铝板。
9.根据权利要求8所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，其特征在于：所述钽片(51)和铝衬底(52)的形状和尺寸相同，形状为圆形或矩形，所述通孔和安装槽的形状和尺寸相同，形状为圆形或矩形。
10.根据权利要求9所述的可旋转耐烧蚀强流二极管阳极靶，其特征在于：所述第一石墨层(53)通过过盈配合的方式安装在通孔内，所述第二石墨层(54)通过过盈配合的方式安装在安装槽内。
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