CN111524772A - 一种串级式轫致辐射反射三极管 - Google Patents

Abstract

本发明提供了一种串级式轫致辐射反射三极管，解决现有反射三极管X射线转换效率低，以及无法应用在大型高电压脉冲功率驱动源中的问题。该串级式轫致辐射反射三极管包括阳极引出段、接地筒、悬浮电极、绝缘子、第一级反射三极管、第二级反射三极管和真空腔室。悬浮电极、阳极引出段和接地外筒形成串级反射三极管的支撑结构，采用内置式绝缘子实现高压绝缘和悬浮电极电位悬浮。将两个不同尺寸的同轴反射三极管串联工作，在脉冲作用下，两级反射三极管阴极发射电子，穿透阳极并在空间多次反射打靶，产生脉冲X射线。

Description

一种串级式轫致辐射反射三极管

技术领域

本发明属于脉冲功率技术及应用领域，具体涉及一种串级式轫致辐射反射三极管，用于大型高电压脉冲功率装置产生脉冲硬X射线。

背景技术

光子能量为10～100keV的脉冲X射线在系统电磁脉冲效应研究中有着重要的应用。利用高功率脉冲装置驱动轫致辐射负载是产生脉冲X射线辐射环境的基本方法。但是，由于系统电磁脉冲效应对X射线能谱的限制，不能通过提高脉冲源的电压获得更强的辐射强度，因此无法充分利用脉冲源的驱动能力。在轫致辐射负载方面，由于低能电子打靶X射线转换效率较低，因此难以通过串联方式提高X射线强度，以上限制使得高强度、大面积脉冲硬X射线的产生成为一个技术难题。

单间隙电子束二极管及其串并联技术是脉冲硬X射线产生的重要途径，但是电子与靶材作用一次后，剩余能量无法利用，X射线转换效率极低，同时由于靶材自身对低能X射线的吸收，进一步降低了X射线产额。

反射三极管可以使电子在阴阳极间隙内多次反射打靶，高效利用了电子的动能，从而提高了电子转换X射线的效率。但是，由于X射线能谱的限制，不能通过提高驱动源电压进一步提高X射线的强度，极大制约了高电压大型脉冲功率设备的应用。现有的平面型轴向反射三极管工作原理如图1所示，X射线向前后两个方向对称辐射，辐照试验中仅能利用其中一个方向，X射线的利用效率较低，更重要的是平面反射三极管结构无法实现串联工作，难以应用于大型脉冲功率装置，通过提高电压充分利用功率源的驱动能力，产生大面积、高能注量的脉冲硬X射线辐射场。在提高X转换效率的基础上，进一步提高驱动源和X射线的利用效率成为脉冲硬X射线负载亟需解决的问题。

发明内容

本发明的目的是解决现有反射三极管X射线转换效率低，以及无法应用在大型高电压脉冲功率驱动源中的问题，提供了一种串级式轫致辐射反射三极管。该串级式轫致辐射反射三极管中，单个反射三极管采用同轴结构，电子多次穿透靶材提高X射线转换效率，电子束流在自磁场作用下向辐射方向运动，提高了X射线的利用效率。同时，针对高电压大型脉冲功率装置的应用，通过同轴反射三极管串联工作，降低每一级反射三极管电压，保证X射线能谱，两级反射三极管产生的X射线在空间叠加，形成更高强度的X射线辐射场。

为实现以上发明目的，本发明的具体方案如下：

一种串级式轫致辐射反射三极管，包括阳极引出段、接地筒、悬浮电极、绝缘子、第一级反射三极管、第二级反射三极管和真空腔室；所述阳极引出段为筒体结构，其左端与脉冲功率源输出端连接，将正高电压引出，右端筒壁上设有多个沿轴向设置、周向均布的安装缺口；所述接地筒包括同轴设置的接地外筒和接地内筒，所述接地外筒的左端与脉冲功率源接地端连接，与阳极引出段构成同轴磁绝缘传输线，右端与真空腔室连接，形成真空腔体；所述接地内筒设置在接地外筒内侧，其左端与接地外筒固定连接，右端设置有多个沿轴向设置、周向均布的预留缺口；所述悬浮电极与阳极引出段、接地筒同轴设置，包括由外向内同轴依次设置的阳极固定环、外阴极固定环和内阴极固定环，且阳极固定环、外阴极固定环和内阴极固定环通过连接支架连接为整体；所述阳极固定环位于接地外筒和接地内筒之间，所述外阴极固定环位于接地内筒和阳极引出段之间，所述内阴极固定环位于阳极引出段腔体内，所述连接支架插入阳极引出段的安装缺口、接地内筒的预留缺口内，形成绝缘间隙；所述绝缘子设置在阳极引出段的腔体内，且与阳极引出段同轴，其一端与脉冲功率源输出端面连接，另一端与悬浮电极的内阴极固定环连接；所述第一级反射三极管包括第一阳极环和两组第一阴极环，所述第一阳极环设置在阳极引出段的右端面，两组第一阴极环分别设置在外阴极固定环和内阴极固定环的右端面；所述第二级反射三极管包括第二阳极环和两组第二阴极环，所述第二阳极环设置在阳极固定环的右端面，两组第二阴极环分别设置在接地外筒和接地内筒的右端面。

进一步地，所述第一阳极环和第二阳极环包括圆筒状钽箔膜和支撑环，所述圆筒状钽箔膜粘接在支撑环外周面上，所述支撑环插接在阳极固定环、阳极引出段的右端面。

进一步地，所述圆筒状钽箔膜的厚度为10～20μm。

进一步地，所述第一阴极环正对第一阳极环的侧面设置有凹槽，用于增加第一阴极环表面的电场强度；所述第二阴极环正对第二阳极环的侧面设置有凹槽，用于增加第二阴极环表面的电场强度。

进一步地，所述绝缘子为尼龙圆柱，表面设置有波纹结构，用于增减绝缘距离。

进一步地，所述第一阴极环和第二阴极环为高纯石墨材料矩形截面圆环。

进一步地，所述第一阳极环与外侧的第一阴极环之间的间隙为a1，所述第一阳极环与内侧的第一阴极环之间的间隙为a2，a1与a2的偏差小于0.2mm；所述第二阳极环与外侧的第二阴极环之间的间隙为a3，所述第二阳极环与内侧的第二阴极环之间的间隙为a4，a3与a4的偏差小于0.2mm。

进一步地，所述真空腔室的真空度小于1×10^-2Pa。

进一步地，所述接地外筒的外周面上设置有第一安装法兰，所述真空腔室上设置有第二安装法兰，所述接地外筒和真空腔室通过第一安装法兰和第二安装法兰的配合安装连接。

与现有技术相比，本发明技术方案具有如下优点：

1、本发明提供了一种串级式轫致辐射反射三极管，解决了平面型反射三极管结构无法串联工作的问题，其通过两级同轴反射三极管串联分压，降低了电子能量，保证脉冲X射线能谱逼真度，可应用于大型高电压脉冲功率驱动源，提高脉冲功率源的利用效率，产生更高辐射强度的脉冲X射线。

2、本发明采用同轴型反射三极管，通过电子多次反射打靶，电子打靶产生X射线后，电子能量降低并继续与靶材相互作用，充分利用电子动能，大幅提高了X射线转换效率。同时，反射的低能电子有利于降低X射线能谱。利用电子束流自磁场作用使电子向X射线辐射方向运动并打靶，产生的X射线集中在同一方向，有利于获得更高辐射强度，提高X射线的利用效率。

3、本发明串级式轫致辐射反射三极管设置有脉冲功率馈入结构，阳极引出段和接地筒构成磁绝缘传输线，实现脉冲电压的引入，减小结构电感，提高了电压脉冲传输效率。

4、本发明串级式轫致辐射反射三极管通过阳极引出段、接地筒和悬浮电极的结构配合，解决了悬浮电极的整体安装和电位悬浮问题，使其结构紧凑、安装简便，提高安装精度，实现串级反射三极管功能。

5、本发明串级式轫致辐射反射三极管采用内置式的绝缘支撑结构，降低高压绝缘的难度，通过增加绝缘子表面绝缘距离，提高串级反射三极管的绝缘可靠性。

附图说明

图1为现有平面型轴向反射三极管工作原理示意图；

图2为本发明同轴型反射三极管工作原理示意图；

图3为本发明串级式轫致辐射反射三极管工作原理示意图；

图4为本发明串级式轫致辐射反射三极管剖视图；

图5为本发明串级式轫致辐射反射三极管结构示意图；

图6为本发明串级式轫致辐射反射三极管中接地筒的结构示意图；

图7为本发明串级式轫致辐射反射三极管中悬浮电极的结构示意图。

附图标记：1-阳极引出段，2-接地筒，3-悬浮电极，4-绝缘子，5-第一阳极环，6-第二阳极环，7-第一阴极环，8-第二阴极环，9-真空腔室，10-脉冲功率源输出端，11-接地外筒，12-接地内筒，13-预留缺口，14-阳极固定环，15-外阴极固定环，16-内阴极固定环，17-绝缘子固定端面，18-连接支架，19-安装缺口，20-凹槽，21-第一安装法兰，22-第二安装法兰。

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。

本发明提供一种产生强脉冲硬X射线的串级式轫致辐射反射三极管，将两个不同尺寸的同轴反射三极管串联工作，通过分压降低每一级反射三极管电压，进而降低了打靶电子能量，保证了脉冲X射线能谱逼真度。在X射线能谱不变的条件下，提高脉冲功率源的利用效率，产生更高辐射强度的脉冲X射线，可应用于大型高电压脉冲功率驱动源，充分利用高电压大型脉冲功率装置的驱动能力。

如图4至图7所示，本发明提供的串级式轫致辐射反射三极管包括阳极引出段1、接地筒2、悬浮电极3、绝缘子4、第一级反射三极管、第二级反射三极管和真空腔室9。本发明利用悬浮电极3、阳极引出段1和接地外筒11形成串级反射三极管的支撑结构，采用内置式绝缘子4实现高压绝缘和悬浮电极3电位悬浮。同时，将所有部件放置于真空腔体内，在脉冲作用下，两级反射三极管阴极发射电子，穿透阳极并在空间多次反射打靶，产生脉冲X射线。下面对各部件的具体结构和安装详细描述如下。

如图4所示，本发明阳极引出段1为不锈钢圆筒，其左端通过螺钉与脉冲功率源输出端10面连接，将脉冲高压引出，右端筒壁上设有四个沿轴向设置、周向均布的安装缺口19，为悬浮电极3安装预留空间。

如图4和图6所示，本发明接地筒2为双层不锈钢圆筒，包括同轴设置的接地外筒11和接地内筒12，接地外筒11的左端与脉冲功率源接地端通过螺钉连接，与阳极引出段1构成同轴磁绝缘传输线，右端与真空腔室9连接，形成真空腔体，为电子产生、反射、打靶提供真空环境，真空腔室9的真空度小于1×10^-2Pa。接地内筒12设置在接地外筒11内侧，其左端与接地外筒11固定连接，右端设置有四个沿轴向设置、周向均布的预留缺口13，用于安装悬浮电极3。

在本发明实施例中，接地外筒11和真空腔室9具体可通过以下方式安装：接地外筒11的外周面上设置有第一安装法兰21，真空腔室9上设置有第二安装法兰22，接地外筒11和真空腔室9通过第一安装法兰21和第二安装法兰22配合安装连接。

如图4和图7所示，本发明悬浮电极3为三层圆筒状结构，与阳极引出段1、接地筒2同轴设置，其包括由外向内同轴依次套装的阳极固定环14、外阴极固定环15和内阴极固定环16，且阳极固定环14、外阴极固定环15和内阴极固定环16通过“十”字形连接支架18连接成整体。阳极固定环14位于接地外筒11和接地内筒12之间，外阴极固定环15位于接地内筒12和阳极引出段1之间，内阴极固定环16位于阳极引出段1腔体内，“十”字形连接支架18插入阳极引出段1的安装缺口19和接地内筒12的预留缺口13内，形成绝缘间隙。同时，内阴极固定环16的右侧设置有绝缘子固定端面17，用于与绝缘子4连接，实现电位悬浮。

如图5所示，本发明绝缘子4设置在阳极引出段1的腔体内，其一端与脉冲功率源输出端10面固定，另一端连接悬浮电极3，对悬浮电极3进行定位和绝缘。绝缘子4具体可为尼龙圆柱，表面设置有波纹结构，用于增减绝缘距离。

如图4和图5所示，本发明第一级反射三极管位于内侧，第二级反射三极管位于外侧，二者构成两级串联工作的反射三极管。第一级反射三极管具体包括第一阳极环5和两组第一阴极环7，第一阳极环5设置在阳极引出段1的右端面，两组第一阴极环7分别设置在外阴极固定环15和内阴极固定环16的右端面，且第一阳极环5和第一阴极环7保持同轴。第二级反射三极管具体包括第二阳极环6和两组第二阴极环8，第二阳极环6设置在阳极固定环14的右端面，两组第二阴极环8分别设置在接地外筒11和接地内筒12的右端面，且第二阳极环6和第二阴极环8保持同轴。

在本发明实施例中，第一阳极环5和第二阳极环6具体可包括圆筒状钽箔膜和支撑环，圆筒状钽箔膜粘接在支撑环的外侧，支撑环与阳极固定环14、阳极引出段1的右端面紧密配合插接，实现阳极的定位，圆筒状钽箔膜的厚度具体可为10～20μm。第一阴极环7和第二阴极环8为高纯石墨材料矩形截面圆环，第一阴极环7正对第一阳极环5的侧面设置有凹槽20，用于增加第一阴极环7表面的电场强度；第二阴极环8正对第二阳极环6的侧面设置有凹槽20，用于增加第二阴极环8表面的电场强度，提高阴极发射的稳定性。

本发明提供一种上述串级式轫致辐射反射三极管的安装方法，具体包括以下步骤：

步骤一、将阳极引出段1通过螺钉紧固在脉冲功率源输出端10，接地筒2通过螺钉安装在脉冲功率源接地端，保证二者同轴，同时使得预留缺口13和安装缺口19的方向一致，以便悬浮电极3安装；

步骤二、将绝缘子4同轴安装在阳极引出段1的腔体内，且与阳极引出段1同轴，同时将其一端与脉冲功率源输出端10连接，绝缘子4表面保持无损、清洁；

步骤三、根据两级反射三极管的阳极半径计算周长，裁剪钽箔，保持其完整、平整，将钽箔粘接在支撑环外侧，保证表面无褶皱，从而形成第一阳极环5和第二阳极环6，随后将第一阳极环5紧密配合插接在阳极引出段1的右端面，将第二阳极环6紧密配合插接在阳极固定环14的右端面；

步骤四、将悬浮电极3底部的“十”字形连接支架18插入阳极引出段1的安装缺口19、接地内筒12的预留缺口13内，保持左右间隙距离一致，通过绝缘子固定端面17将其固定在绝缘子4上；

步骤五、在已知脉冲功率源输出阻抗和电压的情况下，根据串联分压要求和各级反射三极管的尺寸，由式(1)计算得到各级反射三极管间隙，第一阴极环7与第一阳极环5、第二阴极环8与第二阳极环6的间隙d具体满足公式(1)，根据计算得到的间隙，将第一级反射三极管的两组第一阴极环7分别通过螺钉固定在外阴极固定环15和内阴极固定环16的右端面，将第二级反射三极管的两组第二阴极环8分别通过螺钉设置在接地外筒11和接地内筒12的右端面；

其中，Z为单级反射三极管阻抗，V为单级反射三极管工作峰值电压，W为阴极正对阳极发射面的宽度，R_a和R_c分别表示阳极半径和内阴极半径，J₀为一维条件下的Child-Langmiur束流密度；

步骤六、利用阴极环通孔余量精细调节调整第一阴极环7和第二阴极环8的位置，最终使得a1与a2的偏差小于0.2mm，a3与a4的偏差小于0.2mm，保证阴极发射均匀性和束流对称性；

其中，a1为第一阳极环5与外侧的第一阴极环7之间的间隙；

a2为第一阳极环5与内侧的第一阴极环7之间的间隙；

a3为第二阳极环6与外侧的第二阴极环8之间的间隙；

a4为第二阳极环6与内侧的第二阴极环8之间的间隙；

步骤六、将安装完成的同轴反射三极管密封在真空腔体内，抽真空至真空度小于1×10^-2后，启动脉冲功率源，将脉冲功率加载到同轴反射三极管，串级式反射三极管将电磁能量转换为X射线。

同时，本发明还提供一种X射线辐射场产生方法，包括以下步骤：

步骤一、将两个不同尺寸的反射三极管同轴串联，并置于真空环境中；

步骤二、通过分压方式，降低每一级反射三极管电压，并将脉冲电压施加到反射三极管上；

步骤三、在脉冲电压作用下，两级反射三极管阴极分别发射电子，穿透阳极并在空间多次反射打靶，产生在同一方向集中的脉冲X射线。

如图2和图3所示，将上述串级式轫致辐射反射三极管安装完成后，其工作过程如下：

1、正极性脉冲高电压加载到串级反射三极管上，第一级反射三极管内、外阴极表面在强电场作用下局部微凸起场致发射电子、爆炸形成阴极等离子体发射中心；

2、第一级反射三极管阴极等离子体发射中心发射的电子在空间电荷限制作用下被加速到阳极，形成电子束流，强度由式(1)给出，阻抗迅速下降，第二级反射三极管此时处于高阻状态，电压迅速抬升，进入与第一级反射三极管相同的工作过程，在空间电荷限制流的作用下，两级反射三极管达到分压平衡状态；

3、各级反射三极管产生的电子束与阳极靶相互作用，电子部分动能转化为X射线能量，内、外阴极产生的电子穿透靶材分别向外阴极和内阴极运动，由于反向电场的作用，电子速度为零后再次反向加速向阳极运动，形成反射；

4、在束流自磁场作用下，电子在反射过程中向X射线辐射方向运动，直至电子能量被靶材完全吸收，通过反射电子能量得到充分利用，提高X射线转换效率，电子向辐射方向运动，使X射线更加聚集，提高X射线的利用效率。；

5、两级反射三极管在空间电荷限制流作用下，达到稳定分压状态，将高电压大型脉冲功率驱动源的电磁能量转换为低能电子动能，并多次反射打靶，保证X射线的能谱逼真度，两级反射三极管产生的X射线在空间叠加，产生大面积高强度的脉冲硬X射线辐射场。

Claims (10)

1.一种串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：包括阳极引出段(1)、接地筒(2)、悬浮电极(3)、绝缘子(4)、第一级反射三极管、第二级反射三极管和真空腔室(9)；

所述阳极引出段(1)为筒体结构，其左端与脉冲功率源输出端(10)连接，将正高电压引出，右端筒壁上设有多个沿轴向设置、周向均布的安装缺口(19)；

所述接地筒(2)包括同轴设置的接地外筒(11)和接地内筒(12)，所述接地外筒(11)的左端与脉冲功率源接地端连接，与阳极引出段(1)构成同轴磁绝缘传输线，右端与真空腔室(9)连接，形成真空腔体；所述接地内筒(12)设置在接地外筒(11)内侧，其左端与接地外筒(11)固定连接，右端设置有多个沿轴向设置、周向均布的预留缺口(13)；

所述悬浮电极(3)与阳极引出段(1)、接地筒(2)同轴设置，包括由外向内同轴依次套装的阳极固定环(14)、外阴极固定环(15)和内阴极固定环(16)，且阳极固定环(14)、外阴极固定环(15)和内阴极固定环(16)通过连接支架(18)连接为整体；所述阳极固定环(14)位于接地外筒(11)和接地内筒(12)之间，所述外阴极固定环(15)位于接地内筒(12)和阳极引出段(1)之间，所述内阴极固定环(16)位于阳极引出段(1)腔体内，所述连接支架(18)插入阳极引出段(1)的安装缺口(19)、接地内筒(12)的预留缺口(13)内，形成绝缘间隙；

所述绝缘子(4)设置在阳极引出段(1)的腔体内，且与阳极引出段(1)同轴，其一端与脉冲功率源输出端(10)连接，另一端与悬浮电极(3)的内阴极固定环(16)连接；

所述第一级反射三极管包括第一阳极环(5)和两组第一阴极环(7)，所述第一阳极环(5)设置在阳极引出段(1)的右端面，两组第一阴极环(7)分别设置在外阴极固定环(15)和内阴极固定环(16)的右端面；

所述第二级反射三极管包括第二阳极环(6)和两组第二阴极环(8)，所述第二阳极环(6)设置在阳极固定环(14)的右端面，两组第二阴极环(8)分别设置在接地外筒(11)和接地内筒(12)的右端面。

2.根据权利要求1所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述第一阳极环(5)和第二阳极环(6)包括圆筒状钽箔膜和支撑环，所述圆筒状钽箔膜粘接在支撑环外周面，所述支撑环插接在阳极固定环(14)、阳极引出段(1)的右端面。

3.根据权利要求2所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述圆筒状钽箔膜的厚度为10～20μm。

4.根据权利要求1或2或3所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述第一阴极环(7)正对第一阳极环(5)的侧面设置有凹槽(20)，用于增加第一阴极环(7)表面的电场强度；所述第二阴极环(8)正对第二阳极环(6)的侧面设置有凹槽(20)，用于增加第二阴极环(8)表面的电场强度。

5.根据权利要求4所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述绝缘子(4)为尼龙圆柱，表面设置有波纹结构，用于增减绝缘距离。

6.根据权利要求5所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述第一阴极环(7)和第二阴极环(8)为高纯石墨材料矩形截面圆环。

7.根据权利要求6所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述第一阳极环(5)与外侧的第一阴极环(7)之间的间隙为a1，所述第一阳极环(5)与内侧的第一阴极环(7)之间的间隙为a2，a1与a2的偏差小于0.2mm。

8.根据权利要求7所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述第二阳极环(6)与外侧的第二阴极环(8)之间的间隙为a3，所述第二阳极环(6)与内侧的第二阴极环(8)之间的间隙为a4，a3与a4的偏差小于0.2mm。

9.根据权利要求8所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述真空腔室(9)的真空度小于1×10^-2Pa。

10.根据权利要求9所述的串级式轫致辐射反射三极管，其特征在于：所述接地外筒(11)的外周面上设置有第一安装法兰(21)，所述真空腔室(9)上设置有第二安装法兰(22)，所述接地外筒(11)和真空腔室(9)通过第一安装法兰(21)和第二安装法兰(22)的配合安装连接。

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