一種200 kV 的多功能脈沖輻射系統(tǒng)研制

呂澤琦 謝彥召 茍明岳 陳曉宇 周金山 李梅 周熠

(西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院, 電力設(shè)備電氣絕緣國家重點實驗室, 西安 710049)

(2021 年3 月29 日收到; 2021 年5 月24 日收到修改稿)

1 引 言

脈沖電子束和脈沖X 射線在越來越多的領(lǐng)域發(fā)揮了重要作用, 如輻射效應(yīng)、輻射成像、材料加工改性等[1-4]. 脈沖電子束和脈沖X 射線作用于效應(yīng)物時都會發(fā)生能量的傳遞, 對其表面或內(nèi)部造成影響, 而兩者的作用機理不同, 迫切需要一套既能產(chǎn)生電子束又能產(chǎn)生X 射線的輻射系統(tǒng). 本文研制了一套峰值電壓200 kV、負(fù)載等效阻抗2 Ω、負(fù)載電流半高寬30 ns 的脈沖電子束和脈沖X 射線產(chǎn)生系統(tǒng), 僅更換陰極和陽極即可完成工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換, 利用此系統(tǒng)可以對脈沖電子束和脈沖X 射線的產(chǎn)生機理、作用效應(yīng)等方面進行研究. 目前對系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)的研究主要集中于理論研究[5],本模擬系統(tǒng)可以為理論結(jié)果和物理模型的驗證提供實驗平臺.

為全面監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài)和效應(yīng)參數(shù), 需要建立包括電壓電流等運行參數(shù)以及脈沖電子束和脈沖X 射線狀態(tài)參數(shù)的測量系統(tǒng), 并克服強電磁干擾環(huán)境的影響. 系統(tǒng)工作在脈沖電子束狀態(tài)時,為了獲得電子束的束流強度和總能量, 需要研制全吸收法拉第筒, 實現(xiàn)對電子束參數(shù)監(jiān)測; 在脈沖X 射線工作模式中, 為了在后續(xù)實驗中更好的研究X 射線效應(yīng), 應(yīng)降低輻射場中電子數(shù)目占比, 需要研制復(fù)合型陽極靶, 并配備羅氏線圈測量, 達到減少電子并在復(fù)雜電磁環(huán)境中測量電子數(shù)目的效果; 為全面掌握X 射線輸出參數(shù), 需要配備能譜測量系統(tǒng)、劑量測量系統(tǒng)等, 獲取X 射線輻射場的強度和均勻性. 本文將從系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)、參數(shù)選取、二極管材料及結(jié)構(gòu)優(yōu)化、測量系統(tǒng)設(shè)計、實驗結(jié)果及分析等方面介紹.

2 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及參數(shù)優(yōu)化

2.1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)及工作原理

脈沖X 射線和脈沖電子束輻射系統(tǒng)主要由脈沖功率驅(qū)動源、脈沖功率負(fù)載以及測量控制系統(tǒng)三大部分組成, 脈沖功率驅(qū)動源包括Marx 發(fā)生器和脈沖壓縮系統(tǒng), 脈沖功率負(fù)載包括真空二極管系統(tǒng)和實驗腔體. 測量控制系統(tǒng)中運行參數(shù)測試包括傳輸線電壓、二極管電壓和二極管電流等, 實時判斷系統(tǒng)的運行狀態(tài); 效應(yīng)參數(shù)即脈沖電子束和脈沖X 射線的輸出指標(biāo), 包括電子束的束流強度和總能量、X 射線的能譜、劑量、均勻性、電子數(shù)目占比等參數(shù), 系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖見圖1.

圖1 多功能脈沖輻射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖Fig. 1. Schematic diagram of multi-function pulsed radiation system.

系統(tǒng)的工作原理為: Marx 發(fā)生器為初級儲能單元, 產(chǎn)生百納秒脈寬、百千伏峰值的高壓脈沖,對中儲傳輸線充電, 經(jīng)主開關(guān)和脈沖形成開關(guān)壓縮后形成半高寬約30 ns 的電壓脈沖, 加載到二極管陰陽極間. 在高壓脈沖電場的作用下, 二極管陰極發(fā)射電子并在間隙中被加速, 轟擊陽極, 由陽極靶引出強流電子束或轉(zhuǎn)換為X 射線, 僅更換二極管陰極、陽極即可完成工作狀態(tài)的切換. 在中儲傳輸線首端、脈沖形成線末端和輸出線末端分別設(shè)置了貼片式電容分壓器, 監(jiān)測Marx 發(fā)生器輸出電壓、脈沖形成線電壓和二極管間隙電壓; 在二極管間隙布置B-dot 微分探頭, 監(jiān)測二極管運行電流, 獲得設(shè)備的運行參數(shù). 為得到系統(tǒng)輸出的束流參數(shù)和X 射線參數(shù), 研制了全吸收法拉第筒, 放置在二極管陽極膜后, 測量電子束的束流強度和總能量; 研制了基于PIN 探測器的能譜儀、羅氏線圈、劑量測量系統(tǒng)等, 既可以實現(xiàn)X 射線能譜、劑量的測量,又可以判斷輻射場的均勻性、電子束占比等, 實現(xiàn)對系統(tǒng)的全方位監(jiān)測.

2.2 傳輸線的絕緣結(jié)構(gòu)設(shè)計

脈沖形成系統(tǒng)由中儲傳輸線、脈沖形成線、輸出線、主開關(guān)和脈沖形成開關(guān)構(gòu)成, 為減小系統(tǒng)體積, 采用介電常數(shù)大、儲能密度高、絕緣強度好的去離子水作為傳輸線的儲能介質(zhì). 考慮傳輸線阻抗和絕緣強度設(shè)計傳輸線內(nèi)筒直徑為360 cm, 外筒直徑為480 cm, 水線內(nèi)外筒間電場分布如圖2 所示. 內(nèi)外筒之間最大場強小于80 kV/cm, 水中的三結(jié)合點電場小于60 kV/cm.

圖2 傳輸線結(jié)構(gòu)及電場分布 (a) 傳輸線結(jié)構(gòu)圖; (b) 電場分布Fig. 2. Structure and electric field distribution of transmission line: (a) Structure of transmission line; (b) distribution of the electric field.

主開關(guān)和脈沖形成開關(guān)配合, 壓縮電壓脈沖,開關(guān)的絕緣介質(zhì)采用去離子水, 與傳輸線一體化.主開關(guān)采用環(huán)-板結(jié)構(gòu), 通過旋轉(zhuǎn)環(huán)狀陰極固定螺紋的方式改變開關(guān)間隙, 實現(xiàn)免拆卸在線調(diào)節(jié). 脈沖形成開關(guān)陡化脈沖, 對電感要求較高, 選用低電感的多通道開關(guān), 控制電感在15 nH 內(nèi), 保證快脈沖前沿.

2.3 系統(tǒng)參數(shù)仿真優(yōu)化

脈沖功率驅(qū)動源和二極管的等效電路如圖3所示, 傳輸線阻抗與二極管等效阻抗匹配, 以實現(xiàn)最大的能量轉(zhuǎn)換效率. 設(shè)計Marx 發(fā)生器的輸出電壓為400 kV, 脈沖形成線和輸出線長為50 cm, 中儲線長為100 cm, 經(jīng)過傳輸線和兩級開關(guān)的壓縮后, 形成200 kV, 30 ns 的電壓波加載到二極管上.仿真選取合適的Marx 發(fā)生器儲能電容、主開關(guān)和脈沖形成開關(guān)電感參數(shù).

圖3 脈沖功率驅(qū)動源和二極管的等效電路Fig. 3. Equivalent circuit of pulse power source and diode.

圖3 中Cm,Lm,Rm和S 分別為Marx 發(fā)生器的儲能電容、等效電感、內(nèi)阻和等效開關(guān); IS, PFL,OL 分別為中儲傳輸線、脈沖形成線、輸出線; SM,SPF,LSM和LSP分別為主開關(guān)、脈沖形成開關(guān)及其電感;Ld和Rd為負(fù)載二極管的等效電感和電阻.

電路模擬結(jié)果如圖4 所示，根據(jù)模擬結(jié)果, 當(dāng)Marx 發(fā)生器總電容為30 nF、主開關(guān)電感為100 nH、脈沖形成開關(guān)為15 nH、水介質(zhì)傳輸線和二極管等效阻抗為2 Ω 時, 二極管電壓為250 kV,電流為125 kA, 電流半高寬為31 ns. 由于二極管陰極發(fā)射電子及電子穿過陽極時會產(chǎn)生能量損失,一般脈沖電子束和脈沖X 射線的能量略小于脈沖功率驅(qū)動系統(tǒng)的輸出脈沖能量.

圖4 電路模擬結(jié)果Fig. 4. Circuit simulation results.

3 二極管陰陽極與間隙距離設(shè)計

3.1 二極管整體結(jié)構(gòu)

二極管陰極發(fā)射電子, 陽極將電子束直接引出或轉(zhuǎn)換為X 射線, 系統(tǒng)工作在脈沖電子束和脈沖X 射線狀態(tài)時二極管結(jié)構(gòu)相同. 對于2 Ω 的低阻抗二極管, 徑向絕緣結(jié)構(gòu)可以有效地控制電感[6]. 優(yōu)化設(shè)計二極管結(jié)構(gòu), 控制電場, 使三結(jié)合點電場不大于10 kV/cm, 整個結(jié)構(gòu)中除電子發(fā)射部分外場強均小于50 kV/cm, 如圖5 所示.

圖5 二極管結(jié)構(gòu)及電場 (a)二極管結(jié)構(gòu); (b)二極管間隙電場Fig. 5. Structure and electric field distribution of diode: (a) Structure of diode; (b) distribution of the electric field.

3.2 電子束二極管工作過程分析及結(jié)構(gòu)設(shè)計

脈沖功率驅(qū)動源產(chǎn)生高壓脈沖加在二極管上,二極管陰極發(fā)射電子, 不同陰極材料的電子發(fā)射機理不同. 為提升陰極的發(fā)射性能, 產(chǎn)生均勻的電子束, 選擇爆炸發(fā)射啟動快、發(fā)射延遲時間較短、均勻性較好的材料作為陰極. 爆炸發(fā)射理論和實驗證明, 石墨作為低阻抗電子束二極管的陰極可以產(chǎn)生較大面積均勻的電子束[7], 本系統(tǒng)采用圓盤結(jié)構(gòu)的石墨陰極使電子盡量在大面積內(nèi)均勻發(fā)射.

二極管阻抗與二極管陰極半徑r和陰陽極間隙d之比有關(guān),r/d越大, 二極管阻抗越小. 脈沖信號下, 二極管阻抗會隨電壓變化而改變, 取施加在二極管上的峰值電壓與陰極發(fā)射的峰值電流之比為阻抗值. 仿真電子運動得到, 對于陰陽極間隙施加峰值200 kV、半高寬30 ns 的電壓信號,r/d=12 時二極管阻抗為2 Ω, 二極管間隙的電子圖像如圖6 所示, 電子從陰極尖端開始發(fā)射, 而后大面積發(fā)射, 均勻性較好.

圖6 二極管間隙電子圖像 (a)電子初始發(fā)射; (b)電子大面積均勻發(fā)射Fig. 6. Electron image of diode gap: (a) Initial emission; (b) large-area uniform emission.

系統(tǒng)工作在電子束狀態(tài)時, 電子束直接穿透陽極膜到達真空實驗腔體. 鍍鋁的聚酯膜作為陽極鉗制電位, 材料較輕薄, 減少電子束的能量損失.

3.3 X 射線均勻性優(yōu)化

高能電子束轟擊高原子序數(shù)材料時發(fā)生軔致輻射, 產(chǎn)生X 射線, 分布在全空間4π 角中, 前向輻射略強于其他方向. 脈沖電壓到達二極管后, 陰極石墨發(fā)射電子, 在電場中加速后轟擊陽極靶, 通過軔致輻射產(chǎn)生脈沖X 射線. 陰極形狀決定了脈沖X 射線的均勻性, 圓盤狀陰極上所有點均可能發(fā)射電子, 電子束的均勻度較高. 但產(chǎn)生X 射線時, 圓盤上各點發(fā)射的電子產(chǎn)生的X 射線會在中心處疊加, 導(dǎo)致中心能量明顯強于四周, 均勻性較差, 如圖7(c)所示. 圓環(huán)陰極將環(huán)設(shè)置在陰極外側(cè), 環(huán)處電場集中, 僅環(huán)發(fā)射電子, 有效抑制中心處X 射線能量, 提高均勻性. 仿真計算相同陰極尺寸和相同阻抗下圓盤陰極和圓環(huán)陰極產(chǎn)生X 射線的均勻性,在陽極靶后10 cm 處X 射線能注量分布如圖7(c)所示, 圓環(huán)陰極產(chǎn)生X 射線的均勻性優(yōu)于圓盤陰極. 考慮二極管絕緣問題和產(chǎn)生脈沖X 射線的均勻性, 設(shè)計二極管陰極為雙環(huán)結(jié)構(gòu), 通過增加表面電場增強系數(shù), 提高陰極表面發(fā)射均勻性. 圓盤陰極與雙環(huán)陰極如圖7(a)和圖7(b)所示.

圖7 兩種陰極結(jié)構(gòu)及兩種結(jié)構(gòu)產(chǎn)生X 射線的均勻性 (a)用于產(chǎn)生電子束的圓盤陰極; (b)用于產(chǎn)生X 射線的雙環(huán)陰極; (c)陽極靶后10 cm 處由圓盤和圓環(huán)陰極產(chǎn)生X 射線的均勻性Fig. 7. Two kinds of cathode structure and the uniformity of X-ray: (a) Disk cathode for electron beam; (b) double-ring cathode for X-ray; (c) uniformity of X-ray generated by disk and ring cathode at 10 cm behind the anode.

3.4 X 射線二極管的陽極靶選擇

電子入射陽極靶, 與陽極材料的原子核接近,速度會迅速降低, 發(fā)生軔致輻射, 產(chǎn)生X 射線. 由軔致輻射引起的電子輻射能量損失率可由下式計算[8]:其中dx為電子入射陽極靶的單位長度;E為入射電子能量, 單位MeV;Z為陽極靶材料的原子序數(shù);N為陽極靶材料單位體積內(nèi)的原子數(shù);me為電子質(zhì)量;e為電子電荷;c為光速. 由(1)式看到, 對于固定入射能量的電子, 陽極靶材料原子序數(shù)越大,由軔致輻射引起的電子輻射能量損失越大, 產(chǎn)生X 射線的強度越高, 靶的轉(zhuǎn)換效率越高. 陽極靶厚度同樣對X 射線轉(zhuǎn)換效率影響較大, 厚靶會吸收更多能量, 降低轉(zhuǎn)換效率, 因此, 將靶厚度控制在微米量級. 靶材料需要具有良好的延展性和耐高溫性能, 常用的靶材料有金屬鉭等[9], 仿真得到金屬鉭不同厚度時軔致輻射產(chǎn)生的光子總能量如圖8所示.

圖8 軔致輻射產(chǎn)生的光子總能量隨鉭靶厚度的變化Fig. 8. Curve of photon energy by bremsstrahlung with tantalum target thickness.

根據(jù)仿真結(jié)果, 鉭厚為17 μm 時, 軔致輻射的轉(zhuǎn)換效率最大, 同時在厚度為15—20 μm 的范圍內(nèi), 效率相近, 考慮到加工技術(shù)原因, 選用20 μm的鉭作為陽極轉(zhuǎn)換靶. 在鉭膜后加聚乙烯膜, 在不影響X 射線強度的前提下吸收輻射場中的電子.在后續(xù)X 射線的效應(yīng)研究中, 可以有效地減小電子對效應(yīng)物的作用, 便于考察X 射線的影響.

4 運行參數(shù)和脈沖電子束、脈沖X 射線測量系統(tǒng)

為了獲得系統(tǒng)各部分的運行狀態(tài), 建立了全套的測量系統(tǒng). 研制了貼片式電容分壓器和微分電流環(huán), 對Marx 輸出電壓、脈沖形成線電壓、二極管電壓和二極管電流實時監(jiān)測, 獲得系統(tǒng)的運行參數(shù).測量系統(tǒng)的標(biāo)定決定測量數(shù)據(jù)的準(zhǔn)確性, 貼片式電容分壓器分壓比、微分電流環(huán)系數(shù)與結(jié)構(gòu)參數(shù)有關(guān), 搭建在線標(biāo)定系統(tǒng), 得到三個電容分壓器的分壓比分別為60.5×103, 60.2×103和80.6×103, 微分環(huán)靈敏度為14.3 A·nV–1·s–1, 標(biāo)定中引入的不確定度小于10%.

為獲取脈沖電子束和脈沖X 射線的效應(yīng)參數(shù),指導(dǎo)后續(xù)實驗設(shè)計, 研制了可以同時獲得電子束總能量和束流強度的全吸收法拉第筒, 用來獲取X 射線能譜的基于PIN 探測器的能譜儀, 測量輻射場中電子數(shù)目占比的羅氏線圈, 監(jiān)測X 射線劑量和均勻度的劑量測量系統(tǒng)等. 測量系統(tǒng)工作在大電流、強電磁干擾的環(huán)境中, 具有衰減倍數(shù)大、信噪比大、抗電磁干擾等特點.

4.1 脈沖電子束總能量和束流強度測量

電子束在傳輸過程中, 受到陽極膜吸收、傳輸損失等影響, 實驗腔中的電子束流小于二極管電流. 實驗腔中的電子束流強度和電子束總能量采用全吸收法拉第筒測量, 法拉第筒放置在陽極膜后,吸收體收集穿過陽極膜的所有電子, 吸收體溫度升高且與地電位之間產(chǎn)生電勢差, 經(jīng)信號電阻和熱敏電阻得到束流強度和電子束能量, 測量原理如圖9所示. 搭建標(biāo)定系統(tǒng), 對法拉第筒整體標(biāo)定, 得到信號電阻阻值為45.2 mΩ, 標(biāo)定中引入的不確定度小于10%.

圖9 電子束流和總能量測量原理示意圖Fig. 9. Schematic diagram of electron beam current and total energy measurement.

熱敏電阻實時監(jiān)測吸收體溫度, 由實驗前后的溫度變化, 根據(jù)(2)式計算得到總能量,

其中Qe,m,C和ΔT分別為電子束總能量、吸收體質(zhì)量、吸收體比熱容和溫升.

4.2 基于吸收法的脈沖X 射線能譜測量

吸收法是X 射線能譜測量中一種代表性方法,其測量原理是不同能量X 射線穿過不同材料、不同厚度的吸收片后, 強度有一定衰減, 依據(jù)衰減程度得到能譜分布[10]. PIN 探測器的靈敏度高、時間響應(yīng)快、動態(tài)范圍大, 可以用于X 射線能譜的測量[11], 本系統(tǒng)中利用PIN 探測器記錄透過吸收片后的能量沉積, 結(jié)合不同能段X 射線透過相應(yīng)吸收片后能量沉積的理論值解譜.

能譜測量精度取決于吸收片的數(shù)量和厚度選取, 根據(jù)仿真計算, 系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖X 射線能量在200 keV 以內(nèi)且大部分光子能量小于100 keV,能量較低, 采用對較低能量X 射線分辨能力較好的鋁吸收片[12], 選擇厚度0.5, 1.0, 2.0, 3.0, 4.0,5.0 和6.0 mm, 使其具有較好的分辨能力. 吸收片放在PIN 探測器前端, 探測器采集經(jīng)過不同吸收片衰減后的X 射線強度數(shù)據(jù)[13], 一個吸收片和一個探測器構(gòu)成一個測量單元, 多個測量單元并列排列可以記錄到一組衰減程度不同的X 射線強度數(shù)據(jù), 經(jīng)過數(shù)值計算解譜, 得到能譜分布.

能譜測量探頭放置于鉛屏蔽盒中, 屏蔽二極管工作過程中產(chǎn)生的電磁波對測量信號的干擾. 屏蔽盒共有9 個準(zhǔn)直孔, 其中2 個備用, 準(zhǔn)直孔內(nèi)依次放置吸收片、探測器、探測器的電路連接和電纜座,PIN 測量系統(tǒng)如圖10 所示.

圖10 基于PIN 的能譜測量系統(tǒng)Fig. 10. Spectrometric system based on PIN.

4.3 脈沖X 射線劑量和輻射場中電子數(shù)目比的測量

X 射線總劑量、均勻性、能注量和輻射場中電子數(shù)目是了解系統(tǒng)性能的重要指標(biāo), 為此, 研制了劑量測量系統(tǒng)和羅氏線圈.

劑量測量系統(tǒng)主要由熱釋光劑量片組成, 在實驗腔中徑向平面內(nèi)間隔2 cm 呈輻射狀布置, 既能得到X 射線的劑量最大值和總劑量, 又能測量劑量的面分布, 判斷X 射線的均勻性. 由劑量和能譜求得輻射場內(nèi)單位面積的能量, 即能注量.

高能電子束打靶產(chǎn)生X 射線的同時, 會有少量電子直接穿過陽極, 在對效應(yīng)物進行X 射線輻照時, 可能會受到光子與電子的共同作用, 干擾實驗結(jié)果, 影響判斷. 為更好地指導(dǎo)后續(xù)實驗設(shè)計,研制了羅氏線圈測量輻射場中電子數(shù)目. 由于輻射場中電子束流較小, 容易受到環(huán)境中電磁輻射的影響, 因此, 采用差分型羅氏線圈, 外加不銹鋼外殼屏蔽, 消除由于X 射線輻照產(chǎn)生電流的影響, 并將羅氏線圈的信號引出端與設(shè)備外殼絕緣, 抑制電磁輻射干擾. 搭建標(biāo)定系統(tǒng), 得到羅氏線圈靈敏度為0.35 V/A, 標(biāo)定中引入的不確定度小于10%.

5 實驗結(jié)果與分析

5.1 脈沖電子束測試結(jié)果與分析

二極管陰極安裝圓盤狀石墨陰極, 陽極安裝鍍鋁的聚酯膜, 使系統(tǒng)工作在脈沖電子束狀態(tài). 三個電壓探頭分別測量Marx 發(fā)生器對傳輸線的充電電壓波形、脈沖形成線電壓波形和輸出線電壓波形, 輸出線電壓扣除二極管電感壓降后得到二極管電壓, 微分探頭B-dot 測量二極管電流波形, 監(jiān)測系統(tǒng)的運行狀態(tài). 陽極膜后安裝全吸收法拉第筒,測量電子束流強度和總能量, 系統(tǒng)的總體結(jié)構(gòu)和探頭布局如圖11 所示.

圖11 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和測量探頭布局Fig. 11. Structure and probe layout of the system.

調(diào)節(jié)二極管陰陽極間距使阻抗達到2 Ω. 示波器采集系統(tǒng)的運行數(shù)據(jù), 依據(jù)數(shù)據(jù)特性初步處理,實現(xiàn)對電壓、電流、電子束流和電子束能量參數(shù)的有效識別和處理, 扣除本底噪聲, 得到電壓、電流、束流波形如圖12 所示.

圖12 脈沖電子束狀態(tài)的電壓、電流、束流波形Fig. 12. Voltage, current and beam of pulsed electron beam.

實驗中, 中儲傳輸線充電達到400 kV, 主開關(guān)和脈沖形成開關(guān)分別在中儲傳輸線和脈沖形成線電壓峰值處擊穿, 形成二極管電壓峰值260.5 kV,二極管電流峰值為110.8 kA, 二極管電流半高寬為31 ns, 二極管等效阻抗為2.3 Ω. 電子束流強度峰值為83.5 kA, 透過陽極膜后電流有一定損失.

測溫裝置采集的吸收體溫度隨時間變化如圖13 所示, 本系統(tǒng)中選用PT100 熱電阻作為測溫元件, 該器件的溫度分辨率為0.1 ℃, 熱響應(yīng)時間為100 ms. 電子束入射后會通過石墨吸收體散熱,因此將實驗后測得溫度擬合回推, 得到實際溫度最高值為29.6 ℃, 電子束入射前后溫度變化為4.9 ℃,根據(jù)吸收體的直徑、厚度、密度和比熱容, 依據(jù)(2)式計算電子束總能量為629.5 J.

圖13 吸收體溫度變化Fig. 13. Absorber temperature.

5.2 脈沖X 射線測試結(jié)果與分析

二極管陰極安裝雙環(huán)石墨陰極, 陽極安裝鉭膜, 并配合聚乙烯膜吸收電子, 工作在脈沖X 射線狀態(tài). 劑量片放置在陽極靶后20 cm 處, 在徑向平面中呈一條直線放置, 每個劑量片間隔為2 cm,共11 片, 監(jiān)測劑量的面分布. 羅氏線圈放置在與劑量片同一位置處, 測量輻射場中的光子數(shù)與電子數(shù)之比. 能譜儀放置在真空腔外距離陽極靶后1.5 m 處, 防止PIN 探測器飽和, 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)和測量布局如圖11 所示.

能譜儀記錄經(jīng)吸收片衰減后的X 射線強度數(shù)據(jù)如圖14 所示, 隨著吸收片厚度的增加, 探測器測到的信號峰值、半高寬隨之減小, 說明厚吸收片吸收低能光子更多, 符合光子在物質(zhì)中的衰減規(guī)律.

圖14 能譜儀測得波形Fig. 14. Waveform measured by spectrometric system.

選取合適的能段離散化能譜為I1,I2,I3, ···,Im, 根據(jù)測得的探測器能量沉積Ti計算能譜分布,有如下方程組[12]:

Aij是仿真計算得到的能段m的光子在第n個探測器上產(chǎn)生的能量沉積, 將所有能段的光子在某一探測器上的能量沉積相加, 對應(yīng)于實驗測得的該探測器上能量沉積, 求解方程組得到能譜. 測量用PIN 探測器的靈敏區(qū)域半徑為5 mm, 厚度為0.3 mm, 記錄實驗中射線的能量沉積情況Ti.

根據(jù)能譜儀模型和吸收片厚度的選取, 利用蒙特卡羅程序計算不同能段光子透過不同厚度吸收片后在PIN 探測器的能量沉積, 計算時設(shè)定PIN探測器半徑為5 mm, 厚度為0.3 mm, 與實際的靈敏區(qū)域相同. 實驗中選用的吸收片為0.5, 1.0,2.0, 3.0, 4.0, 5.0 和6.0 mm 的鋁, 計算得到能量200 keV 以內(nèi)的光子透過吸收片后在PIN 探測器中的平均能量沉積如圖15 所示, 在低能部分光子衰減后能量沉積的區(qū)分度較大, 形成了良好的衰減梯度.

圖15 計算得到PIN 探測器中平均能量沉積Fig. 15. Energy deposition averaged over PIN detector by calculated.

在高能區(qū)吸收片對X 射線的衰減隨能量變化不明顯, 因此(3)式的方程組是高度病態(tài)的, 不能直接求解得到能譜[14]. 采用Waggener 等[15]提出的迭代擾動法求解能譜, 給定一個初始能譜, 對各能譜分量不斷正負(fù)擾動改變, 將(3)式計算出的沉積能量Tcalc與測量得到的沉積能量Tmeas進行比較, 兩者相對偏差D表示為

其中N為吸收片個數(shù). 每次能譜的擾動ΔIj=Ij2k,k=1,2,3,···,k為擾動次數(shù),Ij表示第j個能段, 當(dāng)D最小時, 計算值與測量值的曲線最接近,誤差最小. 經(jīng)反復(fù)迭代, 得到一組離散能譜分布如圖16 所示.

圖16 解譜得到的X 射線能譜Fig. 16. X-ray spectrum by spectrum unfolding.

系統(tǒng)產(chǎn)生的X 射線能量分布在200 keV 以內(nèi),平均能量為67.2 keV. 能譜相對較軟, 滿足系統(tǒng)電磁脈沖的模擬研究.

X 射線劑量隨半徑的分布如圖17 所示, 測量面直徑為20 cm, 劑量片在實驗腔中徑向平面內(nèi)間隔2 cm 呈輻射狀布置.

圖17 劑量隨半徑分布Fig. 17. Distribution of dose with radius.

X 射線劑量在距離中心點2 cm 附近具有最大值, 為64.07 mGy, 在測量面邊緣較小, 最小值41.26 mGy, 最小值為最大值的64.3%, 均勻性較好.用測量面的平均劑量表征設(shè)備產(chǎn)生X 射線的總劑量, 通過面積加權(quán)求出X 射線的總劑量為50.47 mGy,依據(jù)能譜分布得到能注量為1.1 mJ/cm2, 輻射場光子數(shù)目為3.4×1013.

電子打靶發(fā)生軔致輻射產(chǎn)生X 射線時, 會有少量電子透過陽極靶, 使輻射場中光子和電子并存. 為減小輻射場中的電子數(shù)目, 在鉭膜后加聚乙烯膜, 吸收透過陽極膜后的電子[16]. 羅氏線圈測得透過陽極靶后的電子電流如圖18 所示, 在射線產(chǎn)生的60 ns 內(nèi)均可以測得較小的電流信號, 對該時間段內(nèi)的電流積分得到總電荷量為1.14 nC, 輻射場內(nèi)電子數(shù)目為7.1×109, 電子數(shù)占比僅0.02%, 說明輻射場內(nèi)的電子極少, 達到預(yù)期目的. 對效應(yīng)物進行輻射實驗時, 有效減小電子帶來的影響, 有利于考察X 射線的效應(yīng).

當(dāng)X 射線照射電子系統(tǒng)的金屬外殼時, 由于光電效應(yīng)、康普頓效應(yīng)等物理過程會產(chǎn)生大量電子, 形成空間電流, 激發(fā)出一個強瞬變電磁場, 產(chǎn)生系統(tǒng)電磁脈沖[3,4,17,18]. 系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)會影響系統(tǒng)中的電纜及各種元器件, 干擾和破壞系統(tǒng)正常工作[19,20]. 然而研究仍多停留在數(shù)值模擬, 理論結(jié)果和模型需要進行實驗驗證[5]. 本系統(tǒng)光子平均能量小于100 keV, 輻射場的均勻性良好, 電子份額較小, 可以用于系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)的模擬中[21,22].

6 結(jié) 論

本文研制了一套電壓峰值200 kV 的脈沖電子束和脈沖X 射線輻照系統(tǒng), 負(fù)載二極管等效阻抗2 Ω, 實現(xiàn)了對系統(tǒng)運行參數(shù)和效應(yīng)參數(shù)的全方位監(jiān)測. 系統(tǒng)采用對Marx 發(fā)生器輸出脈沖信號二次壓縮的方式, 配合徑向絕緣型二極管和不同的陰極、陽極結(jié)構(gòu), 產(chǎn)生脈沖電子束或脈沖X 射線. 本系統(tǒng)為單次工作模式, 產(chǎn)生的脈沖電子束束流強度達到83.5 kA, 總能量為629.5 J, 通過簡便的更換陰極和陽極, 即可在脈沖電子束和脈沖X 射線工作狀態(tài)中靈活切換. 本系統(tǒng)產(chǎn)生的脈沖X 射線平均能量為67.2 keV, 總劑量為50.47 mGy, 在直徑20 cm 的輻射區(qū)域內(nèi)劑量最小值為最大值的64.3%,X 射線輻射場內(nèi)電子占比僅為0.02%.

系統(tǒng)配套設(shè)計了全吸收法拉第筒, 實現(xiàn)了電子束束流強度和總能量的測量, 研制了基于吸收法的能譜測量系統(tǒng)和劑量監(jiān)測系統(tǒng), 獲得脈沖X 射線的能譜、劑量、均勻性、能注量等關(guān)鍵指標(biāo). 通過差分式羅氏線圈的設(shè)計, 解決了復(fù)雜電磁環(huán)境中小電子束流的測量問題. 在鉭陽極靶后配合聚乙烯膜吸收電子, 使輻射場中的電子數(shù)占比極小, 有效避免X 射線效應(yīng)實驗中電子的影響.

該輻射系統(tǒng)結(jié)構(gòu)緊湊, 工作方式切換靈活, 系統(tǒng)的成功研制為脈沖功率技術(shù)、系統(tǒng)電磁脈沖效應(yīng)、生物輻射效應(yīng)等提供了多功能的實驗平臺. 后續(xù)將基于該系統(tǒng)開展應(yīng)用研究, 針對具體研究內(nèi)容需求對系統(tǒng)進行完善, 并進一步優(yōu)化脈沖電子束和脈沖X 射線的參數(shù), 研制重頻脈沖X 射線和脈沖電子束輻射系統(tǒng), 提升總能量, 使其更好地應(yīng)用于生物效應(yīng)、輻射成像、材料加工與改性、消毒滅菌等領(lǐng)域的研究中.