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4 MeV闪光X光机轫致辐射靶设计

何辉 禹海军 王毅 戴文华

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4 MeV闪光X光机轫致辐射靶设计

    作者简介: 何 辉(1969—),男,本科,从事直线感应加速器研究;1624496919@qq.com.
    通讯作者: 禹海军, caepyhj@163.com
  • 基金项目: 国防科技基础研究基金项目
  • 中图分类号: TL53

Design of bremsstrahlung target of 4 MeV flash X-ray machine

    Corresponding author: Yu Haijun, caepyhj@163.com
  • CLC number: TL53

  • 摘要: 对4 MeV闪光X光机的轫致辐射靶参数进行了设计和模拟计算。利用蒙特卡罗程序,计算得到当轫致辐射靶的有效钽靶材厚度约为0.6 mm时,靶正前方1 m处产生的单脉冲X光的照射量值最大,可以达到约2.86×10-3 C/kg,满足4 MeV闪光X光机对其单脉冲X光的设计要求。对不同能量下的单脉冲电子束加载在轫致辐射靶上的能量沉积密度进行了计算和比较,分析研究了不同结构下的靶破坏,结果表明:轫致辐射靶采用叠靶结构的钽靶能够满足4 MeV闪光机的实验需求。
  • 图 1  轫致辐射产生X光示意图

    Fig. 1  Generation of the bremsstrahlung radiation X ray

    图 2  归一化X光照射量随钽靶厚度的变化曲线

    Fig. 2  Curve of normalized X ray exposure versus tantalum thickness

    图 3  0.6 mm钽靶产生的归一化光通量随辐射角分布

    Fig. 3  Curve of normalized photon flux versus radiation angle for 0.6 mm tantalum target

    图 4  12 MeV LIA 不同结构靶破坏

    Fig. 4  Damage of different targets for 12 MeV LIA

    图 6  不同脉冲作用下的神龙二号加速器钽叠靶的破坏

    Fig. 6  Damage of the tantalum distributed target impinged by different electron beams from Dragon-Ⅱ accelerator

    图 5  神龙一号加速器钽叠靶破坏

    Fig. 5  Damage of tantalum distributed target for Dragon-Ⅰaccelerator

    表 1  照射量转换因子的能量依赖关系

    Table 1  Exposure conversion factor change with photon energy

    $h\nu $/MeV$\varepsilon $ /(J·m-2·R-1
    0.010.019
    0.02 0.171
    0.05 2.151
    0.13.847
    0.23.294
    0.52.940
    13.140
    23.731
    34.258
    44.668
    54.960
    65.291
    85.706
    105.979
    156.419
    206.364
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    表 2  单脉冲电子束作用下靶正前方1 m处X光照射量比较

    Table 2  Comparison of X ray exposure at 1 m just in front of the target impacted by the single pulse electron beam

    methodsW/MeVI/kA$\tau $/nsX/(C·kg-1)
    Martin formula 4 2.5 60 2.07×10-3
    MCNP simulation 4 2.5 60 2.86×10-3
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    表 3  单脉冲电子束作用下不同轫致辐射靶的破坏比较

    Table 3  Comparison of damage for different bremsstrahlung targets impacted by single pulse electron beam

    W/MeVI/kA$\tau $/nsX-ray spot/mmD/(J·mm-2target structuretarget destroyed
    12 MeV LIA 12 2.5 80 3.2 298.6 slab melting ablation/perforation
    distributed no change
    Dragon-Ⅰ 20 2.0 60 1.5 1358.8 distributed perforation
    Dragon-Ⅱ 20 2.0 60 2 764.3 distributed perforation
    4 MeV X-ray machine 4 2.0~2.5 60 2 152.9~191.1 distributed no transformation (estimated)
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-07-23
  • 录用日期:  2019-11-06
  • 网络出版日期:  2019-11-28
  • 刊出日期:  2019-12-01

4 MeV闪光X光机轫致辐射靶设计

    通讯作者: 禹海军, caepyhj@163.com
    作者简介: 何 辉(1969—),男,本科,从事直线感应加速器研究;1624496919@qq.com
  • 中国工程物理研究院 流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川 绵阳 621900

摘要: 对4 MeV闪光X光机的轫致辐射靶参数进行了设计和模拟计算。利用蒙特卡罗程序,计算得到当轫致辐射靶的有效钽靶材厚度约为0.6 mm时,靶正前方1 m处产生的单脉冲X光的照射量值最大,可以达到约2.86×10-3 C/kg,满足4 MeV闪光X光机对其单脉冲X光的设计要求。对不同能量下的单脉冲电子束加载在轫致辐射靶上的能量沉积密度进行了计算和比较,分析研究了不同结构下的靶破坏,结果表明:轫致辐射靶采用叠靶结构的钽靶能够满足4 MeV闪光机的实验需求。

English Abstract

  • 4 MeV 闪光X光机是一台计划研制的、能量为4 MeV、电子束流2~2.5 kA、脉宽60 ns(FWHM)的三脉冲直线感应加速器。该加速器产生的三脉冲电子束被传输聚焦后,与高原子序数的材料作用发生轫致辐射而产生X光。该X光可以应用于闪光照相实验,也可被广泛应用于研究冲击加载下物质结构的瞬态现象,如装备物理中的微喷现象、航天飞行器的防护系统等[1-3]。X光的性能优劣,除与加速器产生的电子束品质有关外,还与轫致辐射靶的设计有直接关系。X光产额与靶原子序数成正比,一般采用高原子序数的材料作为轫致辐射靶材,用以产生高产额的X光。常用的靶材料主要有钽、钨等,考虑到两种材料的物理特性以及国内强流直线感应加速器的实际应用,以钽材料作为轫致辐射靶材为最佳选择[4]。另外,在脉冲电子束和轫致辐射靶材相互作用过程中,轫致辐射靶光子的产生和损耗两种机制都在同时发生,因此,对于一定入射能量的电子束存在具有最大转换效率的靶材厚度。此外,由于电子束在轫致辐射靶上的不同能量密度沉积所造成的靶材破坏亦不相同,也需要设计合适的轫致辐射靶结构来抑制电子束对靶材的破坏。本文介绍4 MeV 闪光X光机的轫致辐射靶设计,计算得到了轫致辐射靶的最佳靶材厚度及对应产生的X光照射量,并对不同能量密度下轫致辐射靶的损伤破坏进行分析比较。

    • 4 MeV 闪光X光机计划产生三脉冲的X光,它是通过直线感应加速器产生三脉冲的强流电子束与轫致辐射靶材作用后产生三脉冲X光,其中单个脉冲电子束的设计参数为:能量4 MeV、电子束流强2~2.5 kA、脉宽60 ns(FWHM)。对于每一脉冲电子束,其与轫致辐射靶材作用后,部分电子束以反射、透射方式出射出去;部分电子束进入靶内与靶原子材料相互作用,受到靶原子核库仑场的减速作用发生轫致辐射而辐射产生X光,同时部分电子束能量会沉积到轫致辐射靶内,导致靶材本身受到破坏。因此对于4 MeV 闪光X光机轫致辐射靶的设计需要考虑靶材厚度、靶结构以及靶材破坏等关键因素,而对于靶材料来说,一般采用高原子序数的钽材。另外,由于靶材料厚度对X光产额的影响,即随着靶材料厚度的增加,X光产额会增加,但同时靶材本身对X光子的衰减也会增强,因此亦需要设计最佳厚度的轫致辐射靶以便得到最高的轫致辐射效率。

    • 本文应用MCNP程序[5]对加速器的电子束打靶产生X光的过程进行仿真模拟。轫致辐射光源的产生过程如图1所示,电子束与轫致辐射靶作用后辐射产生前冲性强的脉冲X光。

      图  1  轫致辐射产生X光示意图

      Figure 1.  Generation of the bremsstrahlung radiation X ray

    • 美国圣地亚国家实验室使用Martin公式用于计算分析二极管型闪光机靶前一米处的照射量[6]。对于一定加速电压下,单脉冲电子束在靶正前方1 m处所产生轫致辐射的照射量最大值为

      $X = 1.1 \times {10^{ - 3}}I \tau {W^{2.8}}$

      (1)

      式中:X为照射量(单位为R);I为电子束电流强度(单位为kA);τ为电子束脉宽(ns);W为电子能量(单位为MeV)。

      照射量定义是在标准状态(温度273 K,101.325 kPa)下,在单位质量空气中由光子所产生的单种电荷电量总和。X射线的照射量与光子能通量有着密切关系,一般定义辐射光子能通量与照射量的比值为照射量转换因子(ε)。对于光子能量大于0.5 MeV时,照射量转换因子随光子能量的增加而增大,对于某一光子能量,照射量转换因子是确定的,表1为照射量转换因子的能量依赖关系[6],其中$h\nu $表示的是光子能量。

      表 1  照射量转换因子的能量依赖关系

      Table 1.  Exposure conversion factor change with photon energy

      $h\nu $/MeV$\varepsilon $ /(J·m-2·R-1
      0.010.019
      0.02 0.171
      0.05 2.151
      0.13.847
      0.23.294
      0.52.940
      13.140
      23.731
      34.258
      44.668
      54.960
      65.291
      85.706
      105.979
      156.419
      206.364

      由于不同厚度的轫致辐射靶产生的X光照射量随着靶材厚度的增加而成非线性变化,利用MCNP程序模拟得到电子束能量为4 MeV、X光焦斑为设计值2 mm(FWHM)、钽靶材厚度从0.01 mm逐步增加到1.4 mm,光子辐射角为0°角下辐射产生的光子能通量的变化情况。根据表1中的照射量转换因子的依赖关系从而可以得到不同厚度下的轫致辐射靶产生的X光照射量在靶前方1 m处的最大值,对照射量的变化情况进行归一化处理得到图2所示的变化曲线。图2表明,当靶材厚度d约为0.6 mm时,能量为4 MeV的单脉冲电子束在靶正前方1 m处轫致辐射产生的X光照射量最大。另外,也计算得到了在钽靶厚度d为0.6 mm时靶正前方1 m处归一化的光通量随X光出射角的变化(图3),这表明产生的X光前冲性很好,0°角产生的X光光通量最大,且随角度的增大而逐渐降低。

      图  2  归一化X光照射量随钽靶厚度的变化曲线

      Figure 2.  Curve of normalized X ray exposure versus tantalum thickness

      图  3  0.6 mm钽靶产生的归一化光通量随辐射角分布

      Figure 3.  Curve of normalized photon flux versus radiation angle for 0.6 mm tantalum target

    • 4 MeV闪光X光机要求产生3个具有相同性能参数的X光,对于每一束X光脉冲来说,利用蒙特卡罗模拟计算结果,可以得到单脉冲电子束作用下靶正前方1 m处轫致辐射照射量的最大值。另外,利用Martin经验公式(1)也可以计算得到靶正前方1 m处的X光照射量。表2为MCNP数值模拟结果和利用Martin公式得到的结果比较,数据表明,两种方法得到的结果均可以满足4 MeV 闪光X光机的单脉冲设计指标要求(靶正前方1 m处不小于1.55×10-3 C/kg)。

      表 2  单脉冲电子束作用下靶正前方1 m处X光照射量比较

      Table 2.  Comparison of X ray exposure at 1 m just in front of the target impacted by the single pulse electron beam

      methodsW/MeVI/kA$\tau $/nsX/(C·kg-1)
      Martin formula 4 2.5 60 2.07×10-3
      MCNP simulation 4 2.5 60 2.86×10-3
    • 强流直线感应加速器产生的电子束与轫致辐射靶相互作用后,电子能量部分被转换为X光能,部分沉积在轫致辐射靶内,这部分能量沉积会造成靶材的损伤与破坏。靶材的受破坏程度与入射电子束的能量密度直接相关,这包括电子束流强大小、脉宽、入射束斑等因素。根据国内强流直线感应加速器的研究及实验结果[7-8],采用叠靶结构可以降低电子束在轫致辐射转换靶的能量沉积密度,能够有效减小对轫致辐射靶的破坏,同时降低由于靶材破坏带来的回流颗粒问题[9];另外,模拟计算和实验测量结果也表明,相同有效靶材厚度的叠靶和实心钽靶产生的X光照射量的大小和分布基本相同[6,10-11]

      对于三脉冲的4 MeV闪光X机,由于其单脉冲电子束的参数、单脉冲的X光品质(照射量和焦斑)等与已有直线感应加速器的电子束参数都不相同,因此电子束对轫致辐射靶作用后造成的靶破坏及影响亦会不同。考虑到4 MeV闪光X机的设计指标,通过比较、分析国内强流直线感应加速器 [12-13]的轫致辐射靶破坏情况,可以预估4 MeV闪光X光机的轫致辐射靶的破坏情况,如表3所示,其中D为靶面上的能量沉积密度(单位J/mm2)。

      表 3  单脉冲电子束作用下不同轫致辐射靶的破坏比较

      Table 3.  Comparison of damage for different bremsstrahlung targets impacted by single pulse electron beam

      W/MeVI/kA$\tau $/nsX-ray spot/mmD/(J·mm-2target structuretarget destroyed
      12 MeV LIA 12 2.5 80 3.2 298.6 slab melting ablation/perforation
      distributed no change
      Dragon-Ⅰ 20 2.0 60 1.5 1358.8 distributed perforation
      Dragon-Ⅱ 20 2.0 60 2 764.3 distributed perforation
      4 MeV X-ray machine 4 2.0~2.5 60 2 152.9~191.1 distributed no transformation (estimated)

      另外,图4图6分别给出了部分强流直线感应加速器的轫致辐射靶破坏示意图。

      图  4  12 MeV LIA 不同结构靶破坏

      Figure 4.  Damage of different targets for 12 MeV LIA

      图  6  不同脉冲作用下的神龙二号加速器钽叠靶的破坏

      Figure 6.  Damage of the tantalum distributed target impinged by different electron beams from Dragon-Ⅱ accelerator

      图  5  神龙一号加速器钽叠靶破坏

      Figure 5.  Damage of tantalum distributed target for Dragon-Ⅰaccelerator

      表3的计算与实验结果表明,由于神龙一号和神龙二号加速器产生的单脉冲电子束能量高、束流流强大以及与轫致辐射靶作用的束斑较小,因而在轫致辐射靶上的能量沉积密度较高,对靶材造成的破坏更剧烈,即使采用叠靶结构来减缓靶材料的损毁,仍然会导致靶材的毁伤、飞溅、穿孔等现象的发生,并向加速器前端回流靶材金属颗粒,影响加速器性能[14];而对于12 MeV LIA,由于在轫致辐射靶上的电子束能量沉积密度相对于上述两者大大减小,在采用实心钽靶时仍然会造成靶材料的烧蚀、穿孔,而采用钽叠靶结构时没有造成靶材的损伤。对比4 MeV闪光X光机的单脉冲电子束作用在轫致辐射靶上的能量沉积密度,大幅小于12 MeV LIA电子束在靶上产生的能量沉积密度,因此,对于4 MeV闪光X光机来说,轫致辐射靶采用叠靶结构情况时,在单脉冲电子束的作用下不会导致靶材的破坏与穿孔等,不会产生类似神龙二号加速器靶材金属颗粒回流问题,同时为三脉冲电子束打靶产生三脉冲X光提供了保证,另外,这也有利于降低4 MeV闪光X光机的束流漂移段长度,从而降低该型闪光机的研发费用等。

    • 对能量为4 MeV的闪光X光机的轫致辐射靶进行了物理设计和数值模拟计算。当轫致辐射靶采用有效厚度为0.6 mm的钽材时,可以在轫致辐射靶正前方1 m处获得最大的X光照射量;利用经验公式Martin公式和MCNP模拟计算,得到的X光照射量大小满足或超过该闪光X光机的设计指标。对单脉冲电子束作用后不同能量密度沉积下的轫致辐射靶的破坏进行了比较和分析,表明轫致辐射靶采用钽叠靶结构设计能够满足4 MeV闪光X光机的多脉冲打靶要求,但最终设计结果需要进行实验验证。

      致 谢 感谢神龙系列加速器运行人员在加速器实验上的支持和帮助。

参考文献 (14)

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