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采用脉冲强流电子束轰击高Z材料可以产生能谱范围keV至MeV级的轫致辐射，国际上建立了大量的脉冲电子束装置产生不同能段射线用于辐射效应研究。对于高能的X或γ射线，通过提高功率源电压和电流获得较高的辐射强度[1-2]。能量低于100 keV的硬X射线作用于电子系统激发系统电磁脉冲效应（SGEMP），产生强的电场和磁场，对电子器件造成损伤。在SGEMP研究中，要求X射线具有较高的能谱逼真度，同时要求具有较大的辐照面积、较高强度和较好的均匀性。采用单间隙二极管产生低能X射线，为了保证能谱的逼真度，需要降低二极管电压产生低能电子，这将导致轫致辐射转换效率下降。通过降低二极管阻抗获得更强的电子束流提高辐射强度和面积，由于爆炸发射阴极等离子体的膨胀致使二极管间隙闭合，无法将功率源的能量转换为电子束动能，难以通过降低二极管阻抗获得足够强的束流强度。针对该问题，美国Gamble II装置上研制了反射三极管，在电压1 MV的条件下，使电子多次穿过转换靶提高低能电子的产额和比例，但仍然存在大量的高能X射线；Saturn装置利用反射三极管，为了产生低能的X射线，电压降低至250 kV，不能充分利用加速器的驱动能力[3-6]。国内开展了复合薄靶、利用自磁场或外加磁场使电子多次穿透转化靶提高低能X射线份额等技术研究，但未在能谱和能注量上取得大的突破[7-9]，成为制约SGEMP效应试验研究的主要因素。串级二极管可以利用高电压大型脉冲功率设备产生较大辐照面积、较高能注量的脉冲硬X射线，本文介绍了“闪光二号”加速器驱动串级二极管产生高能注量脉冲硬X射线的方法、关键技术，并给出了X射线能谱、辐照面积、能注量、均匀性等参数。
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脉冲硬X射线源的系统组成如图1所示，主要包括脉冲功率源和串级二极管两部分。脉冲功率源以“闪光二号”加速器为基础，通过适应性改造，陡化前沿、压缩脉宽，满足X射线时间波形的要求。主体由Marx发生器、水介质脉冲形成和传输系统构成。Marx发生器作为初级储能单元，由5排36级组成，每级电容1.4 μF，单级额定工作电压100 kV，采用正负极性充电，级间采用气体火花开关隔离，满载时最高输出3.6 MV的脉冲高压。脉冲形成和传输系统包括中间储能电容、主开关、脉冲形成线、多针脉冲形成开关、预脉冲抑制电感和传输线。中储电容由3根6 Ω小水线并联组成，始端和末端汇聚后分别与Marx发生器和主开关相连，主开关导通形成宽度约140 ns脉冲向脉冲形成线充电。多针开关采用9个针-板开关并联减小电感陡化脉冲前沿，进一步压缩脉冲宽度，电压脉冲经由预脉冲抑制电感和抑制开关进一步整形，通过输出线加载到电子束二极管。匹配电阻负载下的脉冲前沿和脉冲宽度分别为30 ns和60 ns，Marx充电50 kV下典型波形如图2所示。
图 1 X射线源系统组成
Figure 1. structure of the X ray source
图 2 脉冲功率源典型输出电压波形
Figure 2. typical voltage waveform of the power source
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串级二极管将单间隙二极管分为多个二极管，当各级二极管发射电子后，其阻抗由空间电荷限制流决定，通过调节各级二极管结构和阴阳极间隙，使其阻抗相等，各级电压按照阻抗分配，降低为总电压的1/2，而束流保持不变，产生更多低能电子。各级二极管产生的电子束分别打靶产生X射线，在空间形成均匀大面积辐射[10]。采用该方法，大型脉冲功率装置可以工作在较高电压下产生较强的低能大面积X射线。
串级二极管的技术难点主要包括三个方面：一是低电感紧凑化设计，减小电感对电压脉冲前沿的影响，同时保证中间电极电位悬浮，实现串联功能；二是大面积阴极均匀发射，解决二极管短路和阻抗控制问题，实现二极管均匀分压；三是优化两级二极管尺寸配合关系，获得均匀大面积X射线辐射场。
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串级二极管的结构如图3所示，脉冲电压通过一段真空磁绝缘传输线加载到二极管间隙，减小二极管真空段的电感，提高能量的传输效率和脉冲前沿。真空传输线长度8 cm，内外筒直径分别为220 mm和280 mm，内筒末端采用圆角过渡，减小边缘电场。第一级二极管阴极与传输线内导体螺纹连接，第二级阴极和第一级的阳极为一体，同时作为第一级二极管的转换靶，采用一种螺线管电磁铁支撑，通过时间关联使第二个阴极处于电位悬浮状态，第二级转换靶由末端固定。悬浮电极位置保持不动，调节第一个阴极和第二个阳极轴向位置，改变两级二极管的间隙。设计辐照面积大于500 cm2，取悬浮电极半径12 cm，改变第一级阴极半径优化辐射场的均匀性。各级二极管的阳极和转换靶由23 μm钽箔和1 mm铝板组成，第二级转换靶中间开孔半径大于第一级阴极半径，避免吸收第一级二极管产生的X射线。
图 3 串级二极管结构
Figure 3. structure of the series diode
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悬浮电极支撑控制是串级二极管的关键技术，真空中绝缘子表面绝缘强度较低，难以满足结构紧凑设计的要求，同时二极管工作过程中，等离子体、电子、阴极和阳极碎片等轰击，降低了绝缘可靠性。提出了一种电磁铁动态支撑方法，悬浮电极由3根支撑针支撑，水平方向2根支撑针固定高度和轴向位置，正上方一根防止悬浮电极旋转。支撑针与铁磁材料连接，通过一个触发器触发螺线管驱动源放电，使支撑针迅速收缩，采用电阻分压器测量放电电压信号，并通过DG535延时器延迟一定时间，触发加速器工作，当电压脉冲到达二极管时，支撑针完全收缩，中间电极处于真空绝缘状态，减小绝缘距离，实现紧凑设计，串级二极管同步工作流程如图4所示。螺线管采用三组1000 μF电容和氢闸流管放电驱动，电压1.2 kV，电流500 A，脉冲宽度3 ms。
图 4 悬浮电极支撑系统工作过程
Figure 4. Operation process of floating cathode support system
图5为高速相机拍摄的支撑针收缩过程，初始状态支撑针将中间电极固定在二极管中心位置，当螺线管驱动源放电后，支撑针在电磁力作用下向外收缩，中间电极处于自由落体状态，经过5 ms，3根支撑针完全收缩到二极管筒体外，不影响二极管区域电场，利用真空绝缘实现其电位悬浮。支撑针在收缩过程中，悬浮电极自由下落距离小于150 μm，对二极管同心度和电场分布的影响可以忽略。
图 5 悬浮电极支撑针收缩过程
Figure 5. Retracting process of the support pins
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串级二极管包括两个低阻抗二极管，任何一个二极管工作不稳定将导致串联失败。对于低阻抗冷阴极爆炸发射电子束二极管，阴极发射的均匀性和稳定性是影响二极管工作状态的主要因素，采用宽度W为4 mm的双环石墨阴极，增加表面电场提高发射稳定性，同时获得较大的二极管间隙减小二极管短路概率。双环阴极的间隔选取7 mm，避免两个环之间的相互影响。
双环阴极二极管的阻抗定标关系由实验电压电流和环状阴极空间电荷限制流近似公式得到[11]
$$\frac{{{I}_{t}}}{{{S}_{c}}}=\frac{1}{4}{{\left\{ 1+\frac{(d-{{v}_{p}}t)}{{\text{π}} W}+{{\left[ \frac{2}{{\text{π}} }{{\rm{tan}}^{-1}}\frac{W}{2(d-{{v}_{p}}t)} \right]}^{{\rm{-1}}/{{\text{π}} }\;}} \right\}}^{2}}\times \frac{8{{\varepsilon }_{0}}}{9}{{\left( \frac{e}{2{{m}_{e}}} \right)}^{\frac{1}{2}}}\frac{V_{t}^{{}^{3}\!\!\diagup\!\!{}_{2}\;}}{{{(d-{{v}_{p}}t)}^{2}}}$$ (1) $${S_c} = {\text{π}} \left\{ {\left[ {{R^2} - {{(R - W)}^2} + {{(R - W - D)}^2} - {{(R - 2W - D)}^2}} \right]} \right\}$$ (2) 式中：Vt和It为某一时刻的电压和电流；
${v_p}$ 为二极管间隙闭合速率，取4 cm/μs；Sc为双环阴极面积；t为脉冲作用时间；R、W、D和d分别为阴极半径、环宽度、环间距和二极管阴阳极间隙；ɛ0为真空介电常数；e和me分别为电子电量和质量。通过ICCD相机观察200 kV、200 kA下双环阴极等离子体图像分析其发射均匀性，不同时刻双环阴极侧面等离子体图像如图6所示。从图中可以看出，阴极表面等离子体的运动速度一致，随着电压脉冲作用时间增加，等离子体均匀膨胀，等离子体光斑宽度和亮度增加，但无快速运动强点，表明阴极发射均匀稳定。
图 6 阴极结构和不同时刻的等离子体图像
Figure 6. Cathode structure and cathode plasma images at different time
串级二极管辐射场的均匀性与两级二极管电子束打靶位置相关，不考虑电子束箍缩，取决于阴极半径的配合关系。利用MCNP程序建立串级二极管模型，在各级阴极表面加载相同能量和强度的电子束流，第二级阴极半径保持12 cm不变，转换靶由23 μm钽和1 mm铝组成。通过改变第一级阴极的半径，计算距离第二级转换靶后5 cm处的能注量分布，并将能注量最大值和最小值的比值作为均匀性的判断依据，不同尺寸比例下X射线的分布如图7所示。从图中可以看出，当第一级阴极半径为8 cm和9 cm时，辐射场均匀性最优，达到1.2:1。
图 7 阴极环尺寸比例对辐射均匀性的影响
Figure 7. X ray uniformity at different radii ratio
实验中第一级阴极半径8 cm束流箍缩严重，为了提高辐射均匀性采用9 cm，图8为采用X射线针孔成像得到的串级二极管束斑图像，第一级二极管（内环）和第二级二极管（外环）电子束斑均匀，第一级二极管面积较小，束斑的亮度强于第二级二极管，由于束流自磁场的作用，第一级二极管束流向内箍缩，在中心区域形成环形光带。串级二极管束斑图像表明两级二极管发射均匀，反映了二极管的串联工作状态。
图 8 串级二极管束斑图像
Figure 8. time-integrated pinhole camera image of the series diode
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实验在“闪光二号”加速器充电电压50 kV，输出电压约700 kV的条件下进行，两级二极管的间隙根据二极管阻抗定标关系计算得到，在电压峰值阻抗1 Ω，均匀分压的情况下，第一级和第二级二极管间隙分别为5.6 mm和6.3 mm。X射线脉冲时间波形采用PIN电流型半导体探测器测量，探头时间响应3.5 ns，图9为串级二极管电压电流和X射线的脉冲波形，X射线半高宽56 ns，串级二极管在整个电压脉冲期间，没有发生短路，将脉冲功率源的能量转换为X射线能量。能谱采用吸收法配合PIN探测器测量，图10为驱动源相同设置下2 Ω串级二极管和单间隙二极管的X射线能谱，串级二极管X射线的光子能量69%分布在10～100 keV之间，相对于单间隙二串级二极管X射线峰值明显向低能段偏移，比较二者X射线平均能量，串级二极管通过串联分压将X射线平均能量由132 keV降低为87 keV。
图 9 串级二极管电压电流和的X射线脉冲波形
Figure 9. series diode voltage, current and X ray waveform of typical experiment
图 10 串级二极管和单间隙二极管X射线能谱
Figure 10. X ray spectrum of the series diode and single diode
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均匀性采用剂量片进行测量，25个剂量片放置在距离串级二极管第二级转换靶后5 cm处，测量面直径26 cm，分为两种方式布置：第一种沿水平和垂直布置，呈“十”形，第二种分为等间距3圈呈辐射状布置。图11为典型的剂量分布曲线和面分布，分布规律与模拟结果相似，相对于模拟结果，由于阴极发射不可能完全均匀、加之强束流的箍缩，辐射均匀性下降，可达到1.7∶1。
图 11 靶后5 cm处X射线剂量分布曲线和面分布
Figure 11. X rays dose distribution over the area at 5 cm from last convertor
脉冲硬X射线能注量采用一种全吸收法测量[12]，通过探头得到剂量与能注量的对应关系，根据实测剂量分布求出串级二极管平均能注量，5次实验平均能注量为36 mJ/cm2。表1给出了连续5次实验的串级二极管电压电流和辐射场参数，串级二极管能够较为稳定的串联工作，X射线的脉冲宽度、平均剂量、能注量和光子平均能量参数抖动小于10%。
表 1 连续5次实验二极管电压电流和X射线参数
Table 1. experimental data of five consecutive shots
shot voltage/
kVcurrent/
kAX ray rise
time/nsFWHM /
nsaverage dose /
rad（Si）average fluence /
mJ·cm−2X ray average
energy/keVuniformity 042 697 302 27.2 55.6 314 36.5 86.7 1.7:1 043 686 314 25.2 52.8 305 35.5 87.8 2.0:1 044 721 334 26.5 60.4 322 37.4 89.6 1.9:1 045 701 307 28.2 58.7 318 37.0 86.7 2.0:1 046 698 308 25.1 52.4 303 35.2 82.1 1.7:1 statistics 701±8 313±9 26.4±1.0 56.0±2.8 312±6.8 36.3±0.9 86.6±1.8 -
本文介绍了“闪光二号”加速器脉冲硬X射线输出参数及其关键部件串级二极管的设计方法。提出了一种多针支撑方法实现串级二极管的紧凑设计，设计了双环阴极实现阴极均匀、稳定发射，优化了两级二极管阴极尺寸比例和阴阳极间隙，提高了串级二极管辐射均匀性。实验结果表明：串级二极管极发射均匀、工作稳定，在总电压约700 kV、束流约310 kA的条件下，距离靶面5 cm处的平均剂量313 rad（Si），对应的平均能注量36 mJ/ cm2，500 cm2面积上的剂量均匀性可达1.7:1。在相同工作电压下，串级二极管X射线平均能量相对于单间隙二极管明显降低，由132 keV降低到87 keV。串级二极管脉冲硬X射线源可为SGEMP研究提供能谱较为逼真、较大辐照面积和较高能注量的实验环境。
An intense pulsed hard X-ray source based on series diode technology
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摘要: 介绍了利用串级二极管产生高强度脉冲硬X射线的方法及其辐射场参数。以“闪光二号”加速器为平台，通过适应性改造，产生快前沿电压脉冲；研制了两级阻抗1 Ω串级二极管，通过串联分压降低二极管端电压、各级二极管电子束独立打靶在空间叠加形成高强度均匀辐射场。解决了悬浮电极绝缘支撑、二极管阴极均匀发射等技术难题，实现了串级二极管的稳定工作。在总电压约700 kV、电流约310 kA条件下，X射线平均能量87 keV，500 cm2上的平均能注量36 mJ/cm2，剂量均匀性（最大值比最小值）达到2: 1。Abstract: There are formidable difficulties to generate intense pulsed hard X-ray. The lack of high fidelity and fluence X-ray source has become a restriction factor of SGEMP effect research. The method for intense large-area pulsed hard X- ray production by using a series diode and the radiation parameters were presented in this paper. Flash II accelerator was refined to generate a fast rise time voltage pulse, and a two-stage series diode was developed for coupling electrical energy of high-voltage generator to a low endpoint voltage bremsstrahlung diode via two diodes in series. The X-rays generated by each diode add in space to improve intensity. A dynamic support system was invented to solve the insulation problem of the floating electrode and double-ring cathodes were designed to improve emission uniformity. The experimental results show that the two-stage series diode can work stably under ～700 kV voltage and ～310 kA current, the average energy of X rays is 87 keV, and the fluence is about 36 mJ/cm2 over 500 cm2 area with dose uniformity 2∶1 at 5 cm from the last converter.
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图 6 阴极结构和不同时刻的等离子体图像
Figure 6. Cathode structure and cathode plasma images at different time
图 9 串级二极管电压电流和的X射线脉冲波形
Figure 9. series diode voltage, current and X ray waveform of typical experiment
图 11 靶后5 cm处X射线剂量分布曲线和面分布
Figure 11. X rays dose distribution over the area at 5 cm from last convertor
表 1 连续5次实验二极管电压电流和X射线参数
Table 1. experimental data of five consecutive shots
shot voltage/
kVcurrent/
kAX ray rise
time/nsFWHM /
nsaverage dose /
rad（Si）average fluence /
mJ·cm−2X ray average
energy/keVuniformity 042 697 302 27.2 55.6 314 36.5 86.7 1.7:1 043 686 314 25.2 52.8 305 35.5 87.8 2.0:1 044 721 334 26.5 60.4 322 37.4 89.6 1.9:1 045 701 307 28.2 58.7 318 37.0 86.7 2.0:1 046 698 308 25.1 52.4 303 35.2 82.1 1.7:1 statistics 701±8 313±9 26.4±1.0 56.0±2.8 312±6.8 36.3±0.9 86.6±1.8 
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