電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)及其診斷方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001]本發(fā)明屬于脈沖功率領(lǐng)域，具體涉及一種電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)及其診斷方法。
【背景技術(shù)】
[0002]強(qiáng)流電子束二極管是脈沖功率領(lǐng)域的重要器件，不同的結(jié)構(gòu)參數(shù)、不同工作狀態(tài)下可用于獲得強(qiáng)流電子束輸出、大面積輻射場、小焦斑X射線源等輸出狀態(tài)。強(qiáng)流電子束二極管在國防、民用領(lǐng)域都有很多重要應(yīng)用，如何提高輸出參數(shù)的穩(wěn)定性、獲得準(zhǔn)確的強(qiáng)流電子束輸出指標(biāo)是脈沖功率研究領(lǐng)域的重點(diǎn)和難點(diǎn)。大量研究結(jié)果表明，電子束的箍縮過程對強(qiáng)流電子束的輸出指標(biāo)影響巨大。因此，診斷電子束的箍縮運(yùn)動過程是強(qiáng)流電子束二極管研究中十分重要的部分。
[0003]由于強(qiáng)流電子束二極管通常工作在數(shù)百萬伏高電壓脈沖下，電磁場環(huán)境復(fù)雜，工作狀態(tài)變化極快(工作過程持續(xù)時間僅數(shù)十ns);電子束的箍縮過程難以診斷。目前獲得應(yīng)用的常見的診斷方法是對電子束轟擊陽極后的輻射場進(jìn)行診斷，進(jìn)而反推分析電子束的陽極落點(diǎn)和能量分布等信息。但是由于電子束轟擊陽極發(fā)生韌致輻射的過程十分復(fù)雜，其X射線的能譜、方向性均難以確定;而且X射線穿透能力極強(qiáng)，對測量系統(tǒng)的屏蔽和抗干擾能力提出了很高的要求。上述理論分析和實(shí)驗(yàn)測量上的困難都限制了強(qiáng)流電子束二極管中電子束箍縮過程診斷技術(shù)的發(fā)展。

【發(fā)明內(nèi)容】

[0004]本發(fā)明的目的是提供一種新型的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)及其診斷方法，解決了現(xiàn)有的電子束二極管設(shè)備無法對電子束箍縮過程進(jìn)行準(zhǔn)確診斷的技術(shù)問題。
[0005]本發(fā)明的技術(shù)解決方案是:所提供的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)包括沿電子束入射方向依次設(shè)置的復(fù)合陽極和圖像采集系統(tǒng);所述復(fù)合陽極包括相互貼合的導(dǎo)電膜和閃爍體，所述導(dǎo)電膜朝向電子束入射端;所述圖像采集系統(tǒng)設(shè)置于閃爍體一側(cè)。
[0006]上述導(dǎo)電膜和閃爍體的結(jié)構(gòu)參數(shù)是通過蒙特卡洛模型對閃爍體材料中電子能量沉積情況的預(yù)估結(jié)果來確定的，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材質(zhì)和厚度。
[0007]上述導(dǎo)電膜是厚度為10?ΙΟΟμπι的低Z材料金屬箔，保證電子束高穿透率，且降低了金屬箔前后表面電子空間位置的差異。
[0008]上述閃爍體是厚度為Imm的薄片狀塑料閃爍體，確?？梢姽廨椛鋸?qiáng)度可探測的前提下，盡量減小閃爍體厚度以提高空間分辨率。
[0009]上述圖像采集系統(tǒng)為光纖陣列、ICCD相機(jī)或者分幅相機(jī)，準(zhǔn)確獲取可見光分布信息。
[0010]本發(fā)明還提供一種基于上述電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)的電子束箍縮過程診斷方法，其特殊之處在于:包括以下步驟:
[0011]I】將導(dǎo)電膜與閃爍體緊密粘貼固定，制成復(fù)合陽極；
[0012]2】沿電子束入射方向依次安裝復(fù)合陽極和圖像采集系統(tǒng);復(fù)合陽極的導(dǎo)電膜朝向電子束入射端；
[0013]3】使用圖像采集系統(tǒng)采集可見光分布信息，所述可見光輻射信息包括空間分布、強(qiáng)度和時間信息；
[0014]4】根據(jù)閃爍體能量沉積和可見光輻射之間的確定關(guān)系，獲得電子束到達(dá)陽極的空間分布和強(qiáng)度分布信息。
[0015]上述步驟I】的具體實(shí)現(xiàn)方式為:
[0016]1.1】根據(jù)二極管工作參數(shù)預(yù)估電子束的能量分布情況，所述工作參數(shù)包括脈沖電壓和電流波形；
[0017]1.2】建立蒙特卡洛模型預(yù)估閃爍體材料中的電子能量沉積情況；
[0018]1.3】根據(jù)預(yù)估結(jié)果確定導(dǎo)電膜和閃爍體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材質(zhì)和厚度；
[0019]1.4】將符合步驟1.3】中的結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)電膜與閃爍體緊密粘貼固定，制成復(fù)合陽極。
[0020]本發(fā)明的有益效果在于:
[0021](I)本發(fā)明利用數(shù)值模擬選擇適合的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)可見光信號，結(jié)合閃爍體能量沉積和可見光輻射之間的確定關(guān)系，即可獲得電子束到達(dá)陽極的空間分布、強(qiáng)度分布信息，診斷方法簡單，診斷結(jié)果準(zhǔn)確。
[0022](2)本發(fā)明采用復(fù)合陽極代替高Z材料轉(zhuǎn)換靶，復(fù)合陽極采用金屬導(dǎo)電膜和片狀塑料閃爍體貼敷而成，避免了高Z材料韌致輻射的復(fù)雜性。
【附圖說明】
[0023]圖1為本發(fā)明較佳實(shí)施例的結(jié)構(gòu)原理示意圖；
[0024]圖2為本發(fā)明閃爍體能量沉積分布情況的數(shù)值模擬結(jié)果。
【具體實(shí)施方式】
[0025]本發(fā)明較佳實(shí)施例的工作原理是利用二極管復(fù)合陽極設(shè)計來簡化電子束箍縮落點(diǎn)診斷，在典型“環(huán)形陰極-平板陽極”電子束二極管結(jié)構(gòu)中，采用復(fù)合陽極代替高Z材料韌致輻射靶轉(zhuǎn)換靶。復(fù)合陽極采用金屬導(dǎo)電膜和片狀塑料閃爍體貼敷而成。二極管工作過程中，復(fù)合陽極受電子束轟擊后，高能電子束穿過金屬導(dǎo)電膜在塑料閃爍體內(nèi)沉積能量。選擇適合的閃爍體材料，能量沉積區(qū)域發(fā)出特定波長的可見光。根據(jù)數(shù)值模擬結(jié)果選擇適合厚度的金屬導(dǎo)電膜和閃爍體厚度，可保證可見光發(fā)光區(qū)域集中在較小空間尺寸內(nèi)，且與電子束落點(diǎn)對應(yīng)。在復(fù)合陽極后方，采用圖像采集裝置診斷可見光信號，可獲得可見光信號的空間分布、強(qiáng)度和時間信息。在適合的參數(shù)下，根據(jù)可見光信號，結(jié)合閃爍體能量沉積和可見光輻射之間的確定關(guān)系，即可獲得電子束到達(dá)陽極的空間分布、強(qiáng)度分布信息。金屬導(dǎo)電膜可以采用數(shù)十微米厚度的金屬箔，平整安裝代替二極管陽極。塑料閃爍體可以采用Imm左右的片狀結(jié)構(gòu)，塑料閃爍體厚度取決于電子束的入射角、能量等信息，還要綜合考慮能量沉積效率和發(fā)光強(qiáng)度、診斷系統(tǒng)對空間分辨率的要求等因素。金屬導(dǎo)電膜與片狀塑料閃爍體緊貼固定，盡量減小縫隙。圖像采集裝置可以采用光纖陣列、高速ICCD或分幅相機(jī)。
[0026]復(fù)合陽極的設(shè)計方法中，根據(jù)二極管工作參數(shù)(脈沖電壓和電流波形)，預(yù)估電子束的能量分布情況，建立蒙特卡洛模型預(yù)估塑料閃爍體材料中電子能量沉積情況，結(jié)合閃爍體能量沉積與可見光輻射之間的關(guān)系，確?？梢姽廨椛鋸?qiáng)度可探測的前提下，盡量減小閃爍體厚度以提高空間分辨率。綜合考慮空間分辨率、輻射光診斷系統(tǒng)等要求，確定陽極復(fù)合靶金屬箔材質(zhì)、厚度和閃爍體材料、厚度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。
[0027]復(fù)合陽極的制作方法中，復(fù)合陽極和二極管結(jié)構(gòu)整體處于真空腔體中。復(fù)合陽極金屬箔與塑料閃爍體薄片之間采用放氣率低、貼敷致密平整的膠水粘結(jié)，安裝過程須保證復(fù)合靶前表面金屬箔與裝置二極管結(jié)構(gòu)陽極金屬結(jié)構(gòu)電接觸良好。
[0028]實(shí)驗(yàn)過程中，陽極復(fù)合靶后表面可見光光斑強(qiáng)弱動態(tài)范圍大、光斑強(qiáng)弱和分布變化迅速，后端診斷系統(tǒng)采用光纖陣列、高速ICCD或分幅相機(jī)獲取可見光分布信息。根據(jù)試驗(yàn)獲得圖像中的光斑強(qiáng)度和分布、閃爍體輻射光與能量沉積之間的關(guān)系等，得到閃爍體上沉積能量的分布情況，進(jìn)而即可獲得電子束的空間分布信息。
[0029]參見圖1，電子束從陰極I發(fā)射跨越陰陽極間隙后，轟擊復(fù)合陽極。復(fù)合陽極中的導(dǎo)電膜2采用低Z材料制成的厚度較小的金屬箔，保證電子束高穿透率，且降低了金屬箔前后表面電子空間位置的差異。電子穿過金屬箔后，能量沉積在塑料閃爍體3內(nèi)，閃爍體3的后表面發(fā)射特征光。在適當(dāng)范圍內(nèi)，可見光輻射強(qiáng)度與電子沉積能量成比例關(guān)系。在閃爍體3后側(cè)設(shè)置的圖像采集裝置4用于采集可見光圖像信息，可見光輻射光斑位置反映了電子束落點(diǎn)。
[0030]圖2是在典型參數(shù)下，理論計算電子束落點(diǎn)對應(yīng)的可見光輻射光斑。選用金屬箔厚度0.1mm，塑料閃爍體厚度1mm，采用蒙特卡洛方法數(shù)值模擬電子束垂直入射和45度角斜入射時，閃爍體后表面區(qū)域能量沉積分布情況。該能量沉積區(qū)域?qū)?yīng)可見光輻射光斑區(qū)域，進(jìn)而決定了本發(fā)明方法診斷電子束箍縮過程的空間分辨率。正入射、斜入射電子在閃爍體上能量沉積曲線半高寬?0.5mm。意味著反映電子束落點(diǎn)的可見光輻射光斑半高寬分布在亞_米區(qū)域，即空間分辨率為亞_米量級。
【主權(quán)項】
1.一種電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)，其特征在于:包括沿電子束入射方向依次設(shè)置的復(fù)合陽極和圖像采集系統(tǒng);所述復(fù)合陽極包括相互貼合的導(dǎo)電膜和閃爍體，所述導(dǎo)電膜朝向電子束入射端;所述圖像采集系統(tǒng)設(shè)置于閃爍體一側(cè)。2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述導(dǎo)電膜和閃爍體的結(jié)構(gòu)參數(shù)是通過蒙特卡洛模型對閃爍體材料中電子能量沉積情況的預(yù)估結(jié)果來確定的，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材質(zhì)和厚度。3.根據(jù)權(quán)利要求2所述的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述導(dǎo)電膜是厚度為.10?100μm的金屬箔。4.根據(jù)權(quán)利要求3所述的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述金屬箔為低Z材料。5.根據(jù)權(quán)利要求1-4中任一所述的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述閃爍體是厚度為0.2-lmm的薄片狀塑料閃爍體。6.根據(jù)權(quán)利要求5所述的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)，其特征在于:所述圖像采集系統(tǒng)為光纖陣列、ICCD相機(jī)或者分幅相機(jī)。7.—種基于權(quán)利要求1-6中任一所述的電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)的電子束箍縮過程診斷方法，其特征在于:包括以下步驟: 1】將導(dǎo)電膜與閃爍體緊密粘貼固定，制成復(fù)合陽極； 2】沿電子束入射方向依次安裝復(fù)合陽極和圖像采集系統(tǒng);復(fù)合陽極的導(dǎo)電膜朝向電子束入射端； 3】使用圖像采集系統(tǒng)采集可見光分布信息，所述可見光輻射信息包括空間分布、強(qiáng)度和時間信息； 4】根據(jù)閃爍體能量沉積和可見光輻射之間的確定關(guān)系，獲得電子束到達(dá)陽極的空間分布和強(qiáng)度分布信息。8.根據(jù)權(quán)利要求7所述的電子束箍縮過程診斷方法，其特征在于:所述步驟I】的具體實(shí)現(xiàn)方式為: .1.1】根據(jù)二極管工作參數(shù)預(yù)估電子束的能量分布情況，所述工作參數(shù)包括脈沖電壓和電流波形； . 1.2】建立蒙特卡洛模型預(yù)估閃爍體材料中的電子能量沉積情況； .1.3】根據(jù)預(yù)估結(jié)果確定導(dǎo)電膜和閃爍體的結(jié)構(gòu)參數(shù)，所述結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材質(zhì)和厚度； . 1.4】將符合步驟1.3】中的結(jié)構(gòu)參數(shù)的導(dǎo)電膜與閃爍體緊密粘貼固定，制成復(fù)合陽極。
【專利摘要】本發(fā)明屬于脈沖功率領(lǐng)域，具體涉及一種電子束箍縮過程診斷系統(tǒng)及其診斷方法。該診斷系統(tǒng)包括沿電子束入射方向依次設(shè)置的復(fù)合陽極和圖像采集系統(tǒng)；復(fù)合陽極包括相互貼合的導(dǎo)電膜和閃爍體，導(dǎo)電膜朝向電子束入射端；圖像采集系統(tǒng)設(shè)置于閃爍體一側(cè)。導(dǎo)電膜和閃爍體的結(jié)構(gòu)參數(shù)是通過蒙特卡洛模型對閃爍體材料中電子能量沉積情況的預(yù)估結(jié)果來確定的，結(jié)構(gòu)參數(shù)包括材質(zhì)和厚度。本發(fā)明利用數(shù)值模擬選擇適合的工作參數(shù)和結(jié)構(gòu)參數(shù)，根據(jù)可見光信號，結(jié)合閃爍體能量沉積和可見光輻射之間的確定關(guān)系，即可獲得電子束到達(dá)陽極的空間分布、強(qiáng)度分布信息，診斷方法簡單，診斷結(jié)果準(zhǔn)確。
【IPC分類】G01T1/203
【公開號】CN105676260
【申請?zhí)枴緾N201610037587
【發(fā)明人】張鵬飛, 孫劍鋒, 孫江, 胡楊, 叢培天, 邱愛慈
【申請人】西北核技術(shù)研究所
【公開日】2016年6月15日
【申請日】2016年1月20日