X射线闪光照相杆箍缩二极管技术最新进展

阴极发射的电子受到自身磁场的作用力Ｅｒ×Ｂ０，迫使电子向锥体下游会聚，它的优点是结构简单、焦斑小而且稳定。

上世纪７０年代初，我们在１ＭＶ、５ｋＡ、４０ｎｓ装置上就开展了电子束聚焦现象研究。

由于电压低、束流强度低，焦点大体与阳极杆直径相同。

１９９８年国际粒子束会议上，美国海军实验室（ＮＲＬ）Ｇ．Ｃｏｏｐｅｒｓｔｅｉｎ等人报导了他们阳极杆箍缩电子束二极管的最新实验结果，在２ＭＶ、２０～８０ｋＡ、５０ｎｓ机器上获得直径＜ｌｍｍ的焦点，ｌｍ处照射量为３Ｒ。

从那时候起，这一古老的思想，又重新引起人们的兴趣和关注，ＬＡＮＬ、ＬＬＮＡＬ、ＳＮＬ、ＡＷＥ相继开展了相关研究，最大的是英国原子武器研究中心推出的ＨＲＦ计划，如果这一方案能够实现，在闪光Ｘ射线机发展史上将又一次出现里程碑性的技术突破。

现在我们来分析一下ＲＰＤ二极管性能比过去有那一些较大的进展。

图ｌ为ＮＲＬ的ＲＰＤ二极管示意图。

ｔＳ＝詈ｌ（ａ）图１锥形阳极聚焦二极管；旷ｔ龇五磐薹—斗ｆＩｍｍｄｌａｍａｔａｎｒ椭ｒｅｄ（ｂ）ＲＰＤ二极雷简单说，就是利用一个薄环形阴极围绕看一个小直径的阿１极杆，并且这根阳极杆逐渐变细延伸，超出阴极平面一段距离。

ＲＰＤ中电流发展过程如下：（１）开始在低电压时，电子从径向发射，属于空间电荷限制流。

（２）在较高电压，弱箍缩开始，电子开始接近阳极，沿表面掠入射。

（３）在更高的电压，发生了强箍缩，形成自磁绝缘流，借助阳极产生的离子作用，电子流向杆的顶端。

（４）在磁限制区域电子流等位线形成，大部分电流达到杆的顶端。

由于离子流占２０～４０％，冠，味着不是全部电流都达到顶端。

在圆柱几何结构中，在非相对论空间电荷限制下，Ｌａｎｇｍｕｉｒ和Ｂｌｏｄｇｅｔｔ公式给出：ＩＬＢ叫。

半去心２式中，厶＝ｍ。

ｃ３／ｅ＝１７枷，ｕｏ＝ｅＶｏ／ｍ。

ｃ２二极管对静止能量归一化电压，，是阴极长度，Ｒｃ／Ｒａ为阴极半径与阳极杆半径之比，系数Ｋ２是Ｒ。

／疋的函数。

照相摄像技术新进展
张问骅
【期刊名称】《自动化博览》
【年(卷),期】1994(000)001
【总页数】1页(P3)
【作者】张问骅
【作者单位】无
【正文语种】中文
【中图分类】TB852
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3.X射线闪光照相杆箍缩二极管技术最新进展 [J], 陈林;谢卫平;邓建军
4.闪光照相快放电直线型变压器脉冲源新进展 [J], 孙凤举;邱爱慈;魏浩;尹佳辉;姜晓峰;王志国;梁天学;丛培天
5.基于无人机的道路交通事故现场照相与摄像技术研究 [J], 何树林;吴昊;李震因版权原因，仅展示原文概要，查看原文内容请购买。

X射线实时成像技术在钢管制造行业的应用一．什么是X射线实时成像？1.什么叫X射线成像？将穿过焊缝的X射线在胶片上感光，根据胶片的灰白程度判断焊缝的内在质量过程，叫X射线成像。

特点：胶片上的图像是静态不可调的；缺点：效率低，成本高，环境污染。

2.什么叫X射线实时成像？将穿过焊缝的X射线经过“图像增强器（将X射线转换成影像的设备）”、CCD（电耦合器件）摄像系统以及计算机处理后，转换成一幅数字图像的过程，叫X射线实时成像（成像过程见下图）。

3.输入屏的作用：将接收到的X射线，转换为电子发射到输出屏上。

4.输出屏的作用：将接收到的电子信号转换成焊缝影像；5. X射线实时成像系统的最重要元器件“图像增强器”的关键技术要求（既GB/T19293-2003标准“对接焊缝X射线实时成像检测法”中相关重要内容）：1）.必须避免X射线直接照射到图像增强的输入转换屏；2）.工业用X射线实时成像系统必须使用工业级图像增强器；3）.系统分辨率：图像识别细线（裂纹状缺陷）的能力，常用每毫米范围内识别线对的能力来表示。

一般要求1mm宽度内最少能够识别出3对线（既6条线），即可发现直径约0.17mm的线状缺陷。

4）.放大倍数：与射线源的焦点尺寸有关，实时成像系统所配置的X 射线管最小角点尺寸可达0.5mm，可用放大倍数≈2倍。

5）.检测速度不能大于3米/分钟；6）.根据GB/T19293-2003标准6.1条款“工作室环境”的规定，工作室环境温度范围应在（15-25）0C。

标准6.2条款“X射线室环境”的规定，X射线室环境温度范围应在（5-35）0C，相对湿度≤80%。

7). 图像处理单元的图像采集分辨率应不低于768×576像素；8). 学会像质计的使用；二．X射线实时成像系统的其它主要附属设备1.X射线管(结构见下图)：1.1X射线产生的过程：X射线管的阴极灯丝（金属钨制成）通过电流后，被加热到20000C 以上后发射电子，这些电子聚集在灯丝附近。

2024年CT X射线球管市场发展现状引言CT（Computed Tomography）技术是一种通过获取人体或物体的大量X射线图像，再经过计算机重建处理得到具有空间信息的横断面图像的影像技术。

在CT技术中，X 射线球管是关键的核心元件之一。

本文将介绍CT X射线球管市场的发展现状，从技术发展、市场需求以及竞争格局等方面进行分析和总结，以便了解该市场的现状和未来的发展趋势。

技术发展过去几十年来，随着CT技术的快速发展，X射线球管作为CT设备中的核心部件之一也经历了显著的改进和创新。

以下是CT X射线球管技术的发展趋势：1.高功率输出：为了满足高质量图像的要求，CT X射线球管的功率输出逐渐增加。

高功率输出可以提高扫描速度和图像的空间分辨率，从而提高诊断的准确性。

2.低辐射剂量：伴随着人们对辐射安全性的关注，CT X射线球管的辐射剂量逐渐降低，以保护受检者的健康。

通过使用新材料、优化设计和改进扫描技术，可以降低辐射剂量同时保持图像质量。

3.多层次探测器：为了提高图像的空间分辨率和三维重建的准确性，CT X射线球管采用了多层次探测器。

多层次探测器可以同时接收多个不同角度的X射线，提高图像的质量和对病灶的检测能力。

4.快速扫描：CT X射线球管的快速扫描能力是现代CT技术的重要特点之一。

通过提高球管的转速和探测器的灵敏度，可以减少扫描时间，提高临床效率。

市场需求CT X射线球管作为CT设备的核心元件，其市场需求受到多个因素的影响。

以下是目前CT X射线球管市场的主要需求：1.高性能：随着医学和科研技术的不断发展，人们对CT设备的性能要求越来越高。

高性能的CT X射线球管可以提供更高质量的图像，并且具备更多的功能和应用。

2.高安全性：CT X射线球管的辐射安全性是市场需求的重要考量因素之一。

用户对球管的辐射剂量和辐射控制技术有着较高的关注度。

因此，球管供应商需要致力于开发符合安全标准的产品。

3.高可靠性：CT设备通常在医疗机构中运行，对设备的可靠性有着极高的要求。

X-ray CCD 相机在杆箍缩二极管X 射线焦斑诊断中的应用宋岩;周鸣;宋顾周;马继明;段宝军;韩长材;姚志明【摘要】The pinhole imaging technique is widely used in the measurement of X‐ray spot of rod‐pinch diode .The X‐ray CCDcamera ,which was composed of film ,fiber optic taper and CCDcamera ,was employed to replace the imaging system based on scin‐tillator ,lens and CCD camera in the diagnosis of X‐ray spot .The resolution of the X‐ray CCD camera was studied .The resolution is restricted by the film and is 5 lp/mm in the test with Pb resolution chart .The frequency is 1.5 lp/mm when the MTF is 0.5 in the test with edge image .The resolution tests indicate that the X‐ray CCD camera can meet the requirement of the diagnosis of X‐ray spot w hose scale is about 1.5 mm w hen the pinhole imaging magnific ation is 0.5 .At last ,the image of X‐ray spot was gained and the restoration was implemented in the diagnosis of X‐ray spot of rod‐pinch diode .%针孔成像法是诊断杆箍缩二极管X射线焦斑的常用方法。

055003-1第30卷第5期强激光与粒子束V o l .30,N o .52018年5月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM SM a y,2018 数百千伏电压下杆箍缩二极管模拟*屈俊夫1,2, 马 勋1, 赵 娟1, 李洪涛1(1.中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900; 2.中国工程物理研究院研究生院,四川绵阳621999) 摘 要: 为了探索杆箍缩二极管(R P D )在冲击加载下物质低密度区成像应用中的可行性,开展了低电压(ɤ500k V )运行条件下R P D 箍缩物理特性模拟研究㊂基于P a r t i c l e -i n -c e l l (P I C )模拟方法,从二极管加载电压幅值㊁阴极盘厚度㊁阴阳电极孔径比等方面开展了二极管模拟,从电子箍缩效率㊁质子流㊁电子利用率㊁电场和磁场分布等角度对箍缩物理过程进行了分析㊂模拟表明:低电压运行条件下普通结构二极管电流较低,不能为电子提供足够的磁场力从而导致较低的电子箍缩效率;采用组合杆结构,并优化阳极杆到轫致辐射靶区的过渡区设计,是在低电压条件下实现小焦斑㊁高剂量辐射光源的值得探索的技术途径㊂ 关键词: 杆箍缩二极管; P I C 模拟; 闪光照相; 箍缩效率; 辐射成像中图分类号: O 434 文献标志码: A d o i :10.11884/H P L P B 201830.170432闪光X 光机主要由脉冲功率驱动源和强流电子束二极管组成,可以产生脉冲宽度为数十n s 的强辐射X光,用以获得冲击加载下物质内部结构的瞬态图像,是流体动力学实验必不可少的诊断手段[1-3]㊂根据不同的客体尺寸和物理需求,闪光X 光机运行电压从数百k V 至数MV 不等㊂近年来,物质低密度区的成像需求提出了发展低电压(450k V 或更低)㊁小焦斑㊁高剂量脉冲X 光源的迫切要求[4-6]㊂工业X 光二极管具有结构简单㊁焦斑固定㊁可多次使用的特点,成为数百k V 电压范围内常见的二极管形式,但受限于电场聚焦机制,辐射剂量难以获得显著提高㊂阳极杆箍缩二极管被认为是1~3MV 电压范围内最亮㊁综合性能最理想的光源[7-9],从而成为研究热点,但运行电压大多在1MV 以上㊂为探索杆箍缩二极管(R P D )在低能段使用的可行性,本文利用P I C 模拟方法,开展了二极管加载电压㊁结构参数等对阳极杆箍缩二极管电子箍缩物理过程的影响研究,从电子箍缩效率㊁质子流等方面分析了电子箍缩过程的影响因素㊂在此基础上进一步开展了组合杆阳极杆箍缩二极管电子箍缩物理过程的模拟,并分析了基于组合杆阳极杆箍缩二极管在数百k V 电压下实现小焦斑㊁高剂量闪光照相光源的可行性㊂1杆箍缩二极管简介F i g .1 S t r u c t u r e o f r o d -p i n c hd i o d e 图1 杆箍缩二极管结构示意图强流二极管是闪光X 光机的核心单元,其结构形式和设计水平是影响光源辐射性能的重要因素㊂在G a m b l e -Ⅱ,S a b r e 等平台开展的实验表明,R P D 具有优异的辐射性能,其由金属或石墨阴极㊁高原子序数材料阳极杆作为轫致辐射转换靶等组成,基本结构如图1[1]所示㊂阳极杆上加载正极性高压脉冲,在强电场作用下阴极经过爆炸发射时延后,二极管进入单向空间电荷流阶段,随着阳极杆上能量沉积达到一定程度,阳极杆形成质子流,R P D 进入双向空间电荷流阶段,二极管电流显著增大,在自磁场的作用下,电子开始沿着轴向漂移,开始进入箍缩状态,因此R P D 的物理本质是:阴极发射的电子束在自磁场和电场共同作用下聚焦在阳极杆尖端,产生小焦斑高剂量X 光辐射㊂在二极管电压一定的情况下,将电子束高效率耦合至阳极杆尖端是提高辐射性能的关键㊂而影响电子箍缩过程的两个主要因素是:电场E r 形成的电场力,以及角向磁场对电子形成的洛伦兹力F z ,即*收稿日期:2017-11-03; 修订日期:2018-01-14基金项目:中国工程物理研究院流体物理研究所发展基金项目(S F Z 20150202)作者简介:屈俊夫(1993 ),男,硕士研究生,从事脉冲功率及闪光X 光机研究;q u j f 12@l z u .e d u .c n ㊂通信作者:李洪涛(1968 ),男,博士,研究员,从事脉冲功率技术研究;l h t 680526@21c n .c o m㊂055003-2F z =J r ˑB φ(1)式中:J r 是径向电流密度,B φ是角向磁感应强度(柱坐标情况下)㊂E r 使电子受到向阳极杆运动的径向电场力,而洛伦兹力的轴向分量使电子向阳极杆尖端轴向运动㊂这两种力的共同作用,决定着电子束在阳极杆上的能量沉积状态㊂在P I C 模拟中,定义二极管进入稳态后电子箍缩效率以及电子电流利用率分别为ηp i n 和ηu t i ㊂ηp i n 表征沉积至阳极杆尖端靶区的电子电荷量占耦合至二极管的全部电荷的比值;ηu t i 表征沉积在阳极杆尖端靶区的电子电荷量占阴极发射电子束全部电荷量的比值,可分别表示为ηp i n =I e t i pI t o lˑ100%(2)ηu t i =I e t i pIe t o l ˑ100%(3)式中:I e t i p 为尖端电子电流,是指阳极杆末端一定长度范围的电子电流;I t o l 为总电流;I e t o l 为电子总电流㊂F i g .2 S i m p l i f i e dm o d e l o f r o d -p i n c hd i o d e 图2 杆箍缩二极管简化模型本文基于P I C 方法开展电子束箍缩物理过程的影响因素研究,在柱坐标下,建立的R P D 二维轴对称简化模型如图2所示,其中r 为径向方向,z 为轴向方向㊂模型结构包括钨制阳极杆㊁石墨阴极盘以及作为边界条件的良导体腔壁,其中,阳极杆直径1mm ㊁伸出阴极盘距离10mm ,阴极盘内径5mm ㊁厚3mm ㊂设置模拟中的电压加载波形为梯形脉冲,前沿5n s ,脉宽10n s ,峰值电压根据模拟需要设置在0.1~3.0MV 范围内㊂设置阴极盘发射电子,阳极杆发射质子以保证电子的正常箍缩㊂2 模拟与讨论2.1 峰值电压对电子箍缩的影响利用前述的二极管结构,研究了二极管加载电压对箍缩过程的影响,箍缩效率㊁电子利用率指阳极杆尖端5mm 范围内的电子电流分别与总电流㊁阴极发射电流的比值㊂其结果如表1所示㊂可见,随着二极管电压的增大,二极管电流显著增大,使得二极管内,相比于电场力,磁场力逐渐占据主导,更多阴极发射电子在磁场力作用下轴向漂移,耦合至阳极杆尖端,从而提高了电子利用率,且电子利用率趋向1,较高的电子利用率有利于获得高的电子箍缩效率㊂当电压提高至1.2MV 时,箍缩效率达到峰值,但是随着电压的进一步提高,虽然R P D 依然获得较高的电子利用率,且耦合至阳极杆尖端的电子电流幅值继续提高,但箍缩效率开始下降,其主要因素是随着电压的提高和阳极杆能量沉积的加大,质子流在二极管总电流的比值增大㊂因此对于较高运行电压等级的R P D ,降低质子流是提高其箍缩效率的重要途径之一,要在较低电压下(如400k V )实现较高的二极管箍缩效率的主要途径是提高二极管电流,从而提高电子所受洛伦兹力轴向分量㊂研究优化结构,提高箍缩效率以获得更佳的辐射性能,是R P D 研究的重要方向㊂表1 峰值电压对电子箍缩影响的模拟结果T a b l e 1 S i m u l a t e d i n f l u e n c e o f p e a k v o l t a ge o n t h e p i n c h p r o c e s s v o l t a ge /MV t o t a lc u r r e n t /A p r o t o n c u r r e n t /A pr o t o n c u r r e n t r a t i o /%e l e c t r o n c u r r e n to f t i p /A pi n c h e f f i c i e n c y/%e l e c t r o nu t i l i z a t i o n r a t e/%0.101992.5498.304.93447.6922.4723.630.205639.03433.017.682058.0936.5039.530.308344.14867.3710.403340.0640.0344.670.4010697.931582.4614.795685.9453.1562.380.5012909.942286.5217.717055.7654.6566.420.8019729.174961.9325.1512952.0965.6587.711.2028994.018825.7630.4419764.0268.1798.002.0048026.6617201.6935.8230617.1463.7599.333.0072542.2229250.4440.3242672.2558.8298.57强激光与粒子束055003-32.2 阴极盘各发射面电子箍缩特性为研究阴极盘各面发射电子的箍缩情况,在模拟中二极管加载电压设为500k V ,且将不同发射面发射的电子电流进行分别统计,得到了不同发射面出射电子的箍缩结果,结果如表2所示㊂可见,中心面和下游面为尖端提供了主要的箍缩电流㊂根据R P D 的空间结构,中心面和上游面出射电子均在阴阳极间隙附近受洛伦兹力轴向偏转的同时受径向电场力的加速,但中心面所受径向电场力更大,能够提供的爆炸发射电子数目更多,因而贡献了更多的箍缩电流㊂下游面出射电子所受电场力几乎是指向阳极杆尖端的,同时电子径向运动所形成的洛伦兹力也加速了电子轴向的箍缩过程,所以下游面发射的电子获得了最高的电子电流利用率㊂因此对于给定运行电压等级的R P D ,通过结构设计调控阴极盘各面发射电子电流幅值是一个提升辐射性能的可能方向[11-13]㊂表2 不同发射面的箍缩结果T a b l e 2 R e s u l t s o f d i f f e r e n t e m i s s i o n s u r f a c epo s i t i o n e l e c t r o n c u r r e n t o f a n o d e /Ae l e c t r o n c u r r e n t of t i p/A e l e c t r o nu t i l i z a t i o n r a t e/%c e n t r a l s u r f a c e6466.673529.7432.76u ps t r e a ms u r f a c e 1563.32920.928.55d o w n s t re a ms u rf a c e2744.712572.9323.882.3阴极盘内径不同区域发射电子箍缩特性F i g .3 S k e t c hm a p o f d i s t a n c e d i s t r i b u t i o no f l a u n c h i n g su r f a c e 图3 发射面距离分布示意图本文将加载电压定为500k V ,研究阴极盘内径不同区域发射电子箍缩特性,发射面距离分布如图3所示㊂如表3所示,最直接的结论是越靠近阳极杆的发射区域,能在阳极杆上提供越大的电子电流和尖端电子电流㊂造成以上情况的原因,具体来说,距阳极杆越近的阴极发射电子,所受径向电场力越大,导致其中部分电子来不及偏转至阳极杆尖端便已经轰击在阳极杆上,因此中心面发射电子电流利用率较低;距阳极杆稍远的阴极发射电子,所受到的初始径向电场力较小,能受到洛伦兹力的充分作用,箍缩到尖端的概率更大;但是,若发射区域与阳极杆距离过大,该发射区域会因为表面电场强度偏小导致电子发射数量急剧下降(轴向场强E z 沿阴极盘上下游发射面的分布如图4所示),同时随着与阳极杆距离变大,磁场呈指数下降,因此电子电流利用率也开始呈下降趋势㊂综上所述,根据二极管的运行电压和具体结构参数,对阴极盘下游面0~10mm 区域进行电场加强处理,是提升箍缩效率一种可能的技术途径㊂表3 不同距离发射面的箍缩效率T a b l e 3 P i n c h e f f i c i e n c y of e m i s s i o n s u r f a c e s a t d i f f e r e n t d i s t a n c e s po s i t i o n e l e c t r o n c u r r e n t o f a n o d e /Ae l e c t r o n c u r r e n t of t i p/A e l e c t r o nu t i l i z a t i o n r a t e/%c e n t r a l s u r f a c e 6466.673529.7454.580~5mm2551.531891.3774.135~10mm 633.37614.1596.9710~15mm380.30337.9988.87o t h e r s 704.04631.6389.712.4 阴极盘厚度对箍缩现象的影响基于2.2节的结论,即阴极盘中心面提供了最多的尖端电子电流,在阳极杆伸出阴极孔长度不变的情况下,开展了不同阴极厚度对箍缩特性的影响模拟㊂为验证该设想,在R P D 加载电压为400k V 进行模拟,结果如表4所示㊂表4结果表明,增厚阴极盘厚度并不能明显增加杆箍缩二极管的临界电流,这也印证了临界电流经验公式[10]与阴极盘厚度无关的结论,即I c r i t(k A )=8.5α(γ2-1)1/2l n (r c /r a )(4)屈俊夫等:数百千伏电压下杆箍缩二极管模拟055003-4式中:I c r i t 为自磁箍缩的临界电流;α是经验修正因子;γ为电子相对论质量因子;r c 为阴极盘中心孔半径;r a 为阳极杆半径㊂不仅如此,阴极盘增厚以后箍缩性能还略微有所下降,原因是阴极盘 增厚 实际上使得上游面发射的电子向尖端箍缩时漂移的路程增加,导致受径向电场力提前轰击在阳极杆上的概率增加,从而箍缩性能略微下降㊂F i g .4 D i s t r i b u t i o no f E z al o n g t h e c a t h o d e p a n e l 图4 E z 沿阴极盘上下游发射面分布图(场强值正负仅代表方向)表4 不同厚度阴极盘的箍缩效率T a b l e 4 P i n c h e f f i c i e n c y of c a t h o d e a t d i f f e r e n t t h i c k n e s s t h i c k n e s s o fc a t h ode /mmt o t a lc u r r e n t /Ap r o t o n c u r r e n t /A e l e c t r o n c u r r e n t o f a n o d e /A e l e c t r o n c u r r e n to f t i p/A pi n c h e f f i c i e n c y/%110376.211344.149032.075865.9056.53310697.931582.469115.475685.9453.15610678.081753.068925.025583.1652.292.5 杆箍缩二极管结构参数对箍缩现象的影响从以上的模拟可以发现,提高尖端电子电流一种可行的方法是降低杆箍缩二极管本身的结构阻抗,以增大阳极杆总电流㊂为此,本文在加载电压为400k V ㊁阴阳电极距离不变的情况下,通过减小阴阳电极孔径比,从而降低二极管结构阻抗,模拟结果如表5所示㊂可见,通过增大r a /r c ,杆箍缩二极管的结构阻抗降低,阳极杆上可以得到更大的阳极杆电流使二极管磁场显著增强,从而获得更高的箍缩效率㊂但是考虑到杆箍缩二极管的焦斑大小与阳极杆直径密切相关,因此探索阳极杆结构的优化途径以平衡电子箍缩效率与焦斑大小间的竞争关系是非常必要的㊂表5 不同阳、阴电极孔径比的箍缩效率T a b l e 5 P i n c h e f f i c i e n c y o f d i f f e r e n t a pe r t u r e r a t i o of a n o d e a n d c a t h o d e r a /r c t o t a lc u r r e n t /Ap r o t o n c u r r e n t /A pr o t o n c u r r e n t r a d i o /%e l e c t r o n c u r r e n to f t i p/A pi n c h e f f i c i e n c y/%1/510697.931582.4614.795685.9453.153/735391.887029.5619.8621727.1561.396/1070214.4815973.7822.7548480.1669.052.6 低电压组合杆箍缩二极管的可行性分析由2.5节模拟结果可知,保持阴阳极间隙不变,通过增大r a /r c ,杆箍缩二极管的结构阻抗降低,在阳极杆上可以得到更大的阳极杆电流,致使二极管磁场显著增强,从而获得更高的箍缩效率㊂但是,由于杆箍缩二极管的焦斑大小与阳极杆直径呈正相关关系,因此为追求更大的尖端电子电流而一味增大阳㊁阴极半径比值会导致成像质量下降㊂因此,为了得到较大尖端电子电流并控制焦斑大小,同时尽量消除阳极杆非尖端部位产生的背景X 射线,文献[14-16]在2.2~3.8MV 电压下的实验表明,组合杆箍缩二极管可以获得低阻抗特性,降低阻抗崩溃的灵敏度并有效降低焦斑㊁维持高辐射剂量㊂将杆箍缩二极管结构改为组合式二极管,即将阳极杆内径大的部分使用铝管代替,只在尖端保留钨杆,其二维仿真模型如图5所示,简而言之,保持阳极杆直径的同强激光与粒子束055003-5F i g .5 S i m p l i f i e dm o d e l o f c o m p o s i t e r o d -p i n c hd i o d e 图5 组合式杆箍缩二极管简化模型时,将阳极杆尖端进行 削尖 处理㊂由于铝属于低原子序数材料,电子轰击铝靶很难产生背景辐射,因此,组合杆箍缩二极管的辐射品质会有明显提升㊂需要特别说明的是,与之前的工作不同,这里只收集钨杆尖端1mm 的电子电流作为尖端电子电流㊂在R P D 加载电压为400k V 的情况下,组合杆二极管及其对照的两种杆箍缩二极管的模拟结果,如表6所示,即组合杆箍缩二极管尖端钨杆的电子电流大于相同阴极盘规格㊁阳极杆直径为1mm 杆箍缩二极管的尖端电子电流;从而证明了本文之前对于组合杆二极管的判断,即可以获得较大尖端电子电流同时能够控制焦斑大小㊂表6 阳极杆尖1m m 的电子箍缩效率T a b l e 6 P i n c h e f f i c i e n c y o f 1m ma n o d e t i pr a /r ct o t a lc u r r e n t /Ap r o t o n c u r r e n t /A pr o t o n c u r r e n t r a t i o /%e l e c t r o n c u r r e n to f t i p of 1mm /A pi n c h e f f i c i e n c y/%c o m po s i t e r o d 48370.274473.129.2511356.3023.481/510697.931582.4614.794702.8943.966/1070214.4815973.7822.7544261.6663.04固定铝杆的位置不变,研究了钨杆伸出长度对于箍缩效率的影响㊂模拟结果表明,钨杆的电子密度随钨杆长度增加而减小,如图6所示,且钨杆尖端电子电流大小以及箍缩效率均随钨杆长度增加而减小,如表7所示㊂在保证辐射剂量的情况下,缩短钨杆长度也能够减小杂散X 射线的产生㊂表7 不同长度钨杆的箍缩效率T a b l e 7 P i n c h e f f i c i e n c y o f t u n g s t e n r o do f d i f f e r e n t l e n gt h l e n g t ho f t u n g s t e n r o d /mmt o t a lc u r r e n t /A pr o t o n c u r r e n t /A pr o t o n c u r r e n tr a t i o /%e l e c t r o nc u r r e n t /A e l e c t r o n c u r r e n to f t i p /A e l e c t r o nc u r r e n t o fr o do fW /A pi n c h e f f i c i e n c y/%e l e c t r o nu t i l i z a t i o n r a t e /%148370.274473.129.2543897.1511356.3011356.3023.4825.87351341.775341.7710.4046000.009640.4113803.7018.7820.96549782.905468.9910.9944313.908143.4312900.0916.3618.38F i g .6 E l e c t r o nd i s t r i b u t i o n p a t t e r no f t u n gs t e n r o d 图6钨杆电子分布图F i g.7 M o d e l o f a n o d ew i t hd i r e c t t r a n s i t i o n 图7 直接过渡阳极杆模型为了研究两杆结合的过渡部位对于箍缩状态的影响,设计了一种直接过渡的组合式二极管,如图7所示㊂该二极管的模拟结果如表8所示,组合式二极管的尖端电流以及箍缩效率等参数有了明显的提高,这主要是因为该结构铝杆过渡部分平均直径更大,从而获得了更小的结构阻抗,增大了总电子电流,同时使之前轰击两杆结合部位的大部分电子都箍缩到了尖端钨杆上㊂若期望组合杆箍缩二极管在上百k V 电压等级下得到更接近普通杆箍缩二极管的箍缩性能,还需要进一步细化组合杆结构的研究㊂屈俊夫等:数百千伏电压下杆箍缩二极管模拟表8直接过渡组合式二极管的箍缩效率T a b l e8P i n c h e f f i c i e n c y o f t u n g s t e n r o d o f d i f f e r e n t l e n g t hw i t hd i r e c t t r a n s i t i o n a n o d el e n g t ho f t u n g s t e n r o d/mmt o t a lc u r r e n t/Ap r o t o nc u r r e n t/Ap r o t o nc u r r e n tr a t i o/%e l e c t r o nc u r r e n t/Ae l e c t r o nc u r r e n to f t i p/Ap i n c he f f i c i e n c y/%e l e c t r o nu t i l i z a t i o nr a t e/%162277.788469.1413.6053808.6422209.4735.6641.27综上所述,组合杆箍缩二极管具有可控焦斑大小㊁较大尖端电子电流等良好特性㊂根据文献[15-17]可知,在较高电压等级下(MV量级),组合杆箍缩二极管能在得到与普通杆箍缩二极管极为相近的辐射剂量同时,还能避免在阳极杆支架附近产生后向辐射㊂因此,进一步研究组合杆箍缩二极管在数百k V电压下的辐照性能,提升其阳极杆尖端的电子箍缩效率,是一个可能在数百k V电压下实现高剂量㊁小焦斑光源的技术路径㊂3结论本工作对数百k V电压下杆箍缩二极管的箍缩可行性进行了模拟研究㊂研究表明,杆箍缩二极管的箍缩效率对电压十分敏感,对于提升不同运行电压等级的R P D箍缩效率存在相应的方法,且对于给定的电压和驱动源参数下运行的R P D,优化其结构参数能获得更高的箍缩效率㊂特别对低电压杆箍缩二极管而言,实现较高二极管箍缩效率的主要途径是提高二极管电流,从而提高电子所受洛伦兹力轴向分量,具体的做法包括对阴极盘下游面0~10mm区域进行电场加强处理,降低杆箍缩二极管本身的结构阻抗以增大阳极杆总电流等㊂同时,充分考虑实际实验中需要对焦斑大小以及背景辐射进行合理控制,提出了在低电压条件下利用组合杆实现高剂量㊁小焦斑光源的设想,并从模拟的角度对此进行了可行性分析,发现组合杆箍缩二极管具有可控焦斑大小㊁较大尖端电子电流且能有效抑制背景辐射的产生的优点,因此它在数百k V电压下的辐照性能是一种值得进一步深入探索的技术途径㊂参考文献:[1] B r e a u xBA,D 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o n g t a o1(1.I n s t i t u t e o f F l u i dP h y s i c s,C A E P,M i a n y a n g621900,C h i n a;2.G r a d u a t e S c h o o l o f C h i n aA c a d e m y o f E n g i n e e r i n g P h y s i c s,M i a n y a n g621999,C h i n a)A b s t r a c t:I no r d e r t o e x p l o r e t h e f e a s i b i l i t y o f l o wd e n s i t y i m a g i n g o f r o d p i n c hd i o d e(R P D)u n d e r i m p a c t l o a d i n g,a s i m u-l a t i o n s t u d y o n p h y s i c a l p r o p e r t i e s o fR P Du n d e r l o wv o l t a g e o p e r a t i o n(ɤ500k V)i s c a r r i e do u t.B a s e do n p a r t i c l e-i n-c e l l(P I C) s i m u l a t i o nm e t h o d,a s i m u l a t i o n i s c a r r i e do u t o n a m p l i t u d e o f l o a d i n g v o l t a g e o f d i o d e,t h i c k n e s s o f c a t h o d e p l a t e,a p e r t u r e r a t i o o f c a t h o d e a n da n o d e,e t c.T h e p h y s i c a l p r o c e s so f p i n c h i sa n a l y z e da c c o r d i n g t ot h ea n g l eo f e l e c t r o n p i n c he f f i c i e n c y,p r o t o n f l o w,e l e c t r o nu t i l i z a t i o n,e l e c t r i c f i e l d a n dm a g n e t i c f i e l d d i s t r i b u t i o n.T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o wt h a t t h e c u r r e n t o f R P D i s l o w u n d e r l o wv o l t a g e o p e r a t i o n,a n d c a n t p r o v i d e e n o u g hm a g n e t i c f o r c e f o r t h e e l e c t r o n,r e s u l t i n g i n l o we l e c t r o n p i n c h e f f i c i e n c y.I t i s a t e c h n i c a l a p p r o a c h t o r e a l i z e h i g hd o s e a n d s m a l l f o c a l s p o t l i g h t s o u r c e u n d e r l o wv o l t a g e c o n d i t i o nb y u s i n g c o m p o s i t e r o d-p i n c hd i o d e a n do p t i m i z i n g d e s i g no f t h e t r a n s i t i o n r e g i o no f a n o d e r o d t ob r e m s s t r a h l u n g t a r g e t r e g i o n.K e y w o r d s:r o d-p i n c hd i o d e; P I Cs i m u l a t i o n;f l a s h r a d i o g r a p h y;p i n c he f f i c i e n c y;r a d i a t i o 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