γ射線二極管壽命提升關鍵技術實驗研究

孫 江，胡 楊，張金海，蔡 丹，蘇兆鋒，趙博文，孫鐵平，孫劍鋒，呼義翔，彭士香

(1.北京大學 物理學院 重離子物理研究所 核物理與核技術國家重點實驗室，北京 100871；2.西北核技術研究院 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024；3.清華大學 工程物理系，北京 100084)

脈沖γ射線輻射裝置采用脈沖功率技術將電脈沖壓縮傳輸至γ射線二級管，通過軔致輻射產生高劑量率的γ射線[1-2]。單發次實驗后，二極管受熱-力學損傷和濺射沉積污染無法再次使用，需更換負載。由于裝置中的真空單元部件在重新建立真空環境時需較長時間(2～3 h)，更換負載對實驗效率影響較大。目前世界上最大的脈沖γ射線輻射裝置(美國圣地亞實驗室的Hermes-Ⅲ裝置)每天可完成7發次實驗，僅需更換1次γ射線二極管負載[3]。我國現在用于脈沖γ射線輻射效應研究的強光一號裝置每次實驗后均需更換二極管，每天最多可進行4發次實驗[4-5]。西北核技術研究院目前在建的大面積脈沖γ射線輻射裝置的真空腔體設計體積約為Hermes-Ⅲ的1/2，約是強光一號裝置真空腔體的15倍，無法僅依靠增加真空機組而提高實驗效率。若γ射線二極管的壽命能提升到3～4發次更換1次二極管，實驗效率就能有較大提升。本文通過分析γ射線二極管的物理過程，改進二極管的陰陽極材料和結構，對影響二極管壽命的關鍵因素進行實驗研究，旨在降低陰極燒蝕、濺射沉積污染及陽極的熱-力學損傷，實現陰陽極復用至少3發次實驗的目標，以提升輻射效應實驗研究效率。

1 γ射線二極管壽命影響因素

1.1 γ射線二極管物理過程

大面積脈沖γ射線輻射裝置主體設計由6臺Marx發生器、24條水傳輸線、12級感應腔、1條真空磁絕緣傳輸線和γ射線二極管組成。其中，12級感應腔可通過感應電壓疊加原理將單級不低于0.8 MV的電脈沖疊加到次級磁絕緣傳輸線上，磁絕緣傳輸線輸出端將不低于9.0 MV的電脈沖傳輸耦合至γ射線二極管，保證陰極爆炸發射產生至少300 kA的束流轟擊陽極靶，通過軔致輻射產生劑量率大于109Gy/s、脈沖寬度約20 ns的γ射線，用于γ射線輻射效應研究。

γ射線二極管的電子束包絡變化過程如圖1所示[6]，當磁絕緣傳輸線的電脈沖到達二極管并超過陰極爆炸發射閾值時，陰極表面開始產生電子束并向陽極運動。隨電功率上升到峰值，電流逐漸增大，束流自磁場逐漸增強，電子束的包絡由發散到弱箍縮再到箍縮，依次碰撞到二極管腔體側壁、陽極外環和中心區域。峰值過后，電功率開始下降，電流逐漸降低，束流自磁場逐漸減弱，電子束又由箍縮到弱箍縮再到發散，包絡依次由陽極中心區域、陽極外環擴展到側壁。在電子束逐漸箍縮又發散的過程中，其作用到腔體和陽極的各位置時均會發生軔致輻射，由各方向的γ射線形成大面積的脈沖輻射場，可用于輻射效應實驗研究[2]。

圖1 γ射線二極管電子束包絡變化過程Fig.1 Variation of electron beam envelope in γ-ray diode

1.2 陰陽極損傷因素

研究表明，百kA量級的電子束在幾十ns的時間內沉積在陽極上，會引起陽極溫度急劇升高，形成熱激波，產生熱-力學損傷效應，引起陽極的形變和破損，影響陽極的壽命[4-7]。與此同時，陽極溫度升高和受粒子轟擊后，表面出射的粒子向陰極運動，在陰極表層形成濺射沉積污染，會影響陰極壽命[8]。在二極管工作過程中，大電流通過陰極表面，由于歐姆加熱而導致表面燒蝕，也會影響陰極的壽命[5]。圖2為強光一號裝置γ射線二極管實驗后的陰極和陽極形貌，陰極為不銹鋼襯底上粘貼天鵝絨作為電子發射源，陽極采用厚度0.6 mm正方形鉭片作為軔致輻射靶。圖2a中陰極燒蝕和濺射沉積污染均較嚴重，部分天鵝絨已完全燒蝕，非發射區也被污染；圖2b中陽極中心位置熱-力學損傷嚴重，中心已破損變形。因此，γ射線二極管在單發次實驗后即需更換，以保證下一發次實驗輸出的輻射場能滿足要求[4-5]。

a——陰極；b——陽極圖2 強光一號裝置γ射線二極管實驗后的陰陽極Fig.2 Cathode and anode of γ-ray diode on Qiangguang-Ⅰ facility after experiment

2 實驗系統

2.1 實驗等效性分析

大面積脈沖γ射線輻射裝置驅動源尚處于建設階段，γ射線二極管的壽命實驗當前僅能在強光一號裝置上開展研究，兩者的二極管和輻射場參數列于表1，其中，V為二極管峰值電壓，I為峰值電流，tFWHM為γ射線的脈沖時間寬度，φ為陽極靶直徑，D為二極管間隙，j為束流密度，E為能量密度。與強光一號裝置相比，大面積脈沖γ射線輻射裝置二極管區的能量密度和束流密度相對較小、熱-力學效應和濺射效應均相對較弱。因此，只要在強光一號裝置上完成二極管的壽命提升關鍵技術的驗證，就可應用于大面積脈沖γ射線輻射裝置。

表1 強光一號裝置和大面積脈沖γ射線輻射裝置參數比較Table 1 Parameter comparison of Qiangguang-Ⅰ facility and large area pulsed γ-ray radiation facility

2.2 強光一號裝置輸出參數

強光一號裝置結構如圖3所示[4-5]，驅動源主要由直線變壓器驅動源(LTD)、中儲電容、主開關(MS)、脈沖形成線(PFL)、多針開關(S)、輸出線(OL)、絕緣堆棧、磁絕緣傳輸線(MITL)、等離子體斷路開關(POS)和二極管組成。二極管所用陰陽極如圖2所示，天鵝絨陰極直徑為120 mm，正方形陽極鉭靶邊長為120 mm，陰陽極間隙可調，常用間隙為28.8 mm。輻射場的劑量由二極管陽極前方布置的LiF熱釋光劑量片測量，γ射線脈沖時間譜由Si-PIN探測器測量，裝置的劑量率參數由劑量與時間譜波形的半高寬(FWHM)相比給出[9-10]。強光一號裝置滿電壓運行條件下，負載二極管上可獲得超過4.0 MV驅動電壓，電流可達120 kA，裝置正前方的劑量率可達109Gy/s以上，是目前國內重要的脈沖γ射線輻射模擬考核設備之一[1-2,4]。

圖3 強光一號裝置結構Fig.3 Schematic of Qiangguang-Ⅰ facility

2.3 陰陽極壽命提升方法

從γ射線二極管的物理過程和實驗結果可發現，陰極發射導致的燒蝕、陽極的熱-力學損傷和陽極對陰極表面的濺射沉積污染是陰陽極損傷的重要因素。為提升陰陽極壽命，必須在滿足二極管輻射劑量率大于109Gy/s的條件下，盡量減少上述3個因素的影響。

陰極發射導致的燒蝕源自歐姆加熱，這與陰極發射的總電流、面積及自身材料的性質有關。輻射效應研究要求輻射場具有一定的面積和劑量率，考慮到二極管與脈沖功率驅動源阻抗的耦合，二極管的總電流、陰極半徑和陰陽極間隙無法做更多的調整[3]。因此，在陰極壽命提升實驗研究中主要從陰極材料自身的物理性質和陰極發射特性出發，嘗試實驗多種材料的陰極，并對發射區域進行優化。

陰極表面的濺射沉積污染源自陽極表層粒子被碰撞和受熱蒸發兩個過程，這兩個過程均與陽極表面接收到的束流密度相關。陽極的熱-力學損傷源自電子束的能量在陽極中的瞬間沉積，熱量無法快速擴散，形成熱激波，熱激波在縱向傳播和壓縮形成較大的熱應力，導致陽極材料發生形變和破損[2]。因此，在陽極壽命提升實驗研究中，一是減少電子束在陽極單位面積上的能量沉積，二是隔離熱激波的傳播壓縮過程，防止熱應力超過材料的應變閾值。

3 實驗結果及分析

3.1 陰極壽命提升實驗結果

將強光一號裝置天鵝絨陰極換成金屬材料(黃銅、鋁、不銹鋼、鈦合金)和復合材料(鋁基碳化硅、鋁基碳化硼)進行實驗，用于測試不同陰極材料抗燒蝕和濺射沉積污染的能力。實驗結果表明，換用不同陰極，對二極管的阻抗和輻射場影響不大。這主要是因為不同陰極的發射機制和發射閾值不同，各種陰極材料的發射閾值約為100～250 kV/cm，在現有實驗參數條件(峰值電場強度約為1 200 kV/cm)下，無論是天鵝絨、金屬還是復合材料，均在脈沖上升沿的3～5 ns內就形成電子束發射，對二極管工作的過程影響相當小[11]。實驗后的黃銅陰極形貌如圖4a所示，與圖2a的天鵝絨陰極相比，陰極的燒蝕和濺射沉積污染稍弱，且實驗后無需重新粘貼表層的天鵝絨即可用于下次實驗。所使用的復合材料陰極由于鋁基底表層的碳化硅和碳化硼易于脫落，在如此高的強流條件下不是較好的選擇。其他金屬材料中，鋁因為熔點低，實驗后熔融物重新凝固導致陰極表面平整度下降，不再采用；不銹鋼和鈦合金抗燒蝕能力好，但由于硬度高，不便于打磨。實驗發現黃銅作為二極管的陰極材料燒蝕情況較好，打磨方便，易于復用。

圖4b為通過粒子模擬(PIC)獲得的二極管黃銅陰極不同發射位置的電子束動力學分布[12]，可看出，除環上發射位置外，在黃銅陰極其他區域，特別是凹槽位置也有很多粒子發射。從圖2和圖4的實驗后陰極形貌可知，這些區域的濺射沉積污染也相當嚴重。由于空間電荷限制，在特定電壓條件下，陰極總的發射流強是一定的，可增大陰極的發射面積來減小發射電流密度及減少陰極表面的燒蝕[13]。圖5a為改進后的陰極(深槽黃銅陰極)結構，圖5b為通過PIC獲得的改進后的陰極所發射電子的動力學分布，對比圖4b的模擬結果可知，陰極環上發射的粒子增加，凹槽位置的發射減少。深槽陰極既增加了陰極表面積，又加大了凹槽區域與陽極靶的距離，在陰極復用時，有利于減小已污染的深槽部分陰極發射的均勻性和穩定性的影響。

在強光一號裝置上進行圖5a所示結構的黃銅陰極實驗，同一陰極重復3發次實驗，實驗時陽極采用相同的鉭多層陽極靶。3發次實驗后的深槽黃銅陰極表面形貌如圖6所示，陰極的黃銅顏色受燒蝕影響逐漸變黑，同時由于濺射沉積污染逐漸覆蓋了濺射物。3發次實驗中二極管的輻射劑量率分別為1.5×109、3.7×109、5.9×109Gy/s，均大于1×109Gy/s，滿足γ射線輻射效應考核的實驗要求。改進的陰極可達到連續復用3發次的實驗目標。每發次二極管的輻射劑量率稍有不同，這是由強光一號裝置POS開關的工作不穩定導致二極管耦合功率變化引起的[4]。

圖4 黃銅陰極及其發射的電子束Fig.4 Copper cathode and its beam emission

a——第1次實驗后陰極表面形貌(Shot19407)；b——第2次實驗后陰極表面形貌(Shot19409)；c——第3次實驗后陰極表面形貌(Shot19410)圖6 深槽黃銅陰極復用3次的表面形貌變化Fig.6 Morphology evolution of deeper-slot copper cathode reutilized for three times

3.2 陽極壽命提升實驗結果

強光一號裝置原有的鉭陽極靶實驗后熱-力學損傷較嚴重，單發次實驗后靶中心區域就發生破損。這是由于電子束流密度較高，在陽極上沉積高密度能量后導致鉭陽極靶的熱-力學效應較強，引起熱-力學損傷[3,7]。為降低陽極靶面處電子的束流密度，在0.6 mm的鉭陽極表面涂覆1層20 μm的石墨進行實驗，單發次實驗后石墨-鉭復合陽極與鉭陽極實驗結果如圖7所示。增加石墨涂覆層后，電子束在陽極靶面沉積的均勻性有所改善，中心區域不再破損。為驗證石墨-鉭復合陽極實驗結果的重復性，測試多個石墨-鉭復合陽極，陽極靶中心區域均未損壞(圖7)。這說明采用增加低原子序數、高比熱的涂覆層的復合靶能提高陽極的抗熱-力學損傷能力。可能的原因是，電子束在低原子序數的石墨材料單位厚度沉積的能量少，石墨材料比熱大，陽極表面更不易發射離子，箍縮效應變弱，不會在陽極中心處出現高電流密度的束流[14]，從而保證了陽極靶中心不再破損。

將圖7所示的單發次實驗后的石墨-鉭復合陽極重新安裝在強光一號裝置進行第2次實驗。實驗后，陽極靶中心處出現了破損，原因是在第1次使用時，復合陽極表層20 μm的石墨已破壞，退化為單純的鉭陽極，僅能復用1發次。這也說明表層的石墨涂覆層在降低電子束束流密度、減小熱-力學損傷效應上起到了關鍵作用，因此可認為石墨-鉭復合陽極的壽命為2發次。

圖7 鉭陽極與石墨-鉭復合陽極實驗結果Fig.7 Morphology of tantalum anode and graphite-tantalum anode after experiment

除降低電流密度，還可從熱激波傳播與壓縮過程進一步考慮陽極的優化。將0.6 mm的鉭陽極更換為鉭多層陽極靶(每層0.05 mm，共12層)進行實驗，單發次實驗后的陽極表面形貌如圖8所示，可看出，鉭多層陽極實驗后的表面形貌與圖7所示的兩種陽極形貌具有顯著不同：多層陽極的電子束束斑和損傷區域較鉭陽極大，但比石墨-鉭復合陽極小，破損處未構成貫穿，僅是表面出現了熔融，可判斷鉭多層陽極的熱-力學損傷程度介于其他兩種陽極之間。采用鉭多層陽極后，抗熱-力學損傷能力提升的原因可能是多層結構隔斷每層之間的熱傳導，導致熱激波被限制在單層或鄰近的幾層材料內，損壞的僅是電子束能量沉積峰值附近的幾層，熱激波無法縱向傳播和壓縮，不會引起整個陽極的層裂和形變。

若將鉭多層陽極看作第1層是50 μm鉭涂覆的鉭陽極，電子束的束斑應小于石墨-鉭復合陽極，甚至與鉭陽極一致，在中心區域形成高密度束流，引起中心破損，但實驗結果顯示鉭多層陽極較鉭陽極電子束束斑和損傷區域大，說明多層結構的陽極對電子束的箍縮起到了抑制作用，其原因可能與層間空隙和二次粒子有關。圖8a為Shot19330所用的未改進的陰極實驗后表面形貌，與圖2a和圖4a實驗后的陰極表面形貌相比，采用鉭多層陽極顯著降低了陰極的濺射沉積污染，說明電子束密度降低和熱激波的隔離對陰極復用也有促進。此外，對比圖8a和圖6可知，采用鉭多層陽極的條件下，改進后的深槽陰極的濺射沉積污染和燒蝕均減弱，這也說明深槽陰極相對更具優勢。

在強光一號裝置上將同一鉭多層陽極進行4發次實驗，實驗后的陽極表面形貌如圖9所示，除Shot19413發次實驗采用原有陰極(圖4)外，其余3發次均采用相同的改進陰極(圖5)。實驗結果表明，每發次實驗后鉭陽極靶均未破損，4發次實驗中二極管的輻射劑量率分別為1.2×1010、4.9×109、2.9×109、4.2×109Gy/s，均滿足γ射線輻射效應考核的實驗要求，說明鉭多層陽極已達到復用4發次的能力。由圖9可知，每次實驗后陽極靶表面形貌均發生了變化，說明在目前的實驗參數條件下，即使陽極發生了一定的形變，仍可保證復用時的輻射劑量率。從Shot19413的實驗結果可知，陽極靶仍未損壞，可繼續復用。值得一提的是，每發次實驗電子束斑的中心區域發生了變化，這可能與強光一號裝置所采用的等離子體斷路開關的工作狀態和磁絕緣傳輸線的偏心有關。

圖9 鉭多層陽極靶復用4次的表面形貌變化Fig.9 Morphology evolution of stacked tantalum anode reutilized for 4 times

4 結論

為提高大面積脈沖γ射線輻射裝置的實驗效率，對γ射線二極管壽命的影響因素進行了分析，并給出了壽命提升的改進方法。由于目前裝置處于在建階段，從二極管電流密度和能量密度角度分析，只要在強光一號裝置上完成二極管的壽命提升關鍵技術的驗證，就可應用于大面積脈沖γ射線輻射裝置。

強光一號裝置的實驗結果表明，不同陰極材料的發射機理和發射閾值對二極管工作影響不大，陰極結構上的改進更加重要，通過采用深槽結構的陰極進行實驗，電子束流密度降低，陰極燒蝕和濺射沉積污染均有下降，實現了陰極復用3發次的目標。采用石墨-鉭復合陽極能抑制電子束箍縮，均勻性得到較大改進，陽極壽命提升到2發次。使用鉭多層陽極能隔離熱激波的傳播和壓縮，抗熱-力學損傷能力有較大提升，電子束斑較鉭陽極稍大，對束流箍縮也起到了一定的抑制作用。鉭多層陽極獲得實驗復用4發次的結果，能滿足γ射線二極管壽命提升的目標。以上實驗結果將為擬建成的γ射線輻射模擬裝置的二極管研制提供新的方法和思路。