一種用于強流脈沖離子束的束流輸出穩定性實時監測方法*

許莫非 于翔 張世健 Gennady Efimovich Remnev 樂小云?

1) (北京航空航天大學物理學院,北京 100191)

2) (北京航空航天大學,大數據精準醫療高精尖創新中心,北京 100191)

3) (北京航空航天大學,先進核能材料與物理北京市重點實驗室,北京 100191)

4) (托木斯克理工大學,托木斯克 634050)

強流脈沖離子束輻照后的材料表面狀態對束流強度具有極高的敏感性.因此,在輻照實驗中監測束流輸出的穩定性,并及時識別出參數抖動較大的脈沖,對于實驗結果的分析和表面改性效果的優化具有重要意義.本文利用塑料閃爍體構建了一種時間分辨為6 ns 的快響應脈沖X 射線診斷系統,成功捕獲了外磁絕緣離子束二極管工作時產生的X 射線.同時,通過紅外相機和法拉第筒對離子束流的能量密度和電流密度進行測量.分析結果顯示,軔致輻射強度和離子束發射強度均取決于二極管加速電壓,導致X 射線強度和離子束流能量密度呈現正相關趨勢.當離子電流密度發生抖動時,X 射線信號幅值表現出良好的變化跟隨性,能夠對偏離預設參數區間的脈沖做出響應.這說明本文提出的非攔截式診斷方法能夠有效地實時監測強流脈沖離子束束流輸出的穩定性.

1 引言

強流脈沖離子束(intense pulsed ion beam,IPIB)技術的起源可以追溯到20 世紀60 年代對慣性約束核聚變(inertial confinement fusion,ICF)點火技術的研究[1-3].許多研究中也將IPIB 用于準單能γ射線的產生以及模擬材料的軟X 射線熱-力學效應[4-6].盡管早期的IPIB 技術主要聚焦軍工行業,但隨著時代的發展,近年來,IPIB 的應用逐漸擴展到民用領域,尤其是在材料表面工程領域取得了顯著的成就.

應用于材料科學的IPIB 不再追求極高的離子能量和束流強度,其典型參數如下[7,8]: 離子能量100—500 keV,離子電流密度幾十至幾百A/cm2,脈沖寬度幾十至幾百ns.此特征參數的IPIB 可以在短時間內將幾至幾十J/cm2的能量沉積在材料淺表層(深度為μm 量級),產生極高的體功率密度,可使材料表層在幾百至幾千ns 內升溫至數千攝氏度并迅速冷卻至室溫,加熱和冷卻的速率高達109—1010K/s[9,10].基于以上特點,IPIB 技術在表面改性[11-13]、表面混熔[14,15]、表面拋光[16,17]、薄膜沉積[18,19]、納米粉末合成[20]等領域得到廣泛應用.

在利用IPIB 進行材料表面輻照的過程中,由于氣體開關存在擊穿抖動和陽極表面狀態變化等因素的影響,不同脈沖之間輸出的束流強度有時會出現一定程度的波動.此外,材料在IPIB 輻照后的表面狀態對于束流強度非常敏感[21-25],偏離設定參數范圍的束流輻照會影響表面形貌和缺陷密度.如果某個脈沖的IPIB 束流強度明顯偏離預期,這將對表面改性的整體效果產生影響,特別是在低脈沖個數的輻照條件下,這種影響更加顯著.因此,在材料輻照過程中實現對IPIB 束流強度的在線監測,及時甄別異常強度的脈沖,對于有效分析評估實驗結果、優化改進輻照參數以及提升表面改性效果具有十分重要的意義.

目前存在幾種較為成熟的IPIB 束流診斷方法,包括法拉第筒用于測量離子電流密度[26]、量熱器或紅外相機用于測量束流能通量[27,28]等.這些方法可以直接用于診斷IPIB 的束流強度,但都屬于束流截斷式測量方法,無法與IPIB 材料輻照實驗同步進行.近年來,還發展出了一些間接診斷IPIB束流強度的方法,如核反應法和應力波測量法,為在線監測IPIB 的束流穩定性提供了可能,但這些方法也存在使用場景限制.核反應法即利用IPIB轟擊特定靶材(如BN,B4C)誘發核反應,通過測量瞬發γ射線或反應產物衰變時放出的γ射線來間接推定IPIB 的束流參數[29,30].然而,該方法要求入射離子的能量達到誘發核反應的臨界值,并且對靶材成分有嚴格要求,無法滿足靶材多樣化和低能IPIB 診斷的實際需求.另一種方法是利用壓電轉換器測量IPIB 輻照靶材引發的應力波來間接監測IPIB 束流強度的抖動[31,32].然而,該方法要求靶材與壓電轉換器之間實現良好的耦合,且對于剛度較小的靶材適用性還不確定.

因此,為了發展高效且應用廣泛的IPIB 束流穩定性在線監測系統,必須采用非攔截式的測量方式,且擺脫對靶材的依賴性.一種切實可行的方案是獲取和分析IPIB 形成或輸運過程中產生的并發輻射信息,例如離子束二極管工作過程中產生的軔致輻射或等離子體光譜.之前的實驗研究中,Masugata 等[33]和楊海亮等[34]在實驗中曾發現磁絕緣離子束二極管中陰極出射的電子轟擊陽極及其周邊結構會導致脈沖軔致輻射的產生.然而,迄今為止,對于該并發產生的脈沖軔致輻射的深入分析研究還相對較少.

本文設計了一種基于EJ-200 塑料閃爍體的快速響應脈沖X 射線探測系統,用于捕獲外磁絕緣離子束二極管發射IPIB 時產生的脈沖軔致輻射信號.通過將該捕獲的信號與IPIB 束流能量密度和電流密度進行對比分析,發現脈沖X 射線信號的強度與IPIB 束流強度之間存在顯著的正相關性和變化一致性.這一結果表明,外磁絕緣離子束二極管產生的X 射線可以有效用于在線監測IPIB 束流輸出的穩定性.

2 診斷系統與方法

本次實驗在北京航空航天大學高能量密度物理實驗室的強流脈沖離子束加速器(BIPPAB-450)上進行.該裝置的前端是磁脈沖發生器,能夠產生高達250 kV 的高壓脈沖.Blumlein 脈沖成形線的介質是去離子水,可以將高壓脈沖整形并壓縮至80 ns (FWHM).經過壓縮的脈沖經過自耦變壓器升壓至450 kV,然后加載到磁絕緣離子束二極管上.該二極管的內、外陰極結構中各嵌有一個同軸線圈,在線圈上施加脈沖電流可以在陰-陽極間隙產生橫向磁場,用于限制陰極出射電子的運動,以提高離子束的產生效率.由于磁場線圈通電后在真空環境中存在散熱過程,因此BIPPAB-450 在離子束發射模式下的工作頻率不超過1/60,即每分鐘發射一次脈沖.該裝置工作原理的詳細描述見文獻[35].用于獲取脈沖X 射線信號的探測系統和方法如圖1 所示.由于BIPPAB-450 產生的IPIB 具有短脈沖寬度,半高寬僅為80 ns,因此在本實驗中選擇了具有快時間響應的EJ-200 塑料閃爍體作為射線探測晶體,其尺寸為13 cm×3.5 cm×0.5 cm.此外,塑料閃爍體具有耐輻照特性,可以確保探測系統在強輻射環境下的穩定性.塑料閃爍體后端耦合了9266FLB 光電倍增管,用于實現光電信號轉換與放大.光電倍增管輸出的信號通過同軸電纜傳輸到Tektronic TDS 2024 四通道示波器進行記錄.探測器位于真空靶室的側面,距離離子束二極管中心位置直線距離1 m.為了驗證軔致輻射信號與IPIB 束流強度之間的關聯性,還同步采用紅外成像方法對IPIB 的束流能量密度進行診斷.熱沉靶材選用304 不銹鋼,放置在距二極管陰極出口15 cm 處的束斑焦點位置,其尺寸為10 cm×10 cm,厚度為100 μm.紅外相機的型號為Fluke Ti25,采用遠程控制機械臂觸發的方式,以降低IPIB 參數獲取的時間延遲.有關紅外診斷方法的詳細介紹可參考文獻[36].

圖1 診斷方法示意圖.1-高壓端柱;2-陽極;3-陽極托盤;4-陰極;5-陰極支撐盤;6-電子;7-離子束;8-絕緣磁場線圈;9-磁場線圈固定器;10-有機玻璃觀察窗;11-CaF2 窗口;12-EJ-200 塑料閃爍體;13-9266 FLB 光電倍增管Fig.1.Diagnostic method diagram.1-High voltage input;2-anode;3-anode tray;4-cathode;5-cathode support plate;6-electron;7-ion beam;8-insulated magnetic field coils;9-magnetic field coils fixer;10-organic glass observation window;11-CaF2 window;12-EJ-200 plastic scintillator;13-9266 FLB photomultiplier tube.

3 實驗結果與討論

3.1 診斷系統的響應時間

為了準確獲得脈沖X 射線的時間特性,診斷系統的響應時間需滿足一定要求,以避免脈沖輻射信號由于波形展寬而出現失真.通常要求診斷系統的時間響應半高寬不超過被測輻射脈沖半高寬的1/3[37].本研究采用單粒子法(宇宙線粒子)[38]對系統的時間響應特性進行測量,結果如圖2 所示.所搭建的診斷系統響應時間半高寬為6 ns,遠小于BIPPAB-450 輸出脈沖的80 ns 半高寬,因此能夠滿足測試要求.

圖2 診斷系統的時間響應測試結果Fig.2.Time response test of the diagnostic system.

3.2 脈沖X 射線強度與IPIB 束流強度的關聯性

為驗證脈沖X 射線與IPIB 束流之間的關聯性,選擇10 個不同的IPIB 束流能量密度,并將與測得的X 射線信號強度進行比對.束流強度的調節是通過改變離子束二極管的絕緣磁場強度實現的.絕緣磁場決定了二極管阻抗,進而影響二極管的工作電壓.在BIPPAB-450 裝置中,當絕緣磁場的強度小于1.18 T 時,隨著絕緣磁場的增大,二極管的工作電壓增大,從而導致輸出的IPIB 束流強度增大[39].為避免靶材燒蝕對束流能量密度的診斷誤差,將束流的最高能量密度控制在1.32 J/cm2以下.在IPIB 輻照前后,從熱沉靶的背面捕獲了紅外圖像,具體見圖3(a)和圖3(b).同時,診斷系統同步捕獲了脈沖X 射線信號,如圖3(c)所示.

圖3 紅外相機在(a) IPIB 輻照前、(b) IPIB 輻照后從熱沉靶背面捕獲的紅外圖像,以及(c)診斷系統捕獲的脈沖X 射線信號波形Fig.3.The infrared image captured by the infrared camera from the backside of the heat sink target before (a) IPIB irradiation,(b) after IPIB irradiation,and (c) the pulse Xray signal waveform captured by the diagnostic system.

圖4 統計了不同IPIB 束流能量密度下的X 射線信號幅值,可以觀察到二者存在明顯的正相關性.根據理論分析,這種現象是合理的,因為脈沖X 射線信號強度和IPIB 束流強度都與二極管的工作電壓(電子和離子的加速電壓)密切相關.實驗中捕獲的脈沖X 射線的主要來自陰極出射電子轟擊陽極及陽極周圍結構所產生的軔致輻射,圖5(a)展示了該過程的示意圖.而圖5(b)顯示了除環狀陽極區域外,陽極托盤中心處也存在明顯的電子輻照痕跡.根據Fowler-Nordheim 公式,陰極場致發射電子的強度Je與電壓U之間存在以下關系式:

圖4 脈沖X 射線信號幅值與IPIB 束流能量密度之間的關系Fig.4.Relationship between the amplitude of pulse X-ray signal and the energy density of IPIB.

其中,A和B是與發射體相關的功函數,β為場強變換幾何因子.從(1)式可以看出,加速電壓的增大會導致陰極場致發射電子數量的增加.此外,單個電子的軔致輻射能量損失率[40]可表示為

其中,me和e分別為電子質量和電子電荷,Z和N分別為吸收物質的原子序數和原子密度.因此,陰極發射的電子與陽極相互作用產生的總體軔致輻射強度可表示為

不難觀察到,軔致輻射強度Erad與二極管加速電壓U呈正相關.

同時,根據Child-Langmiur 定律,離子束流強度Ji與電壓U3/2成正比:

其中,K為由二極管的幾何聚焦產生的常數,ε0是真空介電常數,mi和Zi分別是離子質量和離子電荷數,d為陰陽極間距.結合(1),(3),(4)式,可得到以下關系:

(5)式證明了軔致輻射強度Erad與離子束流強度Ji之間存在正相關性.因此,脈沖X 射線信號的幅值可以與IPIB 束流強度同步地變化.這為利用X 射線信號實時監測IPIB 束流輸出的穩定性提供了可能性.

3.3 系統的在線測試

為進一步驗證IPIB 束流在線監測方法的可靠性,使用法拉第筒替代了紅外成像方法,用于測量IPIB 的離子電流密度.法拉第筒放置在距二極管陰極出口15 cm 處的束斑焦點位置,如圖6 所示.同時利用診斷系統和高壓分壓器分別測量脈沖X 射線信號和二極管電壓信號,并將3 個信號輸入Tektronic TDS 2024 四通道示波器進行波形采集.實驗測量得到的波形圖如圖7 所示.離子束二極管與探測晶體的距離為1 m,X 射線從源點直射入探測器所需要的時間約3 ns.9266FLB 光電倍增管的渡越時間為40 ns.脈沖X 射線信號通道的同軸電纜長度比其他通道長2.5 m,信號在同軸電纜中傳輸的速度約為光速的80%,因此脈沖X 射線信號晚于其他通道信號約10 ns 進入示波器.多因素綜合作用導致脈沖X 射線信號滯后于二極管電壓信號約55 ns.此外,由于X 射線在空間傳輸過程中存在散射,散射光子的在進入探測晶體前運動路徑相對于直射光子更長,導致了X 射線信號的波形出現拖尾現象.

圖6 實驗裝置示意圖.1-高壓端柱;2-陽極;3-陽極托盤;4-陰極;5-陰極支撐盤;6-電子;7-離子束;8-絕緣磁場線圈;9-磁場線圈固定器;10-有機玻璃觀察窗;11-石墨收集體;12-EJ-200 塑料閃爍體;13-9266 FLB 光電倍增管Fig.6.Schematic diagram of experimental equipment. 1-High voltage input;2-anode;3-anode tray;4-cathode;5-cathode support plate;6-electron;7-ion beam;8-insulated magnetic field coils;9-magnetic field coils fixer;10-organic glass observation window;11-graphite collector;12-EJ-200 plastic scintillator;13-9266 FLB photomultiplier tube.

圖7 二極管電壓、離子電流密度和X 射線信號波形圖Fig.7.Diode voltage,ion current density,and X-ray signal waveform.

為了測試不同強度的IPIB 在發生輸出抖動時,診斷系統能否實現同步響應,選擇3 種不同的束流水平,分別為30,60,110 A/cm2.根據圖8 的結果可以看出,當IPIB 的束流強度明顯變化時,脈沖X 射線診斷系統輸出的信號強度也會同步改變.在低束流強度區間,X 射線信號顯示出良好的同步跟隨性.在高束流強度區間,當出現較大的強度抖動(超過10%),X 射線信號能夠靈敏地同步響應.結果表明該診斷系統能夠幫助實驗人員實現對IPIB 束流輸出穩定性的在線監測,及時識別出發生明顯輸出抖動的脈沖.

圖8 X 射線信號幅值與離子電流密度的對應關系Fig.8.Correspondence between X-ray signal amplitude and ion current density.

4 結論

本文針對輻照實驗中需要實時監測IPIB 束流輸出穩定性的需求,設計了一種基于塑料閃爍體的脈沖X 射線診斷系統,并利用X 射線信號特征實現了IPIB 束流穩定性的在線監測.單粒子測試顯示該系統的響應時間僅為6 ns,能夠對脈沖半高寬為80 ns 的軔致輻射場進行探測.同時,采用紅外成像法對IPIB 束流能量密度進行測量,發現X 射線信號強度隨束流能量密度增大而增大.利用離子束流強度和軔致輻射強度對二極管加速電壓的依賴關系進行定性解釋,闡明了這種趨勢的產生原因.通過使用法拉第筒進一步驗證了脈沖X 射線強度與IPIB 束流強度變化的同步性,發現當IPIB的束流強度發生較大偏離(超過預定值的10%)時,X 射線信號的幅值表現出良好的跟隨性.研究結果表明,本文提出的方法能夠有效地識別出跳離預定參數范圍的脈沖,為在線診斷IPIB 束流輸出的穩定性提供了一種非攔截式的監測方法.