γ射线二极管寿命提升关键技术实验研究

孙 江，胡 杨，张金海，蔡 丹，苏兆锋，赵博文，孙铁平，孙剑锋，呼义翔，彭士香

(1.北京大学 物理学院 重离子物理研究所 核物理与核技术国家重点实验室，北京 100871；2.西北核技术研究院 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024；3.清华大学 工程物理系，北京 100084)

脉冲γ射线辐射装置采用脉冲功率技术将电脉冲压缩传输至γ射线二级管，通过轫致辐射产生高剂量率的γ射线[1-2]。单发次实验后，二极管受热-力学损伤和溅射沉积污染无法再次使用，需更换负载。由于装置中的真空单元部件在重新建立真空环境时需较长时间(2～3 h)，更换负载对实验效率影响较大。目前世界上最大的脉冲γ射线辐射装置(美国圣地亚实验室的Hermes-Ⅲ装置)每天可完成7发次实验，仅需更换1次γ射线二极管负载[3]。我国现在用于脉冲γ射线辐射效应研究的强光一号装置每次实验后均需更换二极管，每天最多可进行4发次实验[4-5]。西北核技术研究院目前在建的大面积脉冲γ射线辐射装置的真空腔体设计体积约为Hermes-Ⅲ的1/2，约是强光一号装置真空腔体的15倍，无法仅依靠增加真空机组而提高实验效率。若γ射线二极管的寿命能提升到3～4发次更换1次二极管，实验效率就能有较大提升。本文通过分析γ射线二极管的物理过程，改进二极管的阴阳极材料和结构，对影响二极管寿命的关键因素进行实验研究，旨在降低阴极烧蚀、溅射沉积污染及阳极的热-力学损伤，实现阴阳极复用至少3发次实验的目标，以提升辐射效应实验研究效率。

1 γ射线二极管寿命影响因素

1.1 γ射线二极管物理过程

大面积脉冲γ射线辐射装置主体设计由6台Marx发生器、24条水传输线、12级感应腔、1条真空磁绝缘传输线和γ射线二极管组成。其中，12级感应腔可通过感应电压叠加原理将单级不低于0.8 MV的电脉冲叠加到次级磁绝缘传输线上，磁绝缘传输线输出端将不低于9.0 MV的电脉冲传输耦合至γ射线二极管，保证阴极爆炸发射产生至少300 kA的束流轰击阳极靶，通过轫致辐射产生剂量率大于109Gy/s、脉冲宽度约20 ns的γ射线，用于γ射线辐射效应研究。

γ射线二极管的电子束包络变化过程如图1所示[6]，当磁绝缘传输线的电脉冲到达二极管并超过阴极爆炸发射阈值时，阴极表面开始产生电子束并向阳极运动。随电功率上升到峰值，电流逐渐增大，束流自磁场逐渐增强，电子束的包络由发散到弱箍缩再到箍缩，依次碰撞到二极管腔体侧壁、阳极外环和中心区域。峰值过后，电功率开始下降，电流逐渐降低，束流自磁场逐渐减弱，电子束又由箍缩到弱箍缩再到发散，包络依次由阳极中心区域、阳极外环扩展到侧壁。在电子束逐渐箍缩又发散的过程中，其作用到腔体和阳极的各位置时均会发生轫致辐射，由各方向的γ射线形成大面积的脉冲辐射场，可用于辐射效应实验研究[2]。

图1 γ射线二极管电子束包络变化过程Fig.1 Variation of electron beam envelope in γ-ray diode

1.2 阴阳极损伤因素

研究表明，百kA量级的电子束在几十ns的时间内沉积在阳极上，会引起阳极温度急剧升高，形成热激波，产生热-力学损伤效应，引起阳极的形变和破损，影响阳极的寿命[4-7]。与此同时，阳极温度升高和受粒子轰击后，表面出射的粒子向阴极运动，在阴极表层形成溅射沉积污染，会影响阴极寿命[8]。在二极管工作过程中，大电流通过阴极表面，由于欧姆加热而导致表面烧蚀，也会影响阴极的寿命[5]。图2为强光一号装置γ射线二极管实验后的阴极和阳极形貌，阴极为不锈钢衬底上粘贴天鹅绒作为电子发射源，阳极采用厚度0.6 mm正方形钽片作为轫致辐射靶。图2a中阴极烧蚀和溅射沉积污染均较严重，部分天鹅绒已完全烧蚀，非发射区也被污染；图2b中阳极中心位置热-力学损伤严重，中心已破损变形。因此，γ射线二极管在单发次实验后即需更换，以保证下一发次实验输出的辐射场能满足要求[4-5]。

a——阴极；b——阳极图2 强光一号装置γ射线二极管实验后的阴阳极Fig.2 Cathode and anode of γ-ray diode on Qiangguang-Ⅰ facility after experiment

2 实验系统

2.1 实验等效性分析

大面积脉冲γ射线辐射装置驱动源尚处于建设阶段，γ射线二极管的寿命实验当前仅能在强光一号装置上开展研究，两者的二极管和辐射场参数列于表1，其中，V为二极管峰值电压，I为峰值电流，tFWHM为γ射线的脉冲时间宽度，φ为阳极靶直径，D为二极管间隙，j为束流密度，E为能量密度。与强光一号装置相比，大面积脉冲γ射线辐射装置二极管区的能量密度和束流密度相对较小、热-力学效应和溅射效应均相对较弱。因此，只要在强光一号装置上完成二极管的寿命提升关键技术的验证，就可应用于大面积脉冲γ射线辐射装置。

表1 强光一号装置和大面积脉冲γ射线辐射装置参数比较Table 1 Parameter comparison of Qiangguang-Ⅰ facility and large area pulsed γ-ray radiation facility

2.2 强光一号装置输出参数

强光一号装置结构如图3所示[4-5]，驱动源主要由直线变压器驱动源(LTD)、中储电容、主开关(MS)、脉冲形成线(PFL)、多针开关(S)、输出线(OL)、绝缘堆栈、磁绝缘传输线(MITL)、等离子体断路开关(POS)和二极管组成。二极管所用阴阳极如图2所示，天鹅绒阴极直径为120 mm，正方形阳极钽靶边长为120 mm，阴阳极间隙可调，常用间隙为28.8 mm。辐射场的剂量由二极管阳极前方布置的LiF热释光剂量片测量，γ射线脉冲时间谱由Si-PIN探测器测量，装置的剂量率参数由剂量与时间谱波形的半高宽(FWHM)相比给出[9-10]。强光一号装置满电压运行条件下，负载二极管上可获得超过4.0 MV驱动电压，电流可达120 kA，装置正前方的剂量率可达109Gy/s以上，是目前国内重要的脉冲γ射线辐射模拟考核设备之一[1-2,4]。

图3 强光一号装置结构Fig.3 Schematic of Qiangguang-Ⅰ facility

2.3 阴阳极寿命提升方法

从γ射线二极管的物理过程和实验结果可发现，阴极发射导致的烧蚀、阳极的热-力学损伤和阳极对阴极表面的溅射沉积污染是阴阳极损伤的重要因素。为提升阴阳极寿命，必须在满足二极管辐射剂量率大于109Gy/s的条件下，尽量减少上述3个因素的影响。

阴极发射导致的烧蚀源自欧姆加热，这与阴极发射的总电流、面积及自身材料的性质有关。辐射效应研究要求辐射场具有一定的面积和剂量率，考虑到二极管与脉冲功率驱动源阻抗的耦合，二极管的总电流、阴极半径和阴阳极间隙无法做更多的调整[3]。因此，在阴极寿命提升实验研究中主要从阴极材料自身的物理性质和阴极发射特性出发，尝试实验多种材料的阴极，并对发射区域进行优化。

阴极表面的溅射沉积污染源自阳极表层粒子被碰撞和受热蒸发两个过程，这两个过程均与阳极表面接收到的束流密度相关。阳极的热-力学损伤源自电子束的能量在阳极中的瞬间沉积，热量无法快速扩散，形成热激波，热激波在纵向传播和压缩形成较大的热应力，导致阳极材料发生形变和破损[2]。因此，在阳极寿命提升实验研究中，一是减少电子束在阳极单位面积上的能量沉积，二是隔离热激波的传播压缩过程，防止热应力超过材料的应变阈值。

3 实验结果及分析

3.1 阴极寿命提升实验结果

将强光一号装置天鹅绒阴极换成金属材料(黄铜、铝、不锈钢、钛合金)和复合材料(铝基碳化硅、铝基碳化硼)进行实验，用于测试不同阴极材料抗烧蚀和溅射沉积污染的能力。实验结果表明，换用不同阴极，对二极管的阻抗和辐射场影响不大。这主要是因为不同阴极的发射机制和发射阈值不同，各种阴极材料的发射阈值约为100～250 kV/cm，在现有实验参数条件(峰值电场强度约为1 200 kV/cm)下，无论是天鹅绒、金属还是复合材料，均在脉冲上升沿的3～5 ns内就形成电子束发射，对二极管工作的过程影响相当小[11]。实验后的黄铜阴极形貌如图4a所示，与图2a的天鹅绒阴极相比，阴极的烧蚀和溅射沉积污染稍弱，且实验后无需重新粘贴表层的天鹅绒即可用于下次实验。所使用的复合材料阴极由于铝基底表层的碳化硅和碳化硼易于脱落，在如此高的强流条件下不是较好的选择。其他金属材料中，铝因为熔点低，实验后熔融物重新凝固导致阴极表面平整度下降，不再采用；不锈钢和钛合金抗烧蚀能力好，但由于硬度高，不便于打磨。实验发现黄铜作为二极管的阴极材料烧蚀情况较好，打磨方便，易于复用。

图4b为通过粒子模拟(PIC)获得的二极管黄铜阴极不同发射位置的电子束动力学分布[12]，可看出，除环上发射位置外，在黄铜阴极其他区域，特别是凹槽位置也有很多粒子发射。从图2和图4的实验后阴极形貌可知，这些区域的溅射沉积污染也相当严重。由于空间电荷限制，在特定电压条件下，阴极总的发射流强是一定的，可增大阴极的发射面积来减小发射电流密度及减少阴极表面的烧蚀[13]。图5a为改进后的阴极(深槽黄铜阴极)结构，图5b为通过PIC获得的改进后的阴极所发射电子的动力学分布，对比图4b的模拟结果可知，阴极环上发射的粒子增加，凹槽位置的发射减少。深槽阴极既增加了阴极表面积，又加大了凹槽区域与阳极靶的距离，在阴极复用时，有利于减小已污染的深槽部分阴极发射的均匀性和稳定性的影响。

在强光一号装置上进行图5a所示结构的黄铜阴极实验，同一阴极重复3发次实验，实验时阳极采用相同的钽多层阳极靶。3发次实验后的深槽黄铜阴极表面形貌如图6所示，阴极的黄铜颜色受烧蚀影响逐渐变黑，同时由于溅射沉积污染逐渐覆盖了溅射物。3发次实验中二极管的辐射剂量率分别为1.5×109、3.7×109、5.9×109Gy/s，均大于1×109Gy/s，满足γ射线辐射效应考核的实验要求。改进的阴极可达到连续复用3发次的实验目标。每发次二极管的辐射剂量率稍有不同，这是由强光一号装置POS开关的工作不稳定导致二极管耦合功率变化引起的[4]。

图4 黄铜阴极及其发射的电子束Fig.4 Copper cathode and its beam emission

a——第1次实验后阴极表面形貌(Shot19407)；b——第2次实验后阴极表面形貌(Shot19409)；c——第3次实验后阴极表面形貌(Shot19410)图6 深槽黄铜阴极复用3次的表面形貌变化Fig.6 Morphology evolution of deeper-slot copper cathode reutilized for three times

3.2 阳极寿命提升实验结果

强光一号装置原有的钽阳极靶实验后热-力学损伤较严重，单发次实验后靶中心区域就发生破损。这是由于电子束流密度较高，在阳极上沉积高密度能量后导致钽阳极靶的热-力学效应较强，引起热-力学损伤[3,7]。为降低阳极靶面处电子的束流密度，在0.6 mm的钽阳极表面涂覆1层20 μm的石墨进行实验，单发次实验后石墨-钽复合阳极与钽阳极实验结果如图7所示。增加石墨涂覆层后，电子束在阳极靶面沉积的均匀性有所改善，中心区域不再破损。为验证石墨-钽复合阳极实验结果的重复性，测试多个石墨-钽复合阳极，阳极靶中心区域均未损坏(图7)。这说明采用增加低原子序数、高比热的涂覆层的复合靶能提高阳极的抗热-力学损伤能力。可能的原因是，电子束在低原子序数的石墨材料单位厚度沉积的能量少，石墨材料比热大，阳极表面更不易发射离子，箍缩效应变弱，不会在阳极中心处出现高电流密度的束流[14]，从而保证了阳极靶中心不再破损。

将图7所示的单发次实验后的石墨-钽复合阳极重新安装在强光一号装置进行第2次实验。实验后，阳极靶中心处出现了破损，原因是在第1次使用时，复合阳极表层20 μm的石墨已破坏，退化为单纯的钽阳极，仅能复用1发次。这也说明表层的石墨涂覆层在降低电子束束流密度、减小热-力学损伤效应上起到了关键作用，因此可认为石墨-钽复合阳极的寿命为2发次。

图7 钽阳极与石墨-钽复合阳极实验结果Fig.7 Morphology of tantalum anode and graphite-tantalum anode after experiment

除降低电流密度，还可从热激波传播与压缩过程进一步考虑阳极的优化。将0.6 mm的钽阳极更换为钽多层阳极靶(每层0.05 mm，共12层)进行实验，单发次实验后的阳极表面形貌如图8所示，可看出，钽多层阳极实验后的表面形貌与图7所示的两种阳极形貌具有显著不同：多层阳极的电子束束斑和损伤区域较钽阳极大，但比石墨-钽复合阳极小，破损处未构成贯穿，仅是表面出现了熔融，可判断钽多层阳极的热-力学损伤程度介于其他两种阳极之间。采用钽多层阳极后，抗热-力学损伤能力提升的原因可能是多层结构隔断每层之间的热传导，导致热激波被限制在单层或邻近的几层材料内，损坏的仅是电子束能量沉积峰值附近的几层，热激波无法纵向传播和压缩，不会引起整个阳极的层裂和形变。

若将钽多层阳极看作第1层是50 μm钽涂覆的钽阳极，电子束的束斑应小于石墨-钽复合阳极，甚至与钽阳极一致，在中心区域形成高密度束流，引起中心破损，但实验结果显示钽多层阳极较钽阳极电子束束斑和损伤区域大，说明多层结构的阳极对电子束的箍缩起到了抑制作用，其原因可能与层间空隙和二次粒子有关。图8a为Shot19330所用的未改进的阴极实验后表面形貌，与图2a和图4a实验后的阴极表面形貌相比，采用钽多层阳极显著降低了阴极的溅射沉积污染，说明电子束密度降低和热激波的隔离对阴极复用也有促进。此外，对比图8a和图6可知，采用钽多层阳极的条件下，改进后的深槽阴极的溅射沉积污染和烧蚀均减弱，这也说明深槽阴极相对更具优势。

在强光一号装置上将同一钽多层阳极进行4发次实验，实验后的阳极表面形貌如图9所示，除Shot19413发次实验采用原有阴极(图4)外，其余3发次均采用相同的改进阴极(图5)。实验结果表明，每发次实验后钽阳极靶均未破损，4发次实验中二极管的辐射剂量率分别为1.2×1010、4.9×109、2.9×109、4.2×109Gy/s，均满足γ射线辐射效应考核的实验要求，说明钽多层阳极已达到复用4发次的能力。由图9可知，每次实验后阳极靶表面形貌均发生了变化，说明在目前的实验参数条件下，即使阳极发生了一定的形变，仍可保证复用时的辐射剂量率。从Shot19413的实验结果可知，阳极靶仍未损坏，可继续复用。值得一提的是，每发次实验电子束斑的中心区域发生了变化，这可能与强光一号装置所采用的等离子体断路开关的工作状态和磁绝缘传输线的偏心有关。

图9 钽多层阳极靶复用4次的表面形貌变化Fig.9 Morphology evolution of stacked tantalum anode reutilized for 4 times

4 结论

为提高大面积脉冲γ射线辐射装置的实验效率，对γ射线二极管寿命的影响因素进行了分析，并给出了寿命提升的改进方法。由于目前装置处于在建阶段，从二极管电流密度和能量密度角度分析，只要在强光一号装置上完成二极管的寿命提升关键技术的验证，就可应用于大面积脉冲γ射线辐射装置。

强光一号装置的实验结果表明，不同阴极材料的发射机理和发射阈值对二极管工作影响不大，阴极结构上的改进更加重要，通过采用深槽结构的阴极进行实验，电子束流密度降低，阴极烧蚀和溅射沉积污染均有下降，实现了阴极复用3发次的目标。采用石墨-钽复合阳极能抑制电子束箍缩，均匀性得到较大改进，阳极寿命提升到2发次。使用钽多层阳极能隔离热激波的传播和压缩，抗热-力学损伤能力有较大提升，电子束斑较钽阳极稍大，对束流箍缩也起到了一定的抑制作用。钽多层阳极获得实验复用4发次的结果，能满足γ射线二极管寿命提升的目标。以上实验结果将为拟建成的γ射线辐射模拟装置的二极管研制提供新的方法和思路。