负极性杆箍缩二极管物理特性研究

Intensity-current-pinched diode as one of the most important element of flash X-ray radiography devices, has always been the key and difficult point for researchers in ralated field all over the word. Negative-polarity rod-pinch diode (NPEPD) can still radiate small-spot and high-dose pulsed X-ray in condition of high voltage (>4MV) . This diode is one of the important way to develop the high voltage flash X-ray radiography devices. Plasma emerges earlier and drifts complicated in NPRPD. It is hard to figure out physical characteristic of NPRPD because of interaction of electron beam, plasma and high power pulsed electromagnetic field. This project synthesizes ways of theoretical analysis, numerical simulation and experiments to research the dynamic and radiation characteristic of NPRPD. According to the diagnostic results of plasma generation time, area and motion process, the reason of impedance collapse happened in the final period of pulse will be given out. In order to avoid empedance collapse and reduce self-absorbtion of X-ray by anode electrode, diode stucture should be optimize to delay plasma produced time and comfine plamsa drifting area. By this way, we’d better to keep small spot size and promote higher dose X-ray in front of device.

强流箍缩二极管是闪光X射线照相装置的关键部件与核心技术，一直以来都是各个国家研究的重点和难点。负极性杆箍缩二极管（NPRPD）在高电压（4MV以上）条件下仍然能够在前向产生小焦斑、高剂量的脉冲X射线，是高电压闪光照相装置研制的重要技术途径之一。NPRPD阴阳极等离子体产生早，运动复杂，特别是电子束、等离子体和强电磁场三者的相互作用给其物理特性的研究带来较大困难。本项目拟采用理论分析、数值模拟和实验研究相结合的方法，研究NPRPD的动力学行为和辐射特性，诊断不同二极管结构下等离子体的产生时间、区域、运动过程，分析高电压下等离子体引起阻抗崩溃的物理机制，通过优化二极管结构，延缓等离子体的产生、约束等离子体的运动范围，避免阻抗崩溃的同时减少阳极材料对X射线的吸收，在保证小焦斑的前提下，提高前向X射线的辐射剂量。

强流箍缩二极管是闪光X射线照相装置的关键技术，随着照相对象质量厚度的增加，需要高能量的X射线，进而需要提高驱动源的电压。负极性杆箍缩二极管（NRRPD）在高电压条件下在装置前向产生小焦斑和高剂量的X射线，是高电压闪光照相装置研制的重要途经之一。. 本项目针对闪光照相需求，以产生特定剂量的小焦斑X射线为目标，通过理论计算、数值模拟与实验研究相结合的方法开展了杆箍缩二极管的研究：理论计算结果给出了杆箍缩二极管在不同参数条件下的阻抗估算方法，数值模拟结果研究结果表明随着二极管电压的增高，杆箍缩二极管采用负极性结构能够保证前向X射线的剂量。在“晨光号”加速器和“4MV闪光照相装置”上分别开展了负极性杆箍缩二极管的原理性实验和正极性杆箍缩二极管的阻抗特性和辐射特性实验。“晨光号”的实验表明负极性杆箍缩二极管采用复合阳极时能够在装置前向产生小焦斑的X射线，验证了这种二极管的可行性。“4MV闪光照相装置”的阻抗特性研究表明，在高电压条件下二极管能观察到阻抗崩溃的物理现象，导致二极管的辐射剂量降低，通过加快二极管的脉冲前沿和增加二极管阴阳极的同轴度能够有效减少阻抗崩溃的发生。“4MV闪光照相装置”的辐射特性研究表明，随着电压的增高，二极管的箍缩特性更好，易于形成小焦斑的X射线点光源，有利于闪光照相，但是剂量角分布结果显示二极管前向的辐射剂量小于侧向辐射剂量，与数值模拟结果一致，因此当继续提高电压时，建议采用负极性的杆箍缩二极管。