伽马辐照二极管复合阳极等离子体物理特性研究

As one of the core devices of the transient gamma radiation source, Gamma-Irradiation Diode (γ-diode) has a complicated beam-field coupling process during its working operation. Unsuitable anode plasma parameters can seriously affect the output quality of the gamma radiation source.With the ability of anode plasma control, the composite anode, which is meeting the requirements of the uniformity of radiation field, Bremsstrahlung conversion efficiency and durability, is a viable way to solve this problem.The composite anode contains complex physical processes such as the interaction between plasma and electron beam, the transport of electron beam in multi-layer medium, and the thermo-mechanical effect of the material. The physical characteristics of anode plasma is the key physical problem and has not been systematically studied, the general design method of the composite anode has therefore been restricted.In this research, we will focus on the composite anode plasma, establish the anode numerical simulation model of the whole processes including the particle dynamics (PIC), the Bremsstrahlung process (MC) and the thermal-mechanical effects. The generation and mechanism of the composite anode plasma and its influences on radiation characteristics and anodic thermo-mechanical effects shall be studied in detail by using experimental study and numerical simulation. Based on numerical simulation and experimental study results, the physical characteristics of composite anode plasma will be clarified, which will lay the technical foundation for the plasma control and design method of γ-diode composite anode.

作为瞬时γ辐照源的核心器件，伽马辐照二极管（γ二极管）在工作过程中存在复杂的束场耦合过程，不适当的阳极等离子参数会严重影响γ辐照源的输出品质。在γ二极管上采用具有阳极等离子体控制作用的复合阳极是解决这一问题的可行途径。等离子体物理特性是复合阳极的核心物理问题，涉及多个阳极物理过程，一直未有系统研究，也制约了复合阳极设计方法的建立。本课题拟采用试验研究与数值模拟并重的方式，聚焦阳极等离子体，建立γ二极管复合阳极的“粒子动力学（PIC）—韧致辐射（MC）—热动力学”全过程数值模拟方法，进行不同脉冲源和复合阳极参数条件下γ二极管的阳极等离子体参数、辐射特性和热动力学损伤测量试验。综合数值模拟和试验研究结果，阐明复合阳极等离子体的产生、运动机理，及其对二极管辐射特性及阳极热动力学效应的影响机制，形成复合阳极等离子体物理特性的系统性认知，为γ二极管复合阳极的等离子体控制技术和设计方法的形成奠定基础。

要使伽马辐照二极管具有更高剂量、更大均匀辐照面积的高效率有效辐射输出，同时具有一定抗热-力学损伤效应能力，采用由高Z和低Z材料组合而成的具有等离子体抑制作用的复合阳极是实现这一目标的重要方法之一。等离子体物理特性是复合阳极的核心物理问题，涉及多个阳极物理过程，一直未有系统研究，也制约了复合阳极设计方法的建立。课题研究旨在通过数值模拟和实验研究，建立复合阳极“粒子动力学-粒子输运-热动力学”全过程数值模型方法，阐明 γ 二极管复合阳极等离子体产生、运动规律及其对二极管辐射特性和阳极热-力学损伤效应的影响机制，为等离子体控制技术和设计方法的形成奠定基础。.课题研究过程中，取得的研究成果有：1、提出了一整套包含阳极等离子体形成条件、阳极吸附气体和杂质逸出效应及离子流出射时间估算和阳极镀膜效应的伽马二极管复合阳极研究框架和等离子体控制方法；2、建立了伽马二极管的“粒子动力学（PIC）-粒子输运(MC)-热动力学(Ansys Thermal)”全过程数值模拟模型。其内容包括：①建立了基于分时段气体薄层电离的强流二极管阳极等离子体模拟方法，可给出不同等离子体参数下束流的箍缩形态和轰击到靶面的电子角分布、落点分布和能谱；②完成了基于ANSYS软件的强流二极管阳极热场与热应力场的计算方法建立；③利用该方法，可进行基于数值模拟的“阳极等离子体变化导致束流箍缩形态变化，进而导致二极管辐射特性改变和电子束在阳极靶的热沉积变化”全过程研究。结果显示，阳极靶温升400±60℃可作为阳极等离子体形成的条件，离子的存在使电子束在阳极靶面上的落点更加分散，落点区域更偏向于靶心，入射角分布变宽，大角度入射（>50°）占比增加，这不利于辐射场前向性的提升，且会降低轫致辐射有效输出效率。3、聚焦阳极等离子体控制技术和抗热-力学损伤技术，给出了以“等离子体抑制层—轫致辐射层—电子中子吸收层—真空结构支撑层”为基础的层叠式复合阳极设计方法。基于“强光一号”的复合阳极试验结果与理论预期相符，相较于普通阳极，二极管剂量率和辐射场均匀性表现优于普通阳极（分别提升约5%和30%），靶抗热-力学损伤性能良好，具有2~4发复用的能力。成功实现了复合阳极在“晨光号”加速器上的工程应用，辐照面积由10cm2增大至80cm2，最长连连续工作不换靶的实验验炮数达70发，实验效率大幅度提高。