CN114164406B - 用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶及制备方法 - Google Patents

用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶及制备方法 Download PDF

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Abstract

本发明提出了一种用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶及制备方法，克服了每次实验须更换整个阳极靶的限制，进而减小实验成本，提升阳极寿命。阳极靶包括由一种或多种靶材颗粒压结而成的成型靶；靶材颗粒的材料为钽、碳化钽、石墨、钨、碳化钨或铝，成型靶根据目标射线参数选取不同的靶材颗粒和放置组合进行压结；靶材颗粒直径为0.05～1mm，靶材颗粒之间的间隙＜100μm；成型靶的厚度应至少为靶材颗粒直径的3～4倍。该阳极靶由靶材颗粒经机床压结和轧制成型，在具备长寿命的同时可根据二极管输出指标灵活调整靶物质组分，具有调节输出辐射场辐射品质的能力。

Description

用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶及制备方法
技术领域
本发明属于高功率强流脉冲电子束与物质相互作用领域，具体涉及一种用于强流电子束与物质相互作用产生高剂量x射线或γ射线的颗粒压结式强流二极管阳极靶。
背景技术
强流二极管全称强流脉冲电子束二极管，其主要作用是通过阴极发射出的强流电子束与高原子序数(下简称Z)阳极靶相互作用产生高剂量大面积x射线或γ射线。在二极管阳极区域，由于电子束能量高、强度大(0.3～15MeV、10kA～25MA)，轰击到阳极靶上的电子束会在靶上产生热沉积，对靶产生极强的热激波和喷发冲量等热-力学破坏效应，使得阳极烧蚀、熔融、变形、层裂，导致每次实验后须拆除真空层，整体更换阳极靶，实验效率和经济效益低下。
现有脉冲功率装置的强流二极管所用阳极靶多为整体加工的单层或多层钽靶，蒯斌等所著的《高功率辐射模拟设备及其应用分析》、《长脉冲高阻抗强流电子束二极管》、胡克松等所著的《闪光-I电子束二极管》等文章中介绍了“晨光号”、“强光一号”、“闪光一号”等加速器基本构造，文中列出的各加速器的二极管均采用整体加工的单一介质钽靶，每次实验后须更换整个阳极。
发明内容
为了克服每次实验须更换整个阳极靶的限制，减小实验成本，提升阳极寿命，本发明提出了一种用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶及制备方法。该阳极靶由靶材颗粒经机床压结和轧制成型，在具备长寿命的同时可根据二极管输出指标灵活调整靶物质组分，具有调节输出辐射场辐射品质(剂量、空间分布、光子占比)的能力。
为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶包括由一种或多种靶材颗粒压结而成的成型靶；所述靶材颗粒的材料为钽、碳化钽、石墨、钨、碳化钨或铝，成型靶根据目标射线参数在不同位置选取不同的靶材颗粒进行压结；所述靶材颗粒直径为0.05～1mm，靶材颗粒之间的间隙＜100μm；所述成型靶的厚度应至少为靶材颗粒直径的3～4倍。
进一步地，所述成型靶主要由依次叠加的多层靶材颗粒组成，或者由中间为第一类靶材颗粒，四周为第二类靶材颗粒组成。
进一步地，所述成型靶由四周为钽颗粒，中心为石墨颗粒组成；或者四周为钽，中心为钨或碳化钨组成，或者石墨颗粒、钽颗粒、铝依次叠加组成，或者石墨颗粒、钽颗粒、石墨颗粒依次叠加组成。
进一步地，所述成型靶的表面粗糙度小于等于1.6。
进一步地，所述成型靶的形状为圆形或矩形。
同时，本发明还提供一种用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶的制备方法，包括以下步骤：
步骤一、靶材颗粒制备；
根据目标射线参数选取靶材材料，将靶材材料加工为直径为0.05～1mm的靶材颗粒；
步骤二、真空压结；
2.1)将步骤一制备的靶材颗粒进行重结晶退火处理；
2.2)将靶材颗粒与粘合剂混合为混合料，粘合剂为混合料体积的5％～10％；
2.3)根据阳极靶的体积和密度，称量对应质量的混合料放入压结模具，将压结模具放置在10-3Pa量级的真空环境中；
2.4)根据阳极靶的密度设定压制压力，根据压制压力对混合料进行压结，压结时，先固定侧压模，留出侧凸边，进行竖直方向压缩；再固定上压模，进行侧向压缩，该过程交替进行，直到混合料压结至预成型的阳极靶，压缩温度为35℃～50℃，压缩比为2～3；
2.5)压制完成后，在压制压力下保压3～5分钟，随后将预成型的阳极靶在真空环境静置20～30分钟，消除应力；
步骤三、大气环境轧制；
将预成型的阳极靶从真空环境中取出，采用轧制的方法进一步压结，压缩比为>2，使得靶材颗粒间隙进一步缩小，控制靶材颗粒间隙＜100μm；
步骤四、表面打磨；
对阳极靶表面进行打磨，使表面粗糙度≤1.6。
进一步地，步骤2.4)中，压结前需要在压结模具内表面涂抹硬脂酸锌。
进一步地，步骤三中，粘合剂为高纯石墨导电胶。
进一步地，步骤四中，采用包覆纱纸的打磨机对阳极靶表面进行打磨。
与现有技术相比，本发明具有如下有益效果：
1.本发明颗粒压结式阳极靶由靶材颗粒压结(真空环境)和轧制(大气环境)而成，颗粒之间存在一定间隙，有利于强流脉冲电子在靶上造成的热激波的耗散，增强靶的抗电子束热-力学损伤性能，提升阳极靶的寿命。
2.本发明颗粒压结式阳极靶灵活性较强，可根据不同的应用需求在靶的不同位置选取不同的靶材颗粒进行压结，包括钽、碳化钽、石墨、钨、碳化钨、铝等，以使得压结靶具备耐烧蚀、长寿命、提升辐射场参数(剂量、空间分布均匀性、光子占比)等不同的特点，适用不同的场景。
附图说明
图1为本发明单一颗粒压结式强流二极管阳极靶示意图；
图2为本发明两种颗粒压结式强流二极管阳极靶示意图；
图3为本发明多层颗粒压结式强流二极管阳极靶示意图；
图4为本发明颗粒压结式强流二极管阳极靶真空压结模具示意图。
附图标记：1-上压模，2-侧压模，3-混合料。
具体实施方式
下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。本领域技术人员应当理解的是，这些实施方式仅仅用来解释本发明的技术原理，目的并不是用来限制本发明的保护范围。
现有阳极靶多为单次使用，每次实验完成后需要更换。本发明提供一种用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶及制备方法，该阳极靶的寿命较高，可替换现有强流二极管使用的整块单层钽靶。同时，该阳极靶与现有普通低能工业靶材不同，主要应用于高功率脉冲技术领域，该阳极靶在极短时间内(数十ns)可承受数百kA、数百kV到数MV高能电子束的轰击，目的是通过轫致辐射产生瞬时高能x/γ射线。阳极靶瞬时温升可达上千摄氏度，瞬时应力达GPa量级，热-力学损伤效应剧烈。
本发明颗粒压结式强流二极管阳极靶由靶材颗粒压结(真空环境)、轧制(大气环境)而成，颗粒之间存在一定间隙，有利于强流脉冲电子在靶上造成的热激波的耗散，增强靶的抗电子束热-力学损伤性能，提升阳极靶的寿命；同时，可灵活选取阳极靶的组成材料，达到调节输出x/γ射线参数的目的。
如图1至图3所示，本发明用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶包括由一种或多种靶材颗粒在真空中压结而成的成型靶，在不同位置选取不同的靶材颗粒进行压结，达到调节输出x/γ射线参数；靶材颗粒的材料具体可为钽、碳化钽、石墨、钨、碳化钨或铝；靶材颗粒之间存在百μm量级以下的间隙；靶材颗粒直径为0.05～1mm，成型靶的厚度应至少为颗粒直径的3～4倍。
本发明提出的颗粒压结式阳极靶灵活性较强，可根据不同的应用需求在不同位置选取不同的靶材颗粒进行压结，例如：①“四周为钽颗粒，中心为石墨颗粒”构型，可用于提升靶输出射线空间分布均匀性，适用于辐照二极管；②“四周为钽，中心为钨或碳化钨”构型，可提升靶中心输出射线剂量，适用于聚焦型二极管；③”纯钽或碳化钽颗粒”构型，适用于软X射线场景；④多层构型，表层为石墨颗粒，中心为钽颗粒，背层为铝或石墨颗粒，使得压结靶具备耐烧蚀、长寿命、提升辐射场光子占比等特性，适用于大面积辐照二极管。
在制作上述阳极靶时，根据应用场景和成型后的阳极靶尺寸，选取颗粒尺寸、靶材颗粒种类和构型。将直径为0.05～1mm靶材颗粒，在真空条件下，根据应用场景，用机床压结成厚度为0.2～10mm的整块状圆形或矩形阳极靶。
一般而言，成型靶厚度应至少为靶材颗粒直径的3～4倍，比如厚度为0.2mm的靶，选取的靶材颗粒应为0.05mm。根据选取的构型，制作相应的工装模具，在真空环境下，利用机床进行压结，而后在大气环境下进行轧制和打磨，打磨后要求表面粗糙度小于等于1.6，具体制备过程如下：
步骤一、颗粒制备；
根据实验所需的射线参数选取靶材材料，制备对应的靶材颗粒，如钽、碳化钽、石墨、钨、碳化钨、铝等。颗粒直径为0.05～1mm，该尺寸范围内的颗粒直径小于工业上常用的用于冶金的粉末，制备难度降低；
步骤二、真空压结；
2.1)将步骤一制备的靶材颗粒进行重结晶退火处理，退火温度视材料再结晶温度而有所差异，对钽颗粒来说，重结晶退火温度一般在800℃～1000℃；
2.2)将靶材颗粒与粘合剂(高纯石墨导电胶)混合，石墨胶总量约为混合料3的5％～10％(体积)；
2.3)根据阳极靶的体积和密度，称量对应质量的混合料3放入压结模具，将压结模具放置在10-3Pa量级的真空环境中；
压结模具结构如图4所示；压结模具进行压结时，根据预成型后阳极靶的体积和密度，称量对应质量的混合料3，一般取压缩比(压结前混合料3高度与成型后压缩高度之比)为2～3，多种颗粒、或者多层的阳极靶需要预先区分位置、或者分层放置颗粒；
2.4)根据阳极靶的密度设定压制压力，根据压制压力对混合后的靶材颗粒与粘合剂进行压结，整个压结过程在10-3Pa量级的真空环境中进行，先固定侧压模2，留出侧凸边，进行竖直方向压缩；再固定上压模1，进行侧向压缩，交替进行，直到混合料3压结至预成型尺寸，颗粒在竖直方向和水平方向上均被压缩；
压结前需要在压结模具内表面涂抹硬脂酸锌，作用是润滑模壁与压结靶脱模。压结时的压缩温度35℃～50℃，此种温度下石墨胶具有较好的粘合能力。上述压制压力与需要的靶密度相关，以纯钽靶为例，一般取100MPa～160MPa时压结靶密度为10g/cm3，取190MPa～270MPa时压结靶密度约为11g/cm3；
2.5)达到压制压力后保压3～5分钟，目的是使压力充分传递，减小弹性后效影响，而后缓缓撤除压力，真空环境静置20～30分钟，消除应力；
步骤三、大气环境轧制；
将预成型的阳极靶从真空环境中取出，采用轧制的方法进一步压结，目的是进一步对颗粒靶进行塑形，提升表面平整度，同时使得颗粒间隙进一步缩小，控制颗粒间隙＜100μm，压缩比(预成型靶厚度与轧制后靶厚度)>2。
步骤四、表面打磨；
采用打磨机(包覆砂纸)对阳极靶表面进行打磨，使表面粗糙度≤1.6。
将靶安装至脉冲功率装置上，每次实验结束后，需要及时查看靶的热-力学损伤情况，如靶表面颗粒有脱落，无需更换，用砂纸酌情打磨处理即可。

Claims (8)

1.一种用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶，其特征在于：包括由多种靶材颗粒压结而成的成型靶；成型靶的中间为第一类靶材颗粒，四周为第二类靶材颗粒；
所述靶材颗粒的材料为钽、碳化钽、石墨、钨、碳化钨或铝，成型靶根据目标射线参数在不同位置选取不同的靶材颗粒进行压结；
所述靶材颗粒直径为0.05～1mm，靶材颗粒之间的间隙＜100μm；所述成型靶的厚度应至少为靶材颗粒直径的3～4倍。
2.根据权利要求1所述的用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶，其特征在于：所述成型靶由四周为钽颗粒，中心为石墨颗粒组成；或者四周为钽，中心为钨或碳化钨组成。
3.根据权利要求2所述的用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶，其特征在于：所述成型靶的表面粗糙度小于等于1.6。
4.根据权利要求3所述的用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶，其特征在于：所述成型靶的形状为圆形或矩形。
5.一种用于脉冲功率装置的颗粒压结式二极管阳极靶的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一、靶材颗粒制备；
根据目标射线参数选取靶材材料，将靶材材料加工为直径为0.05～1mm的靶材颗粒；
步骤二、真空压结；
2.1)将步骤一制备的靶材颗粒进行重结晶退火处理；
2.2)将靶材颗粒与粘合剂混合为混合料，粘合剂为混合料体积的5％～10％；
2.3)根据阳极靶的体积和密度，称量对应质量的混合料放入压结模具，将压结模具放置在10-3Pa量级的真空环境中；
2.4)根据阳极靶的密度设定压制压力，根据压制压力对混合料进行压结，压结时，先固定侧压模，留出侧凸边，进行竖直方向压缩；再固定上压模，进行侧向压缩，该过程交替进行，直到混合料压结至预成型的阳极靶，压缩温度为35℃～50℃，压缩比为2～3；
2.5)压制完成后，在压制压力下保压3～5分钟，随后将预成型的阳极靶在真空环境静置20～30分钟，消除应力；
步骤三、大气环境轧制；
将预成型的阳极靶从真空环境中取出，采用轧制的方法进一步压结，压缩比为>2，使得靶材颗粒间隙进一步缩小，控制靶材颗粒间隙＜100μm；
步骤四、表面打磨；
对阳极靶表面进行打磨，使表面粗糙度≤1.6。
6.根据权利要求5所述的制备方法，其特征在于：步骤2.4)中，压结前需要在压结模具内表面涂抹硬脂酸锌。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于：步骤三中，粘合剂为高纯石墨导电胶。
8.根据权利要求7所述的制备方法，其特征在于：步骤四中，采用包覆纱纸的打磨机对阳极靶表面进行打磨。
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