文摘

的算法和结果计算积分和微分脉冲电子束的能量谱(350 - 500 keV 80 ns),所产生的直接行动加速器,。电子光谱计算使用加速电压的波形图,电子电流、总电流的二极管,一维Child-Langmuir (1 d CL)的比例。发现综合电子束能量谱的差异,当使用的总电流测量二极管,利用电子束电流、没有超过15% 80% -95%的电子生成的二极管石墨,碳织物,多点阴极。在计算电子频谱使用1 d CL,错误要高得多。

1。介绍

对于技术应用程序,脉冲电子束电流密度高(超过100 /厘米2)和高的能量密度,产生直接行动加速器(真空电子二极管)爆发阴极,广泛应用(1,2]。光束能量谱电子或离子的带电粒子束发生器的一个重要参数。电子和离子的能量谱决定穿透深度为目标和吸收剂量分布(3,4]。当用于启动脉冲电子束等离子体化学过程,电子光谱影响化学反应的动力学和选择性5]。成分和能谱的离子光束显著影响深度的分布剖面当兴奋剂(6)和辐射缺陷生成的目标模拟辐射照射(7,8)等。因此,操作控制带电粒子的能谱束等离子技术的一个重要因素,安装实施。

特殊的传感器主要用来测量带电粒子束的能量谱。在[9),确定电子束能量谱的方法产生的切伦科夫辐射微波范围。在[10),热成像诊断的脉冲电子束。它提供了一个能量密度分布测量电子束沿横截面的电子能谱测量等测量电子的能谱,吸收剂量的分布在一个目标的深度(由材料具有低密度、低导热系数)进行了分析。测量电子束能量谱,磁谱仪设计(11]。记录移动半圈后电子的分布受洛伦兹力,一个成像板放置垂直于电子束的入射方向准直器1毫米直径的洞。脉冲电子束的能量谱计算生成的直接行动加速器的加速电压和电子电流波形图(12]。在一个电子的能量超过10 keV(速度超过6厘米/ ns)之间的延迟加速电压和电子电流的波形图是微不足道,甚至在5 - 10厘米的距离从二极管电子电流sensor-Faraday杯(FC)。然而,这些方法没有提供一个操作测量电子束参数没有停止工艺流程(无损诊断)。Rogowski线圈的应用(RC)电子电流测量是有限的使用主要磁场的电子束或反向电流通过等离子体通道输出光束时气体(13]。

的操作和无损控制电子束光谱,可以使用总二极管电流。加速器二极管装配的当前余额进行分析表明,当生成电子束,总电流超过电子束电流。损失主要是由于电子散射的a - k差距。的模式匹配的二极管阻抗脉冲发生器的输出电阻,目前的损失不超过12% (14,15]。

的操作和无损控制电子束光谱,它还可以使用一维Child-Langmuir (1 d CL)比(16]。研究产生大电流真空二极管的电子束表明电子电流阴极发射能力有限的或电子的空间电荷在[a - k的差距1,17]。当形成阴极等离子体浓度高、电子电流密度是描述1 d CL。实验研究的结果的平面二极管explosion-emission石墨、铜、和碳织物阴极和介绍多点W阴极18]。执行的测试是在一个集装箱- 500加速器(350 - 500 kV、80 ns) [14]。此外,研究一条与石墨阴极二极管,电子self-magnetic绝缘方式,进行TEMP-4М加速器(150 - 200 kV、400 - 600 ns) (19]。测试二极管,一个令人满意的巧合的总电流的实验值与计算从1 d CL(负极)工作区域的观察,不仅没有改变电子轨迹的a - k差距也在其偏离正常的阴极表面的角小于90°(没有磁电子截止)。电子电流的增加由于a - k的减少差距,增加阴极发射阴极等离子体区域,并在阴极相的存在是被1 d CL,考虑阴极发射面积的增加和减少的a - k差距。在[11),脉冲电子束的能量谱方法计算的加速电压(使用Child-Langmuir法律)。然而,这种方法只适用于二极管操作模式的空间电荷限制电流的a - k缺口。此外,该方法不允许相同的电子能量的总和,期间产生的前后边缘的脉搏。

进行研究的目的是开发一种无损方法通过研究能谱的直接行动所产生的脉冲电子束加速器,它允许相同的电子能量的总和,期间产生的前后边缘的脉搏。

2。实验装置和方法

调查的电子束能量谱进行集装箱- 500脉冲加速器(350 - 500 kV、80 ns) [14]。图1显示了加速器二极管装配和诊断设备的位置。


图1
二极管组装图和诊断设备的位置:(1)阴极;(2)Rogowski线圈;(3)电容分压器;(4)微分分配器;(5)法拉第杯。

我们使用一个二极管45毫米直径平圆柱阴极不同的材料做的。作为阳极,我们使用92毫米直径平铜FC收集器。测量二极管的总电流,使用反转的Rogowski线圈。加速电压测量的电容分压器位于充油的室和一个微分分压器位于真空二极管室的体积(20.]。总电子束电流测量法拉第杯,这是随着二极管泵室压力的0.05 - -0.1 Pa。直径92毫米的FC收集器是连接到FC室由low-inductive 0.05欧姆的电阻并联。标定表明,二极管的诊断设备组装正确反映其短路操作模式,操作时60欧姆的电阻负载,当操作在一个二极管。

3所示。电子光谱测定

3.1。电子束光谱测定使用当前波形图

图2显示了加速电压的波形图,特征的总电流二极管装配,电子束电流。


图2
加速电压的波形图(1),二极管组装总电流(2)和(3)电子束电流(使用石墨阴极)。

在计算综合电子束能量谱,首先在程序OriginPro 9.0 [21),一个电子表格的电子电流在加速电压的依赖。在电子表格,加速电压和电流的值是排序的顺序同步电压增加(“列排序/提升”)。接下来,集成电子电流随着时间的推移,使电子具有相同能量的总和中生成的前后边缘的脉搏。电子的电荷就重新计算数量,和积分依赖电子的能量的数量(等于产品的电子电荷加速电压)。图3给出了计算结果。

(一)
(一)
(b)
(b)
图3
集成电子束频谱使用电子电流计算(1),使用的总电流二极管装配(2),并使用1 d CL(3)。计算电子束的误差频谱使用的总电流(4)。石墨阴极碳织物(a)和阴极(b)。

总每脉冲电子束收取0.5 - -0.8 mC,梁中电子的总数(3 - 5)·1015。与此同时,80%的电子有一个超过200 keV能量。

集成的电子束能量谱的近似多项式和随后的分化使得电子的能量分布的光束(电子束能量谱),如图4。


图4
电子束能量谱计算中使用的总电流二极管使用电子装配(1)和(2)。电子束的误差计算谱(3)(使用石墨阴极)。

电子束能量谱计算使用电子电流进一步用于评估电子光谱测量的正确性由其他手法的总电流二极管或一维Child-Langmuir比率。

数据3和4显示的电子束能量谱计算的总电流二极管单元。计算是根据算法,用来计算电子束频谱使用电子电流波形图。图3展示了集成的电子束频谱的计算失误。错误计算了以下方程: 在哪里N钢筋混凝土(E)是电子的能量从0到E计算总电流的二极管,和N足球俱乐部(E)是电子的能量从0到E,从电子计算电流。

图4显示了电子束能量谱的计算失误。错误计算了以下方程: 在哪里n钢筋混凝土(E)是电子和能量的数量E计算总电流的二极管,和n足球俱乐部(E)是电子和能量的数量E,从电子计算电流。

发达算法允许我们确定电子光束的光谱的变化当退出二极管室。图5展示了集成电子束原始电子束的频谱和提取的光束。

(一)
(一)
(b)
(b)
图5
集成电子束谱计算中使用的总电流二极管单元(1),使用阳极(2)背后的电子电流测量,并使用电子电流测量阳极和铝箔(3)绝对(a)和正常化。(b)值(使用碳织物阴极)。

在这一系列的实验中,用不锈钢晶格的透明度为70%作为阳极。背后的FC收集器是5毫米晶格。研究表明,阳极阵列只有削弱了电子束不改变其能谱。通过0.13毫米厚铝箔后,光束频谱低能量的地区之间的差异很大。

3.2。确定使用1 d CL电子束能量谱

研究表明,当操作真空电子二极管在空间电荷限制电流模式下,电子束频谱的计算CL(参见图1 d也会产生正确的结果3)。集成的电子束能量谱的计算是根据频谱计算图的算法3,而是电子的电流,计算当前1 d使用CL。考虑到a - k差距减小和增大阴极区发射表面扩张,电子电流= (18] 在哪里U是加速电压,d0是初始a - k差距,r0是初始半径的阴极, 是阴极等离子体膨胀速度,F是形式因素。

与光滑表面发射的1 d CL公式得到,阴极表面可能microirregularities。如果阴极检测表面粗糙度超过空间电荷层的厚度,阴极的发射面积增加,有必要引入一种因素F> 1 (18]。

进行研究表明,集成的电子束能量谱的差异,当使用的总电流测量二极管,利用电子束电流、80年不超过15% - 95%的梁电子和光束能量的95%。电子束频谱误差计算中使用的总电流二极管是电子领域的最重要的低能量。电子束光谱计算1 d CL还允许正确的结果,但错误是更高。

3.3。热成像诊断的电子束

吸收剂量的分布在目标的深度取决于束电子的能谱,所以热成像诊断可以用来测量电子的能谱(10]。测量吸收电子束剂量分布的深度,在一个圆柱形的目标从发泡聚苯乙烯,一段的直径。后与脉冲电子束照射目标,减少目标开了,一个热图像的内表面被记录,2 - 3秒后照射。由于目标的低导热材料,其温度分布变化不超过5%在第一次3秒(10]。在这一系列的实验中,吸收剂量的分布深度的目标测量光束从二极管中提取室通过铝箔到大气中。

图6显示集装箱产生的加速电压的波形图- 500加速器在这一系列的实验和内部表面的热分析图的目标(一个脉冲)。目标是85毫米的直径,厚度为110毫米,电子运动的方向从左到右(见图1)。


图6
加速电压(1)和全电流的波形图(2)二极管(a)和热法的目标(b)(使用石墨阴极)。

热法是根据处理程序SmartView 4.1美国福禄克公司(22),吸收剂量电子束从加热计算的目标: 在哪里 目标比热和Δ吗T是目标供暖。

图7显示了正常吸收剂量分布的深度目标三横截面(见图6)和模拟结果的吸收一个单色的电子束在发泡聚苯乙烯密度为0.018克/厘米3据Geant4程序(23]。的模拟是由电子束直径5厘米和一个常数截面电子流利。


图7
正常吸收剂量分布的深度目标三横截面图6(b)(1分)。结果模拟吸收剂量分布的电子能量250 keV (2), 300 keV (3), 350 keV (4)。

图8显示的结果集成电子束光谱计算图6 (a)。


图8
集成电子束谱(1)和电子束频谱使用1 d CL(2)计算。

研究表明,电子束的分布产生的吸收剂量teu - 500加速器/发泡聚苯乙烯的深度目标对应于电子束能量谱。

4所示。结论

发达的技术诊断的带电粒子的能量分布梁(光束能量谱),生成一个直接行动加速器,使控制参数的快速、准确地在工艺流程。频谱控制不需要额外的尖端设备和冗长的处理测量结果。该技术已经成功地测试各种加速器脉冲电子束形式。

差异在集成的电子束能量谱测量中使用的总电流二极管,利用电子束电流不超过15%的80 - 95%的电子二极管中生成与石墨碳织物,多点阴极。在计算电子频谱使用1 d CL,错误要高得多。

发达的技术不包括光束的能量分散,由于空间电荷,散射或其他影响。

数据可用性

数据用于支持本研究的发现可以要求从相应的作者。

的利益冲突

作者宣称没有利益冲突。

作者的贡献

所有作者的贡献同样这项工作。

确认

本研究支持的俄罗斯基础研究基金会的项目号,19-38-90001和19-38-90071。