一种用于材料空间分布特性测量的脉冲X射线二极管的制作方法

一种用于材料空间分布特性测量的脉冲x射线二极管
技术领域
1.本发明涉及脉冲x射线产生技术领域，具体涉及一种用于材料空间分布特性测量的脉冲x射线二极管。


背景技术：

2.具有一定能量的电子束轰击靶材，电子与靶原子发射非弹性碰撞时，其速度和方向会发生变化，将会产生电磁辐射，这种物理过程称为轫致辐射。同时当电子能量大于一定阈值时，靶材原子壳层电子可能会被击出，而外壳层电子会跃迁填充并产生具有两轨道能量差的光子，这种物理过程则称为特征辐射。通常电子束轰击靶材后产生的x射线是既包含轫致辐射，又包含特征辐射的宽谱。由于x射线具有穿透能力，可以诊断物质内部精细结构，与常用的可见光相比有着天然的优势，因此在工业检测监测、公共安全、临床医学、国防科研等领域有着广泛的应用。其中一种应用为材料空间分布瞬态成像，需要利用脉冲x射线，而探测器灵敏度决定了脉冲x射线的强度需要达到一定阈值。
3.利用脉冲高压真空间隙放电方式可以产生较高强度的脉冲x射线，该装置可称为二极管，具体过程为将脉冲高压加载至二极管阴、阳极间隙，阴极由场致发射电子束轰击阳极，进而发生轫致与特征辐射产生脉冲x射线。装置涉及高电压、大电流、高真空度等因素，部分成像应用还要求成本低、方便移动和装卸，因此二极管工程化是一个重要课题。二极管存在多种结构，主要与电压等级、高压产生方式、照射量、光源尺寸以及应用场景等因素有关，针对某些低密度材料物质空间分布特性测试需求，二极管辐射能谱不宜太硬，结合探测器灵敏度要求，主要参数为电压幅值≤300kv、电流幅值≤10ka、x射线脉冲宽度≤50ns的二极管。
4.现有的二极管大多为直流类型，不满足瞬态成像要求，因此有必要开展脉冲类型的二极管发明工作。脉冲类型的二极管通常由脉冲高压引入段、阴极、阳极、阳极底座、x射线出射窗口、真空泵法兰接口等组成，且大多与脉冲高压发生装置一体。基于某些低密度材料物质空间分布特性测试需求特点，需要有一款能量低、强度高、移动方便、成本低、环境适应性强的脉冲类型的二极管，而传统结构的二极管不满足要求。


技术实现要素：

5.本发明的目的在于提供一种用于材料空间分布特性测量的脉冲x射线二极管，该脉冲x射线二极管使用时采用高压电缆连接二极管，脉冲高压通过绝缘部件传输至真空放电腔室，阴极产生电子束轰击阳极靶，最终通过出光窗口向外辐射脉冲x射线，具有能量低、强度高、移动方便、成本低、环境适应性强的特点，同时还具有良好的脉冲电压绝缘能力。
6.本发明通过下述技术方案实现：
7.一种用于材料空间分布特性测量的脉冲x射线二极管，包括充气密封法兰、二极管管筒、绝缘筒、二极管管壳、阳极组件、阴极组件和真空盖板；
8.所述绝缘筒为外壁呈一端大一端小的凸形结构，所述二极管管筒设置在凸形结构
的大端外侧，所述二极管管壳设置在凸形结构的小端外侧；
9.所述阴极组件通过阴极盘压接法兰安装在二极管管壳远离凸形结构大端的端部，所述真空盖板设置在二极管管壳远离凸形结构大端的端部，所述二极管管壳、真空盖板和绝缘筒之间形成真空靶室，所述真空盖板上设置有与阳极组件配合的真空薄膜；
10.所述充气密封法兰设置在二极管管筒远离凸形结构小端的端部，所述绝缘筒沿着轴向设置有中心通孔，所述中心通孔与充气密封法兰连通，且所述中心通孔未贯穿凸形结构的小端，所述中心通孔内靠近凸形结构小端的一侧设置有高压连接件，所述中心通孔的另一侧形成气体绝缘腔室；所述阳极组件安装在凸形结构小端的端部，且与高压连接件连接。
11.本发明的充气密封法兰、绝缘筒和外接高压输入电极可构成密封环境，方便充入绝缘气体，增加二极管绝缘能力，即本发明通过气体与固体绝缘相结合方式，提高二极管的脉冲电压绝缘能力。
12.本发明的高压连接件接入的高压脉冲电压较低，放电时电流较高，结合真空薄膜的对低能x射线的低衰减，使得辐射输出能量低、强度高；所述的高压连接件通过高压电缆连接高压脉冲源，为柔性连接，二极管单独和连接后均移动方便；绝缘筒外壁环形凸起可以提高绝缘裕量，同时结合阴、阳极多发放电后可方便更换的设计，使得本发明可长寿命使用，而且均为国产部组件，有效降低成本，具有成本低特点；本发明的移动方便，结合二极管管筒侧形成的气体绝缘腔室以及二极管管壳侧形成的真空腔室与周围环境隔离开来，可适应多种应用场景布局，同时通过不同阳极靶金属材料、阴阳极结构参数的配置，实现输出辐射能谱调控，系统提高了环境适应性。
13.进一步地，二极管管筒上在高压连接件的外侧设置有电压测试探头和电流测试探头。
14.进一步地，电压测试探头包括第一n型头、金属盖板、绝缘垫和金属电极；
15.所述第一n型头设置在金属盖板内，所述金属电极嵌入绝缘垫中，且所述金属电极和绝缘垫的端部均为与绝缘筒相配合的弧形结构，所述金属盖板设置在绝缘垫的外侧，所述金属盖板安装在二极管管筒上预留的第一法兰上，安装后所述金属盖板和绝缘垫的端部与绝缘筒的外壁接触。
16.进一步地，电流测试探头包括第二n型头、金属固定座和电流环；
17.所述第二n型头设置在金属固定座内，所述电流环置于金属固定座内，且电流环的两端分别焊接在第二n型头的铜芯和外壳地上，所述金属固定座安装在二极管管筒上预留的第二法兰上。
18.进一步地，二极管管壳上设置有与真空靶室连通的真空挡板阀接口，通过真空挡板阀接口与外接真空泵部组件连接，外接真空泵部组件指高真空手动挡板阀、离子泵和真空泵组，动态真空时，离子泵不用工作，由机械泵和分子泵维持真空即可；静态真空时，则由机械泵和分子泵预抽真空，之后由离子泵维持真空，可通过高真空挡板阀方便脱离预抽泵组。
19.进一步地，绝缘筒的外壁设置有环形凸起，所述二极管管筒一端连接在环形凸起的一侧，另一端与充气密封法兰连接，所述二极管管壳一端与连接在环形凸起的另一侧，另一端安装有真空盖板。
20.进一步地，二极管管筒和二极管管壳的外壁均设置有固定箍，使用时所述脉冲x射线二极管通过固定箍与固定底座可拆卸式连接。
21.进一步地，阴极组件包括阴极盘和阴极环；
22.所述阴极环通过阴极压接法兰安装在阴极盘上，所述阴极盘通过阴极盘压接法兰安装在二极管管壳的端部。
23.进一步地，阳极组件包括阳极杆、阳极连接件和阳极座；
24.所述阳极座一端穿过凸形结构的小端与高压连接件连接，另一端与阳极连接件连接，所述阳极座一端安装在阳极连接件上，另一端与阳极组件相配合。
25.进一步地，真空薄膜通过密封盖板安装在真空盖板上。
26.本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
27.1、本发明可以依据应用场景方便灵活地布局二极管，提高了二极管的环境适应性。
28.2、本发明可以实时监测二极管的脉冲放电电压、电流，评估二极管的工作状态。
29.3、本发明可以通过气体与固体绝缘相结合方式，提高二极管的脉冲电压绝缘能力。
30.4、本发明可以增加低能x射线的出射比例，提高低面密度金属物质成像灵敏度。
31.5、本发明可以依据不同工作真空条件，自主采用动态真空或静态真空方式。
32.6、本发明可以更换多种金属材料阳极杆或不同孔径阴极环，调控辐射能谱。
附图说明
33.此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本技术的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
34.图1为脉冲x射线二极管整体侧视图；
35.图2为脉冲x射线二极管水平纵剖图；
36.图3为脉冲电压测试探头垂直横剖图；
37.图4为脉冲电流测试探头水平纵剖图；
38.图5为脉冲x射线二极管瞬态成像应用示意图。
39.附图中标记及对应的零部件名称：
[0040]1‑
充气密封法兰；2
‑
二极管管筒；3
‑
固定箍；4
‑
固定底座；5
‑
电压测试探头；6
‑
绝缘筒；7
‑
真空挡板阀接口；8
‑
二极管管壳；9
‑
真空盖板；10
‑
阴极盘压接法兰；11
‑
阴极盘；12
‑
阴极压接法兰；13
‑
阴极环；14
‑
密封盖板；15
‑
真空薄膜；16
‑
阳极杆；17
‑
阳极连接件；18
‑
阳极座；19
‑
高压连接件；20
‑
电流测试探头；21
‑
第一n型头；22
‑
金属盖板；23
‑
绝缘垫；24
‑
金属电极；26
‑
第二n型头；27
‑
金属固定座；28
‑
电流环。
具体实施方式
[0041]
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
[0042]
实施例1：
[0043]
如图1
‑
图5所示，一种用于材料空间分布特性测量的脉冲x射线二极管，包括充气密封法兰1、二极管管筒2、绝缘筒6、二极管管壳8、阳极组件、阴极组件和真空盖板9；
[0044]
所述绝缘筒6为外壁呈一端大一端小的凸形结构，所述二极管管筒2设置在凸形结构的大端外侧，所述二极管管壳8设置在凸形结构的小端外侧；
[0045]
所述阴极组件通过阴极盘压接法兰10安装在二极管管壳8远离凸形结构大端的端部，所述真空盖板9设置在二极管管壳8远离凸形结构大端的端部，所述二极管管壳8、真空盖板9和绝缘筒6之间形成真空靶室，所述真空盖板9上设置有与阳极组件配合的真空薄膜15；
[0046]
所述充气密封法兰1设置在二极管管筒2远离凸形结构小端的端部，所述绝缘筒6沿着轴向设置有中心通孔，所述中心通孔与充气密封法兰1连通，且所述中心通孔未贯穿凸形结构的小端，所述中心通孔内靠近凸形结构小端的一侧设置有高压连接件19，所述中心通孔的另一侧形成气体绝缘腔室；所述阳极组件安装在凸形结构小端的端部，且与高压连接件19连接；
[0047]
所述二极管管筒2上在高压连接件19的外侧设置有电压测试探头5和电流测试探头20；
[0048]
所述电压测试探头5包括第一n型头21、金属盖板22、绝缘垫23和金属电极24；
[0049]
所述第一n型头21设置在金属盖板22内，所述金属电极24嵌入绝缘垫23中，且所述金属电极24和绝缘垫23的端部均为与绝缘筒6相配合的弧形结构，所述金属盖板22设置在绝缘垫23的外侧，所述金属盖板22安装在二极管管筒2上预留的第一法兰上，安装后所述金属盖板22和绝缘垫23的端部与绝缘筒6的外壁接触；
[0050]
所述电流测试探头20包括第二n型头26、金属固定座27和电流环28；
[0051]
所述第二n型头26设置在金属固定座27内，所述电流环28置于金属固定座27内，且电流环28的两端分别焊接在第二n型头26的铜芯和外壳地上，焊接前，将第二n型头26预装入金属固定座27中，由于流经高压连接件19中的脉冲电流将产生磁场，当穿过线圈的磁通量最大时即为线圈平面位置，进而定位焊接点，在焊接完成后利用螺栓通过金属固定座27将脉冲电流测试探头固定至二极管管筒2预留的法兰之中。
[0052]
所述二极管管壳8上设置有与真空靶室连通的真空挡板阀接口7，通过真空挡板阀接口7与外接真空泵部组件连接。
[0053]
所述阴极组件包括阴极盘11和阴极环13；
[0054]
所述阴极环13通过阴极压接法兰12安装在阴极盘11上，所述阴极盘11通过阴极盘压接法兰10安装在二极管管壳8的端部。
[0055]
阴极环13放入阴极盘11并利用螺栓通过阴极压接法兰12固定组成阴极组件，阴极环13内径为6mm，外径为36mm，材料为不锈钢，内环为刀刃形状，也可依据辐射能谱调制需求，更换不同内孔径的阴极环13，从而通过不同阳极靶金属材料、阴阳极结构参数的配置，实现输出辐射能谱调控，满足不同应用需求；阴极盘压接法兰10通过螺栓将阴极组件压紧，阴极盘11的螺纹通孔较螺栓直径大，阴极组件可一定范围移动，确保阳极杆16位于阴极环13的中心位置后，再压紧阴极盘压接法兰10；真空盖板9通过螺栓与二极管管壳8连接，两者界面含有丁腈橡胶密封圈；利用不锈钢材质的密封盖板14将真空薄膜15通过螺栓固定至真空盖板9之上，真空薄膜15与真空盖板9间含有丁腈橡胶密封圈，真空薄膜15为聚酯化合物
高分子材料，厚度为200μm，与密封盖板14形成直径为12mm的x射线出射窗口，从而在保证获得mpa量级真空度的同时，降低低能x射线的衰减比例。
[0056]
所述阳极组件包括阳极杆16、阳极连接件17和阳极座18；
[0057]
所述阳极座18一端穿过凸形结构的小端与高压连接件19连接，另一端与阳极连接件17连接，所述阳极座18一端安装在阳极连接件17上，另一端与阳极组件相配合。
[0058]
具体地，高压连接件19与阳极座18通过自制螺纹孔、螺栓连接，拧紧时用金属薄片固定住高压连接19远离图形结构小端端部的一字槽，不锈钢材质的阳极座18与绝缘筒6的小端之间含有丁腈橡胶密封圈，隔绝充气与真空腔室；铜材质的阳极连接件17通过阳极座18侧面的固定螺栓压接，阳极连接件17深入阳极座18部分为半圆柱形，压接面为平面；阳极杆16插入阳极连接件17，插入杆部位采用中间开叉，采用适宜的公差配合，实现两者的紧密连接和阳极杆16纵向位置保证，阳极杆16直径为3mm、前端锥度为25
°
，材料为金属钼，纯度不低于99.99％，也可依据辐射能谱调制需求，更换铜、银、钨等金属材料阳极杆16。
[0059]
在本实施例中，所述绝缘筒6的外壁设置有环形凸起，所述二极管管筒2一端连接在环形凸起的一侧，另一端与充气密封法兰1连接，所述二极管管壳8一端与连接在环形凸起的另一侧，另一端安装有真空盖板9。
[0060]
二极管管筒2通过内六角螺栓与绝缘筒6固定连接，绝缘筒6上用于连接的通孔带有沉孔，便于后续二极管管壳8与绝缘筒6密封连接；充气密封法兰1通过螺栓与二极管管筒2连接，在充气密封法兰1与绝缘筒6间含有丁腈橡胶密封圈，且充气密封法兰1上有连接气管的阀门，位于密封圈以内。二极管管壳8通过螺栓与绝缘筒6连接，两者间含有丁腈橡胶密封圈。
[0061]
在本实施例中，脉冲x射线二极管以阳极座18和绝缘筒6构成分界面，高压连接一侧为气体绝缘腔室，并通过气管与高压脉冲源输出腔室相连，气压为0.2mpa，气体为sf6；阳极杆一侧为真空靶室，由真空泵组和离子泵确保工作时真空达到mpa量级。
[0062]
在本实施例中，二极管管筒2和二极管管壳8均为不锈钢管，所述绝缘筒6采用尼龙制成。
[0063]
本实施例的工作过程如下：
[0064]
脉冲x射线二极管工作前，利用真空挡板阀接口7经由高真空挡板阀与泵组、离子泵连接，抽真空至mpa量级，可根据需要选择是否由离子泵单独维持工作；电流测试探头20通过50ω的双层屏蔽同轴电缆连接至示波器，其中探头侧电缆为n型接头，示波器侧电缆需接入积分器，其时间常数为2μs；电压测试探头5通过同样方式接入示波器；此外，由充气密封法兰1上的螺栓通过专用接地线单点压接连至大电流地。
[0065]
进行材料空间分布特性测量时，脉冲x射线二极管的工作连接关系见图5。当靶室的真空度达到mpa量级后，高压脉冲源开始充电，达到预定充电电压值后由控制系统发出触发指令，高压脉冲源所产生的高压脉冲通过500kv高压同轴电缆从二极管左侧的充气密封法兰1引入，依次经过高压连接件19、阳极座18、阳极连接件17达到阳极杆16，当高压脉冲传输至阴、阳间时，间隙电场畸变，达到一定阈值时，电子将从阴极环13发射轰击阳极杆16，从而实现x射线产生；x射线则向四周传播，在二极管前向，x射线经过真空薄膜15出射，由于薄膜材料为聚酯化合物高分子材料，且厚度小，因此对低能x射线的衰减小，有利于低面密度金属物质空间分布特性测量；当出射x射线透射被照客体后，由探测器接收并存储，从而获
得客体近似某时刻的图像。
[0066]
综上，本实施例所述脉冲x射线二极管依次包括加载段、带有电压与电流探头的测试段以及真空度为mpa量级的真空靶室，其中，测试段为设置有高压连接件19的一段，所述加载段和靶室分别设置在测试段的两侧。
[0067]
加载段的一端为充气密封法兰1，用于脉冲高压引入，可通过螺栓或螺钉与二极管管筒2连接，充气密封法兰1、绝缘筒6和外接高压输入电极可构成密封环境，方便充入绝缘气体，增加二极管绝缘能力。
[0068]
测试段的二极管管筒2设置两个测试探头，分别用于测试二极管的实时放电电流、电压，优选地，两者呈180
°
夹角，其中一个为电流测试探头20，利用电磁感应原理经线圈获得放电时的电流信号；另一个为电压测试探头5，利用金属电极与高压连接间的结构电容和金属电极与地间的结构电容组成分压器，从而测得放电电压信号，所测电信号均通过特征阻抗为50ω的同轴信号传输线连接积分器并接入示波器。
[0069]
真空靶室由绝缘筒6、二极管管壳8、x射线出射窗口、真空挡板阀接口7等构成密封空间，通过真空挡板阀接口7与外接真空泵部组件连接，所述外接真空泵部组件包括高真空手动挡板阀、离子泵和真空泵组，动态真空时，离子泵不用工作，由机械泵和分子泵维持真空即可；静态真空时，则由机械泵和分子泵预抽真空，之后由离子泵维持真空，可通过高真空挡板阀方便脱离预抽泵组。出射窗口采用薄高分子材料，可以有效地降低低能光子的衰减比例，提高低面密度物质的成像灵敏度，同时折中高分子材料厚度和面积，保证mpa量级真空度。阴极环13通过阴极盘11与二极管管壳8连接，能够一定范围内移动，方便阴阳极对中。二极管工作时，脉冲高压经加载段、测试段后，由阳极座18转接接入脉冲高压，阴极场致发射电子轰击阳极，轫致与特征辐射产生x射线，经过出射窗口出射。若需要调制能谱，可通过更换多种金属材料的阳极或不同孔径的阴极实现。
[0070]
实施例2：
[0071]
本实施例基于实施例1，所述二极管管筒2和二极管管壳8的外壁均设置有固定箍3，使用时所述脉冲x射线二极管通过固定箍3与固定底座4可拆卸式连接。
[0072]
具体地，将脉冲x射线二极管的筒身置于固定底座4带有的两个半圆形支撑上，并用螺钉锁紧固定箍3与固定底座4。
[0073]
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。