强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟

 叙述了用高速摄影技术研究强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材的回喷现象,得出了靶材回喷的速度。并且采用EGS4程序和Euler流体力学方程组分别模拟了电子束在靶内的能量沉积和束靶相互作用的动力学过程。实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束轰击下,回喷靶材的轴向速度大于2.9 mm/μs,而模拟结果表明理想情况下回喷靶材自由面的轴向速度可达9.7 mm/μs。实验和理论计算为阻挡回喷靶材的快门设计提供了必要的参数。     

强流脉冲电子束作用下钽金属靶膨胀的轴向约束

研究了强流脉冲电子束与钽金属靶相互作用后靶材流体动力学膨胀的轴向约束问题。由于电子束在金属钛和钽内的能量沉积存在差异,未完全气化的钛箔对气化膨胀的钽材能够起到约束作用,并且可以通过吸收钽的能量来降低钽的膨胀速度。通过分析比较电子束在靶上形成孔洞的形貌以及高速相机拍摄得到的不同时刻靶材喷射的图像,证实了钛箔能够对钽金属靶的轴向膨胀起到一定的约束作用。尤其是电子束打靶过后1μs内的初始阶段,约束效果比较明显。     

4 MeV闪光X光机轫致辐射靶设计

对4 MeV闪光X光机的轫致辐射靶参数进行了设计和模拟计算。利用蒙特卡罗程序,计算得到当轫致辐射靶的有效钽靶材厚度约为0.6 mm时,靶正前方1 m处产生的单脉冲X光的照射量值最大,可以达到约2.86×10－3 C/kg,满足4 MeV闪光X光机对其单脉冲X光的设计要求。对不同能量下的单脉冲电子束加载在轫致辐射靶上的能量沉积密度进行了计算和比较,分析研究了不同结构下的靶破坏,结果表明:轫致辐射靶采用叠靶结构的钽靶能够满足4 MeV闪光机的实验需求。     

用高速显微摄影技术测量神龙一号上回喷靶材速度

用高速显微摄影技术对强流脉冲电子束轰击钽金属靶的过程进行了研究,获得了“神龙一号”加速器上靶材回喷过程的实验图像.实验表明,钽金属靶在强流脉冲电子束的作用下,有强烈的热释光现象产生,靶材的回喷粒子的轴向速度可达4.7 mm/μs.     

12MeV强流脉冲电子束对钽靶的破坏研究

强流高能电子束由于具有很强穿透能力,在材料内的能量沉积具有体分布特点,因此其对材料的辐照破坏体现出和低能电子以及X光等不同的特点.本文分析了金相显微镜和扫描电镜下的被12MeV的强流电子束轰击后的1.2mm厚度钽靶的破坏点形貌,其破坏断面体现为力学韧性撕裂,且关于靶中心基本对称.为了解释这种现象,文中用蒙特卡罗的数值模拟方法给出了电子束在钽靶内的沉积能量分布:能量沉积呈现靶中心吸能高,两侧低,且关于中心基本对称的特点.针对破坏断面特点和靶的吸热情况,我们给出高能电子束对靶材破坏初步的定性解释:认为高能电子束的强穿透能力使得靶材各部分几乎同时加热.靶材在极短时间里吸收大量能量,发生剧烈膨胀.由于能量沉积特点,中心部分材料膨胀最厉害,受到两侧边界的强烈约束,将产生两大小相近的热激波相对传播.激波在两侧自由界面反射,产生向内传播稀疏波.当两个稀疏波在靶中心区域相遇,就造成了靶对称撕裂的破坏形态.     

强流电子束入射叠靶能量沉积计算

计算了多脉冲相对论强流电子束入射钽-石墨叠靶的能量沉积和轫致辐射谱。能量沉积采用Geant4程序计算,轫致辐射谱根据基本的辐射理论和蒙特卡罗方法计算。结果显示,各层的热区能量沉积呈由大到小的递减分布,截面轫致辐射分布和电子束径向分布主要受钽层的影响。石墨层的低能量沉积率和高热容能改善叠靶的性能。对于单脉冲,钽-石墨层厚比为1∶1时,石墨能全部吸收相邻钽层的热沉积,轫致辐射效率为35.4%;4脉冲情况下,钽-石墨层厚比应为1∶13,总轫致辐射效率降到19.9%。考虑轫致辐射剂量和质量,钽-石墨两者的厚度比为1∶5时,钽层的总厚度应为1.2 mm;当钽-石墨层厚比为1∶10时,钽层的总厚应降到0.7 mm。     

用于温密物质研究的强流电子束加载技术

能量20 MeV、流强2.5 kA的电子束脉冲可以在数十ns的时间内将靶材料加载至温密物质状态，进而可以开展材料状态方程、电导率以及不透明度等的实验研究工作。介绍了在神龙一号加速器上开展温密物质实验研究的束靶作用方式以及相应的测试技术。对电子束在直径0.3 mm、长1 mm的金属靶丝内的能量沉积和流体动力学响应进行了数值模拟。结果表明:靶丝的温度随着靶材料原子序数的增加而上升，而靶丝内温度分布的均匀性随着原子序数的增加而降低；在电子束加载后40 ns时刻Ta丝内的最高温度可以达到约1.6 eV。     

30 MeV电子束轰击旋转钽靶产生轫致辐射分析

提出了一种基于射频直线加速器的多脉冲X光照相系统,有望用于材料动态性能诊断等流体物理动力学研究。基于射频加速器的特点,该套照相系统能够产生时间跨度10 s以上、数个脉冲间隔可调、脉宽为几十至一百ns的脉冲电子束,产生电子束束斑半高宽尺寸小于1 mm。通过蒙特卡罗模拟程序Geant4,分析计算了特定的几何布局以及不同厚度及电子束束斑条件下,电子束打靶后在靶中的能量沉积,靶中的电子束散射对X光焦斑的影响,以及1 m处的照射量,探讨了这套X光照相系统的应用可行性。结果表明,在30 MeV,400 nC电子束轰击厚度为1 mm的靶条件下,1 m处照射量约为9.1 R,靶厚在1~2 mm范围内并未引起X光焦斑的明显增大。较小横向尺寸的电子束会引起靶体局部升温严重,将会制约脉冲数量;采用旋转靶能够提升脉冲数量,通过分析二维旋转靶的应力,分析了靶材升温以及钽/钽合金屈服强度对脉冲间隔的限制作用。     

轫致辐射转换靶破坏过程诊断

直线感应加速器能够产生一个高功率、强流脉冲电子束,该电子束与轫致辐射转换靶作用可以产生一个脉冲的、强剂量的X光,同时会对轫致辐射靶本身也造成烧蚀破坏,甚至洞穿。设计研制了一套激光探测系统,对神龙一号加速器上的轫致辐射靶进行了诊断,得到了0.4 mm钽靶的破坏穿孔开始时刻在电子束打靶后约240μs处,整个靶穿孔过程持续时间可达1.5 ms。     

电子束在材料中的能量沉积和热激波特性

采用解析法、矩方法和Monte Carlo法等方法,计算了电子束在硬铝靶材中的能量沉积.计算表明,3个结果基本符合.根据得出的能量沉积结果和一维应变弹塑性流体动力学模型,计算了电子束热激波在硬铝靶材中的传播,并将其应力峰值的计算值与实测值进行了比较.     

不同入射角度下强流脉冲电子束能量沉积剖面和束流传输系数模拟计算

 强流脉冲电子束在材料中的能量沉积剖面、能量沉积系数和束流传输系数受其入射角的影响很大，理论计算了0.5~2.0MeV的电子束以不同的入射角在Al材料中的能量沉积剖面和能量沉积系数，并且还计算了0.4~1.4MeV电子束以不同入射角穿透不同厚度C靶的束流传输系数。计算结果表明，随着入射角的增大，靶材表面层单位质量中沉积的能量增大，电子在靶材料中穿透深度减小，能量沉积系数减小，相应的束流传输系数也减小；能量为0.5~2.0MeV的电子束当入射角在60°~70°时在材料表面层单位质量中沉积的能量较大。     

Optimum hot electron production with low-density foams for laser fusion by fast ignition

We propose a foam cone-in-shell target design aiming at optimum hot electron production for the fast ignition. A thin low-density foam is proposed to cover the inner tip of a gold cone inserted in a fuel shell. An intense laser is then focused on the foam to generate hot electrons for the fast ignition. Element experiments demonstrate increased laser energy coupling efficiency into hot electrons without increasing the electron temperature and beam divergence with foam coated targets in comparison with solid targets. This may enhance the laser energy deposition in the compressed fuel plasma.     

Optimization studies of photo-neutron production in high-<Emphasis Type="Italic">Z</Emphasis> metallic targets using high energy electron beam for ADS and transmutation

Monte Carlo calculations have been performed using MCNP code to study the optimization of photo-neutron yield for different electron beam energies impinging on Pb, W and Ta cylindrical targets of varying thickness. It is noticed that photo-neutron yield can be increased for electron beam energies ≥100 MeV for appropriate thickness of the target. It is also noticed that it can be maximized by further increasing the thickness of the target. Further, at higher electron beam energy heat gradient in the target decreases, which facilitates easier heat removal from the target. This can help in developing a photoneutron source based on electron LINAC by choosing appropriate electron beam energy and target thickness to optimize the neutron flux for ADS, transmutation studies and as high energy neutron source etc. Photo-neutron yield for different targets, optimum target thickness and photo-neutron energy spectrum and heat deposition by electron beam for different incident energy is presented.      

强流二极管阳极电子束时域能量沉积特性模拟

以强流脉冲电子束为研究对象,提出了一种基于离散时间、限定靶面位置,通过测量靶面不同时刻入射角分布,利用蒙卡程序计算得到电子束的能量(r, z)二维分布沉积值的方法。给出了典型弱箍缩平板二极管(电压峰值700 kV、阻抗7 Ω)阳极靶面不同位置时域的能量沉积值,分析了(0, 0°),(25 mm, 135°),(36 mm, 270°)三个位置纵切剖面的能量沉积特性,结果表明:在各个时间段内电子束入射能量确定的情况下,能量沉积特性与入射角呈现相关性,仿真结果与实验结果符合较好,偏差均小于10%;距阳极靶心25 mm以外的靶面位置,受束流箍缩影响,入射角分布变化较大;当入射角较小时(小于40°),强流电子束能量沉积峰值深度约0.2 mm;当入射角超过40°时,能量沉积峰值深度减小到0.1 mm左右;而阳极靶心位置附近,受束流箍缩影响较小,这些位置的能量沉积特性更接近于小角度入射角情形。     

High-power, Intense-current DensityPseudospark Electron Beam Drivenby a Modified Pulsed Line Accelerator

l.IntroductionPscudosparkdischargeisakindofgasdischargewhichoccursinaspecialgcometry,theso-calledPseudosparkChambcr(PSC),athighvoltages(lokV~rlMV)andlowpressures(lpa-loopa).ThePSCconsistsofahollo`vcathodeandaplateanodebothwithacommoncentraldischargechannel.Wllenaninsulatorisinsertedbetweenthehollowcathodeandtheanode,thisdeviceiscalledthesinglcgapPSCi``ithstacksofalternativeinsulatorandinter-mediateeleqtrodebeingplaced,itiscallcdthemultiplegapPSC.Thepseudosparkelectronbeamshavebeengenera…