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    重庆时时彩实体店代理: 一种电子加速器及实现电子束低注量环境的方法.pdf

    摘要
    申请专利号:

    重庆时时彩单双窍门 www.4mum.com.cn CN201410210427.4

    申请日:

    2014.05.16

    公开号:

    CN103983874A

    公开日:

    2014.08.13

    当前法律状态:

    授权

    有效性:

    有权

    法律详情: 授权|||实质审查的生效IPC(主分类):G01R 31/00申请日:20140516|||公开
    IPC分类号: G01R31/00; G01N23/00; G01T1/36; G01T1/29 主分类号: G01R31/00
    申请人: 中国科学院新疆理化技术研究所
    发明人: 郭旗; 何承发; 郭红霞; 陈伟; 文林; 孙静; 赵雯
    地址: 830011 新疆维吾尔自治区乌鲁木齐市北京南路科学二街181号
    优先权:
    专利代理机构: 西安智邦专利商标代理有限公司 61211 代理人: 王少文
    PDF完整版下载: PDF下载
    法律状态
    申请(专利)号:

    CN201410210427.4

    授权公告号:

    ||||||

    法律状态公告日:

    2017.08.25|||2014.09.10|||2014.08.13

    法律状态类型:

    授权|||实质审查的生效|||公开

    摘要

    本发明涉及一种电子加速器及实现电子束低注量环境的方法,通过多孔衰减的方法,在不变动加速器结构、控制系统的前提下,将电子加速器改造成为满足国军标要求的低通量空间辐射环境地面模拟装置。通过蒙特卡罗模拟计算方法和高分辨率测量方法,研究了通过衰减法降低电子束通量后电子束能谱、次级辐射、辐照场均匀性,能够适应电子元器件、材料辐射效应研究和评估方法研究的要求。解决了现有电子加速器在进行电子元器件辐射效应研究时电子通量高的技术问题。

    权利要求书

    权利要求书
    1.  一种电子加速器,其特征在于:包括电子加速器和设置在加速器出射窗处的金属多孔板;所述多孔板的厚度应比相应能量的电子在该金属中的射程大0.5mm以上;所述多孔板上均布小孔,其孔径为0.8-1.5mm,孔间距为8-20mm。

    2.  根据权利要求1所述的电子加速器,其特征在于:所述多孔板的材料为高纯铝。

    3.  根据权利要求2所述的电子加速器,其特征在于:所述电子加速器为稳态电子加速器,所述多孔板厚度为电子加速器出射电子在该金属中的最大射程+1mm;所述多孔板距出射窗的最近距离为10cm;所述多孔板上小孔的孔径为1mm,孔间距为10mm。

    4.  一种实现电子束低注量环境的方法,其特征在于:包括以下步骤:
    1)根据电子加速器出射电子在金属中的射程,选择比该射程厚至少1mm的金属板;
    2)在金属板上开均布小孔,形成多孔板;其中小孔的孔径和孔间距按以下方式确定:
    孔径下限由机械加工难度确定;孔径上限以对电子注量和能谱的影响趋于饱和为限;
    孔间距的下限由机械加工难度确定;孔间距的上限以对电子注量和能谱的影响趋于饱和为限;
    3)将多孔板遮挡在距电子加速器出射窗最近距离处;
    4)打开电子加速器,在距多孔板10cm以外的空间即为可进行辐照试验的电子束低注量环境。

    5.  根据权利要求4所述的实现电子束低注量环境的方法,其特征在于:
    所述金属板上小孔的孔径为0.8-1.5mm,孔间距为8-20mm。

    6.  根据权利要求5所述的实现电子束低注量环境的方法,其特征在于:
    当电子加速器为2MeV加速器且金属板材料为高纯铝时,所述多孔板厚度为5mm;所述多孔板距出射窗的最近距离为10cm;所述多孔板上小孔的孔径为1mm,孔间距为10mm。

    说明书

    说明书一种电子加速器及实现电子束低注量环境的方法
    技术领域
    本发明属于核技术在航天电子学领域中的应用,具体涉及一种利用多微孔衰减屏蔽实现电子束低注量辐射效应模拟试验环境及相应的方法。 
    背景技术
    空间辐射环境主要由银河系宇宙射线、地磁俘获形成的辐射带和随机发生的太阳粒子事件组成。地磁俘获带主要由质子和电子组成,其中电子的能量在0.1MeV至5MeV之间,电子的注量率最大可以达到4E+7e/cm2s。俘获带电子会对航天器的材料、太阳能电池、传感器和集成电路造成辐射损伤。因此通常在地面预先使用电子束对航天器相关材料和器件进行辐照效应研究,电子加速器是最重要的空间辐射环境地面模拟辐照装置。用于模拟空间辐射环境的电子加速器需要满足一定的条件:电子束长时间连续、稳态出束,辐照射野具有较大的面积,便于批量辐照器件。在辐照射野内电子束剂量均匀性好于90%。电子加速器是一种多专业技术集成的大系统,造价很高。目前市场上没有专用的低通量稳态电子加速器销售,科研机构一般选择结构紧凑、性能稳定、功率较低的工业辐照加速器作为空间辐射环境地面模拟辐照装置。选用工业辐照加速器的优点是器工作模式经过了长期运行的考验,能量、束流稳定性好,辐照面积大,操作、维护简便;缺点是束流强度偏大。 
    申请人从俄罗斯引进了ELV-8II型电子加速器,用于辐射效应研究。申请人选择了功率最小的型号,专门加装了小束流???,标称束流从0.01mA到10mA,动态范围跨越了四个量级。但该加速器的最小电子束流强度仍然偏大。在标称束流为0.01mA,电子能量为1.0MeV时,距出束窗20cm处的电子通量约为6.5×1010电子/cm2s,比空间辐射环境中的最大电子通量大三个数量级,辐照剂量率在1557rad(Si)/s以上,距真实模拟空间电子束辐射环境的要求还有很大差距。而GJB5422-2005《军用电子元器件γ射线累积剂量效应测量方法》规定,辐射效应模拟试验的剂量率应该在300rad(Si)/s以下。在模拟空间辐射环境时,如果模拟辐照源与实际空间辐射环境电子通量和辐照剂量率相差太大,获得的辐射效应数据不能真实反应实际空间辐射环境下 的辐射效应变化规律。 
    发明内容
    本发明目的是提供一种在电子加速器上实现电子束低注量辐照环境的方法,其可以提供与实际空间辐射环境电子通量和辐照剂量率相差不大的电子束低注量辐照环境,解决了现有电子加速器在进行电子元器件辐射效应研究时电子通量高的技术问题。 
    一种电子加速器,其特殊之处在于:包括电子加速器和设置在加速器出射窗处的金属多孔板;所述多孔板的厚度应比相应能量的电子在该金属中的射程大0.5mm以上;所述多孔板上均布小孔,其孔径为0.8-1.5mm,孔间距为8-20mm。 
    上述多孔板的材料为高纯铝。 
    上述电子加速器为稳态电子加速器,所述多孔板厚度为电子加速器出射电子在该金属中的最大射程+1mm;所述多孔板距出射窗的最近距离为10cm;所述多孔板上小孔的孔径为1mm,孔间距为10mm。 
    一种实现电子束低注量环境的方法,其特殊之处在于:包括以下步骤: 
    1)根据电子加速器出射电子在金属中的射程,选择比该射程厚至少1mm的金属板; 
    2)在金属板上开均布小孔,形成多孔板;其中小孔的孔径和孔间距按以下方式确定: 
    孔径下限由机械加工难度确定;孔径上限以对电子注量和能谱的影响趋于饱和为限; 
    孔间距的下限由机械加工难度确定;孔间距的上限以对电子注量和能谱的影响趋于饱和为限; 
    3)将多孔板遮挡在距电子加速器出射窗最近距离处; 
    4)打开电子加速器,在距多孔板10cm以外的空间即为可进行辐照试验的电子束低注量环境。 
    5、根据权利要求4所述的实现电子束低注量环境的方法,其特征在于: 
    所述金属板上小孔的孔径为0.8-1.5mm,孔间距为8-20mm。 
    当电子加速器为2MeV加速器且金属板材料为高纯铝时,所述多孔板厚度 为5mm;所述多孔板距出射窗的最近距离为10cm;所述多孔板上小孔的孔径为1mm,孔间距为10mm。 
    为了使减小加速器电子通量,增强电子束模拟辐照装置的空间辐射环境等效性,本发明采用多孔衰减法,在不影响电子束能谱分布的情况下,将电子束通量降低到4.5×108电子/cm2s,,剂量率降为10rad(Si)/s。 
    本发明通过蒙特卡罗输运模拟的方法,计算了电子束通过多孔板前后能谱变化的情况,并采用显色胶片剂量计测量电子束经过多孔板前后深度剂量分布的方法,比较了电子束的能量变化情况。建成了低通量电子辐射环境模拟辐照装置,各项指标符合要求。 
    本发明技术重点在于通过多孔衰减的方法,在不变动加速器结构、控制系统的前提下,将电子加速器改造成为满足国军标要求的低通量空间辐射环境地面模拟装置。通过蒙特卡罗模拟计算方法和高分辨率测量方法,研究了通过衰减法降低电子束通量后电子束能谱、次级辐射、辐照场均匀性,能够适应电子元器件、材料辐射效应研究和评估方法研究的要求。 
    附图说明
    图1是1.8MeV电子通过钛窗及不同厚度空气的能谱; 
    图2是1.8MeV电子通过不同孔径多孔板的能谱; 
    图3是1.8MeV电子通过不同孔径多孔板后产生光子的能谱; 
    图4是1.8MeV电子通过不同孔间距多孔板的能谱; 
    图5是1.8MeV电子通过和不通过多孔板的能谱差别; 
    图6是1.8MeV电子通过和不通过多孔板的深度剂量分布差别; 
    图7是1.8MeV电子束在通过多孔板后不同距离处剂量分布的均匀性; 
    图8是距多孔板0cm处剂量分布; 
    图9是距多孔板10cm处剂量分布。 
    具体实施方式
    本发明采用的蒙特卡罗程序为EGSnrc系统的应用程序BEAMnrc、BEAMdp和DOSXYZnrc,其中BEAMnrc可用于模拟电子加速器及电子在出束窗、靶材料中的输运过程。BEAMdp用于分析处理BEAMnrc产生的相空间文件以得到 电子和光子能谱信息,DOSXYZnrc用于模拟电子入射到直角坐标的模体上,记录模体每个单元中沉积的能量,由此可得到模体中的三维剂量分布。采用的剂量测量方法为新型显色薄膜剂量计,二维测量空间分辨率可以达到10微米。 
    多孔板采用高纯铝制成,厚度为5mm,大于2MeV电子在铝中的射程4.5mm。选择低原子序数材料铝做衰减板能够减少电子轰击在金属铝上轫致辐射的产生。表征轫致辐射产生的物理量辐射阻止本领与靶材料的原子序数的平方成正比。2MeV电子在铝中的辐射阻止本领为0.043MeV cm2/g,在铁中的辐射阻止本领本领为0.083MeV cm2/g,比铝大1倍;在铅中的辐射阻止本领为0.23MeV cm2/g,比铝大5倍。铝容易加工微孔,是比较合适的衰减板材料。 
    研究过程 
    1多孔板位置的模拟计算 
    首先采用BEAMnrc结合BEAMdp模拟计算了1.8MeV电子束通过0.05mm加速器出束钛窗以及不同厚度的空气层后能谱的变化,如图1所示。 
    从图1中可以看到,1.8MeV的电子束穿过0.05mm的钛出射窗,能量损失了约0.02MeV。电子穿越空气层时能量也有一定损失,在距出束窗20cm处,电子束能量约为1.745MeV;而在60cm处,电子束能量已减少到约1.685MeV。根据这个计算结果,多孔铝板应该放置到距加速器出射窗尽量近的位置,以减少空气层对电子束能量的衰减。ELV-8II加速器出射窗处有通风冷却装置,多孔铝板距出射窗的最近距离为10cm。因此在以后的模拟计算中多孔铝板距出射钛窗的距离固定为10cm。 
    2多孔板结构的模拟计算 
    采用BEAMnrc程序计算了多孔板孔径的大小和孔之间的间距对电子束注量的影响。为了节约机时,计算时采用了分步计算的方法。对所有计算中都要计算的加速器公用部分,如电子束穿越钛窗及10cm的空气层,做一次计算。在10cm空气层底部设一个统计平面,产生的相空间文件作为后续计算的源文件。 
    图2是多孔板的其他参数不变,孔间距为10mm,孔径分别为0.5mm,1.0mm和2.0mm时,电子束穿过多孔铝板后的能谱变化??梢钥闯隹拙抖缘缱幼⒘?nbsp;的影响在1mm以下时比较大,而1mm和2mm的孔径对电子束注量和能谱影响相差不大。同时还计算了三种孔径下电子束在通过多孔板后产生的轫致辐射光谱,如图3所示,不同孔径后光子的能谱并没有明显差别。加工多孔板(衰减板)时要在长约80cm,宽30cm,厚度5mm的铝板上钻出上千个均匀分布的小孔??悸堑郊庸さ哪讯?,将孔径直径定为1mm。 
    图4是多孔板的孔径固定为1mm,孔间距分别为10mm,15mm和20mm时,电子束穿过多孔板后能谱的变化??梢钥闯黾渚喽缘缱幼⒘亢湍芷椎挠跋煸?5mm以后就趋于饱和,不再随间距的增大和而明显增加衰减效果。同样,电子束穿过不同间距后产生的轫致辐射能谱也没有明显差别。本发明将衰减板微孔间距定为1cm,满足了项目要求的技术指标。如果将微孔直径缩小至0.8mm或更小,孔间距增大至12mm或更大,能够增大衰减电子束通量的能力。 
    3能谱的模拟计算 
    通过上述计算确定了多孔板的结构和放置的位置,即多孔板由厚度5.0mm的高纯铝制成??悸堑交导庸さ哪讯?,确定孔的直径为1mm,孔的间距为10mm。放置在距加速器出射窗10cm的位置。 
    根据这些确定的参数,采用BEAMnrc分别计算了铝多孔板存在和不存在两种情况下电子束穿过加速器钛出射窗,以及10cm空气层,0.5cm铝多孔板(对比情况用0.5cm空气替代)的输运情况。统计平面设在多孔板底部。用BEAMdp分析了两个对比计算获得的相空间文件,得出了电子束能谱的变化情况,如图5所示。从计算结果可以看出,多孔板对电子束注量的衰减比较明显,衰减了接近2个数量级。能谱的形状基本相同,说明1mm的孔径,孔间距10mm对1.8MeV电子束的能谱的影响并不明显。 
    4电子束最大能量的测量 
    由于加速器电子束的通量比较大,目前条件下由于计数率过高无法直接用探测器测量能谱分布。本工作根据GB/T16841-2008规定的方法,采用楔形法测量了加速器电子束在水等效材料聚苯乙烯中的深度剂量分布。测量剂量计选用显色胶片剂量计。 
    测量结果如图6所示,分别是1.8MeV电子束在距出射窗30cm处不加多 孔板时的深度剂量分布图;以及在同样位置,但在距出束窗10cm处加放0.5cm后,孔径1mm,孔间距10mm的多孔板后的深度剂量分布。 
    从图6可以看出,电子束在穿过和不穿过多孔板两种情况下的深度剂量分布形状有一定的差别,说明多孔板对电子束的能谱有一定的扰动。但是从深度剂量分布外推得到的射程差别不大,有多孔板时电子束在聚苯乙烯的射程Rp1=6.3mm,无多孔板的射程RP2=6.45mm。 
    根据电子束在聚苯乙烯中射程和能量的关系 
    E=1.972Rp*1.06+0.245   (1) 
    其中Rp单位为g/cm2,E单位为MeV。 
    可以得到,有多孔板时电子束的最大能量为,E1=1.562MeV 
    无多孔板时电子束的最大能量为,E2=1.593MeV 
    变化率为1.8%,可以认为多孔板对最大电子能量的影响可以忽略。 
    5剂量场均匀性的模拟计算 
    应用DOSXYZnrc计算了距多孔板不同距离处水模体中水平方向的剂量分布。所设的模体长5.25cm,宽5.25cm,高2.5cm,分成0.25×0.25×0.05cm的三维像素。计算了每个像素里的平均剂量。选取水平面中心线21个像素的剂量值作为水平方向的剂量分布。分别计算了距多孔板0cm,5cm,10cm,15cm四个距离处水平方向的剂量分布,如图7所示: 
    从计算结果可以看出,在紧贴多孔板的位置,剂量分布很不均匀,有孔的位置有剂量分布,无孔的位置剂量很??;在距板5cm处剂量分布已趋于均匀,在距板10cm以上的位置,剂量均匀性好于10%。 
    6剂量分布的测量 
    利用显色胶片能够测量二维剂量分布的优点,对电子束穿过多孔板以后零距离处和10cm处的辐照剂量均匀性进行了测量。显色胶片裁剪为长5cm,宽1cm的条形,放置在有机玻璃模体上以保证背散射的均匀性。测量结果如图所示:在电子束刚穿过多孔板时,只有有孔的位置有辐照剂量,无孔处剂量接近于0;而在距多孔板10cm处,剂量分布已基本均匀,均匀性好于10%,如图8、图9所示。 
    本发明采用蒙特卡罗输运计算,结合精心设计的试验测量工作,对ELV-8II型电子加速器产生的1.8MeV电子束在多孔铝板中的输运过程,通过多孔板前后能谱的变化,多孔板对剂量场均匀性的扰动能特性进行了研究,得到以下结论: 
    (1)1.8MeV以下电子束穿过钛出射窗和空气层时,能谱会受到影响,能量有所衰减。 
    (2)高纯铝多孔板的孔径和间距对电子束注量和能谱的影响不是线性的,孔径在1.0mm以上时,增加孔径对电子束能谱和注量的影响比较??;孔间距对电子束的影响也类似,孔间距在15mm以上的时,增加孔间距对电子束的影响不大。 
    (3)使用孔径为1.0mm,孔间距为10mm,厚度为5mm的高纯铝多孔板,能够比较明显地衰减电子束的注量。模拟计算的结果表明,通过多孔板后电子束能谱的变化不明显。 
    (4)采用射程法测量了通过多孔板前后电子束最大能量,测量结果表明,电子束最大能量变化比较小,降低了1.8%,但从深度剂量分布的形状观察,多孔板对电子束的能谱有一定扰动,增加了低能成份。 
    (5)多孔板对电子束辐照均匀性的影响在距板距离近的位置比较大,在距板10cm以上的位置,均匀性已经好于10%,可以用于辐照试验。 
    (6)采用多孔板衰减加速器电子束注量的方法是可行的,多孔板对电子束注量的衰减作用比较明显,对电子束能谱的影响不大。 
    本发明原理: 
    本发明创新点在于设计加工了一种电子强度衰减板,厚度为5mm,板上规则排列着直径1mm,间距10mm的圆钻孔。采用多孔衰减的方法,大幅降低了一个辐射效应模拟辐照加速器的电子束强度。并且在无法用探测器直接测量能谱的情况下,采用蒙特卡罗模拟计算方法和高分辨率新型显色胶片二维剂量分布测量方法,研究了电子束通过此衰减板前后的电子能谱变化、电子通量变化、剂量率的变化和剂量场均匀性情况。研究结果表明,这种多孔衰减的方法,在不改动加速器结构,不影响电子束能谱的情况下,将加速器电子束通量降低了二个数量级以上,电子加速器模拟辐照源剂量率降低到 10rad(Si)/s,满足了国军标对元器件辐照试验剂量率的要求。建成了国内唯一的低通量电子辐射环境模拟辐照装置。 

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    一种 电子 加速器 实现 电子束 低注量 环境 方法
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