多束脈沖作用下韌致輻射轉(zhuǎn)換靶照射量模擬_圖文

1、第44卷第8期原子能科學(xué)技術(shù)Vol.44,No.82010年8月Atomic Energy Science and TechnologyAug.2010多束脈沖作用下韌致輻射轉(zhuǎn)換靶照射量模擬朱雋,禹海軍,謝龍(中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所,四川綿陽(yáng)621900摘要:20MeV 的強(qiáng)流脈沖電子束經(jīng)加速聚焦后轟擊韌致輻射轉(zhuǎn)換靶,在產(chǎn)生脈沖X 光的同時(shí)將大量能量沉積在靶內(nèi),導(dǎo)致靶材迅速膨脹飛散。在多個(gè)束脈沖作用下,后續(xù)脈沖由于靶材密度的降低可能無(wú)法產(chǎn)生足夠的X 光照射量。本文采用Monte 2Carlo 軟件MCNP 以及流體動(dòng)力學(xué)軟件ANSYS AU TOD YN 對(duì)靶材的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及各脈沖

2、所能產(chǎn)生的照射量進(jìn)行了數(shù)值模擬,結(jié)果表明,在3個(gè)間隔500ns 的20MeV 、2kA 、70ns 、束斑1.5mm (FW HM 的電子束脈沖作用下,X 光照射量無(wú)明顯降低。關(guān)鍵詞:脈沖電子束;束靶相互作用;流體動(dòng)力學(xué);ANSYS AU TOD YN:TL503.92文獻(xiàn)標(biāo)志碼:A 文章編號(hào):100026931(20100821003203Simulation of X 2ray Dose Produced by Multi 2pulse Electron BeamImpacting on Bremsstrahlung Conversion T argetZHU J un ,YU Hai 2

3、jun ,XIE Lo ng(China A cadem y of Engineering Physics ,P.O.B ox 9192106,Miany ang 621900,China Abstract :When high 2current p ulse electron beam of 20MeV is focused onto t he brems 2st rahlung conversion target ,high intensity p ulse X 2rays are produced.At t he same time ,a large amount of energy i

4、s deposited into t he target ,which result s in t he target material expansion and blowing off.X 2rays doses may be reduced significantly when multi 2p ulse beam interacting wit h t he conversion target ,because t he density of t he target material decreases during t he beam p ulses.In t he paper ,t

5、 he Monte 2Carlo code MCN P and hydrodynamic code ANS YS AU TOD YN were used to simulate t he hydro 2response of t he target material and t he X 2rays dose of each p ulse.The result s show t hat X 2ray do ses are only slightly reduced when 3p ulses (20MeV ,2kA ,70ns ,spot size 1.5mm (FW HM and 500ns

6、 separation impacting on t he conversion target.收稿日期:2009208219;修回日期:2010203201基金項(xiàng)目:國(guó)防科技基礎(chǔ)研究基金資助項(xiàng)目作者簡(jiǎn)介:朱雋(1981,男,江西景德鎮(zhèn)人,工程師,碩士,核技術(shù)及應(yīng)用專(zhuān)業(yè)K ey w ords :p ulse elect ron beam ;beam 2target interaction ;hydrodynamics ;ANS YS AU TOD YN“神龍一號(hào)”直線(xiàn)感應(yīng)加速器能夠產(chǎn)生能量20MeV 、電流強(qiáng)度2.5kA 、脈沖平頂寬度60ns 、焦斑1.5mm (FW HM 的電子束脈沖,轟

7、擊鉭金屬靶后能夠在靶正前方1m 處產(chǎn)生約0.129C/kg 的照射量,同時(shí)將約8kJ /g 的能量沉積在靶內(nèi),足以導(dǎo)致靶材部分電離,形成的等離子體將迅速膨脹飛散,其軸向速度可達(dá)3mm/s 1。美國(guó)的DA R H T 裝置在1.6s 內(nèi)計(jì)劃有4個(gè)束脈沖依次打到韌致輻射轉(zhuǎn)換靶上2,靶材的迅速膨脹導(dǎo)致密度降低,將可能導(dǎo)致后續(xù)脈沖無(wú)法產(chǎn)生足夠的照射量,而在數(shù)百ns 的脈沖間隔內(nèi)顯然無(wú)法更換靶材3。因此,有必要研究多束脈沖作用下靶材的流體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及對(duì)應(yīng)狀態(tài)能夠產(chǎn)生的照射量。本文模擬研究3個(gè)間隔500ns 的電子束脈沖依次打靶后靶材的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及所能產(chǎn)生的照射量。物理模型主要分為3個(gè)部分:1通過(guò)Mo

8、nte 2Carlo 軟件MCN P 計(jì)算電子束在靶內(nèi)的能量沉積;2將能量沉積作為初始條件輸入流體動(dòng)力學(xué)模擬軟件ANS YS AU TO 2D YN ;3根據(jù)流體動(dòng)力學(xué)模擬中得到的靶材密度采用MCN P 軟件計(jì)算相應(yīng)的照射量。1數(shù)值模型111能量沉積和照射量的計(jì)算模擬中電子束參數(shù)設(shè)定為能量20MeV 、流強(qiáng)2kA 、脈寬70ns 、束斑大小1.5mm (FW HM 、發(fā)射度1500mm mrad 。靶設(shè)定為24mm ×0.05mm 的鉭金屬疊靶,總厚度分為2.4、4.8、12mm 3種情況。總厚度雖不同,但3種疊靶的等效厚度(單位體積內(nèi)靶材質(zhì)量/常溫常壓下靶材線(xiàn)密度均為1.2mm 。

9、疊靶的設(shè)計(jì)思路在于降低電子束的能量沉積密度,進(jìn)而減弱靶材的流體動(dòng)力學(xué)膨脹。本文中采用MCN P 模擬得到靶材等效厚度與照射量的對(duì)應(yīng)關(guān)系曲線(xiàn),根據(jù)該曲線(xiàn)即可得到不同時(shí)刻對(duì)應(yīng)的照射量。112流體動(dòng)力學(xué)模擬靶材的動(dòng)力學(xué)模擬采用ANS YS AU TO 2D YN 軟件進(jìn)行,模擬中采用的是二維軸對(duì)稱(chēng)模型下的Euler 算法,網(wǎng)格取正方形網(wǎng)格,大小為0.01mm 。電子束作用后靶材的狀態(tài)包含從固態(tài)至等離子體態(tài)的各階段,需用多種狀態(tài)方程進(jìn)行描述。本文中鉭的狀態(tài)方程數(shù)據(jù)則取自著名的狀態(tài)方程庫(kù)SESAM E 。模擬中電子束脈沖間隔為500ns ,總模擬時(shí)間為1s ,即第3個(gè)脈沖剛好到達(dá)的時(shí)刻。2數(shù)值模擬結(jié)果與

10、分析MCN P 軟件對(duì)能量沉積的模擬表明,電子束在靶內(nèi)的能量沉積沿徑向基本為與電子束分布一致的高斯分布,沿軸向的分布(圖1隨靶厚度的變化則明顯不同。隨著靶厚度的增加,靶原子對(duì)電子的庫(kù)侖散射導(dǎo)致電子束的束斑尺寸迅速增大,能量沉積密度則迅速降低 。圖1靶心處的能量沉積密度沿軸向的分布Fig.1Energy deposition along axis in target center圖2為模擬得到的3種疊靶在1s 時(shí)刻的動(dòng)力學(xué)響應(yīng), 膨脹的自由面材料密度約為圖21s 時(shí)刻靶材的動(dòng)力學(xué)響應(yīng)Fig.2Hydrodynamic response of target material at 1sa 12mm

11、 ;b 4.8mm ;c 2.4mm4001原子能科學(xué)技術(shù)第44卷10-4g/cm 3。對(duì)12mm 厚的疊靶, 由于后12層靶材的能量沉積密度較低,所以,在1s 時(shí)間尺度內(nèi)基本未產(chǎn)生膨脹。對(duì)于4.8mm 厚的疊靶,在1s 時(shí)刻也仍有2層靶箔基本未產(chǎn)生膨脹。2.4mm 厚的疊靶由于能量沉積密度最高,因此,流體動(dòng)力學(xué)膨脹也最為嚴(yán)重。圖3為第2、3個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻靶材等效厚度沿徑向的分布。由模擬結(jié)果可看出,隨著疊靶總厚度的增加,能量沉積密度降低,流體動(dòng)力學(xué)膨脹減弱,因此,在第2和第3個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻靶材的等效厚度也較高 。圖3第2(a 、3(b 個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻靶材等效厚度沿徑向的分布Fig.3Equiv

12、alent thickness of target material along radial at moment of the second (a and the third (b pulse reaching圖4為鉭靶厚度與照射量的對(duì)應(yīng)關(guān)系。由圖4可看出,當(dāng)靶材等效厚度大于0.4mm 時(shí),照射量隨靶材厚度的降低下降較為緩慢,而當(dāng)靶材等效厚度小于0.4mm 時(shí),照射量隨等效厚度的降低迅速下降。對(duì)照流體動(dòng)力學(xué)的模擬結(jié)果,在3個(gè)脈沖期間靶的等效厚度均處于如圖4所示曲線(xiàn)的平頂部分,因此在3個(gè)脈沖期間的X 光照射量不會(huì)產(chǎn)生明顯下降 。圖4靶厚與照射量的對(duì)應(yīng)關(guān)系Fig.4Target thicknes

13、s versus dose at 1m3結(jié)論本文結(jié)合Monte 2Carlo 軟件MCN P 以及流體動(dòng)力學(xué)軟件ANS YS AU TOD YN 對(duì)多束脈沖作用下鉭疊靶的流體動(dòng)力學(xué)響應(yīng)以及各脈沖所能產(chǎn)生的X 光照射量進(jìn)行了數(shù)值模擬分析。結(jié)果表明,對(duì)于等效厚度為1.2mm 的鉭疊靶,雖在第3個(gè)脈沖到達(dá)時(shí)刻靶材的等效厚度有明顯的降低,但在靶正前方1m 處X 光的照射量不會(huì)產(chǎn)生明顯下降。參考文獻(xiàn):1朱雋,章林文,龍繼東,等.強(qiáng)流脈沖電子束轟擊下回噴靶材速度測(cè)量與數(shù)值模擬J .強(qiáng)激光與粒子束,2005,17(4:5992602.ZHU J un ,ZHAN G Linwen ,LON G Jidong

14、 ,et al.Measurement and simulation of the back 2ejecta of tantalum target material impacted by high inten 2sity current pulse electron beamJ .High Power Laser and Particle Beams ,2005,17(4:5992602(in Chinese .2PINCOSY P A ,BAC K N ,B ER GSTROM P M ,et al.Multiple pulse electron beam converter de 2sign for high power radiography J .Review of Scientific Instrument ,2