多束脉冲作用下韧致辐射转换靶照射量模拟_图文

1、第44卷第8期原子能科学技术Vol.44,No.82010年8月Atomic Energy Science and TechnologyAug.2010多束脉冲作用下韧致辐射转换靶照射量模拟朱隽,禹海军,谢龙(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900摘要:20MeV 的强流脉冲电子束经加速聚焦后轰击韧致辐射转换靶,在产生脉冲X 光的同时将大量能量沉积在靶内,导致靶材迅速膨胀飞散。在多个束脉冲作用下,后续脉冲由于靶材密度的降低可能无法产生足够的X 光照射量。本文采用Monte 2Carlo 软件MCNP 以及流体动力学软件ANSYS AU TOD YN 对靶材的动力学响应以及各脉冲

2、所能产生的照射量进行了数值模拟,结果表明,在3个间隔500ns 的20MeV 、2kA 、70ns 、束斑1.5mm (FW HM 的电子束脉冲作用下,X 光照射量无明显降低。关键词:脉冲电子束;束靶相互作用;流体动力学;ANSYS AU TOD YN:TL503.92文献标志码:A 文章编号: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基金项目:国防科技基础研究基金资助项目作者简介:朱隽(1981,男,江西景德镇人,工程师,硕士,核技术及应用专业K ey w ords :p ulse elect ron beam ;beam 2target interaction ;hydrodynamics ;ANS YS AU TOD YN“神龙一号”直线感应加速器能够产生能量20MeV 、电流强度2.5kA 、脉冲平顶宽度60ns 、焦斑1.5mm (FW HM 的电子束脉冲,轰

7、击钽金属靶后能够在靶正前方1m 处产生约0.129C/kg 的照射量,同时将约8kJ /g 的能量沉积在靶内,足以导致靶材部分电离,形成的等离子体将迅速膨胀飞散,其轴向速度可达3mm/s 1。美国的DA R H T 装置在1.6s 内计划有4个束脉冲依次打到韧致辐射转换靶上2,靶材的迅速膨胀导致密度降低,将可能导致后续脉冲无法产生足够的照射量,而在数百ns 的脉冲间隔内显然无法更换靶材3。因此,有必要研究多束脉冲作用下靶材的流体动力学响应以及对应状态能够产生的照射量。本文模拟研究3个间隔500ns 的电子束脉冲依次打靶后靶材的动力学响应以及所能产生的照射量。物理模型主要分为3个部分:1通过Mo

8、nte 2Carlo 软件MCN P 计算电子束在靶内的能量沉积;2将能量沉积作为初始条件输入流体动力学模拟软件ANS YS AU TO 2D YN ;3根据流体动力学模拟中得到的靶材密度采用MCN P 软件计算相应的照射量。1数值模型111能量沉积和照射量的计算模拟中电子束参数设定为能量20MeV 、流强2kA 、脉宽70ns 、束斑大小1.5mm (FW HM 、发射度1500mm mrad 。靶设定为24mm ×0.05mm 的钽金属叠靶,总厚度分为2.4、4.8、12mm 3种情况。总厚度虽不同,但3种叠靶的等效厚度(单位体积内靶材质量/常温常压下靶材线密度均为1.2mm 。

9、叠靶的设计思路在于降低电子束的能量沉积密度,进而减弱靶材的流体动力学膨胀。本文中采用MCN P 模拟得到靶材等效厚度与照射量的对应关系曲线,根据该曲线即可得到不同时刻对应的照射量。112流体动力学模拟靶材的动力学模拟采用ANS YS AU TO 2D YN 软件进行,模拟中采用的是二维轴对称模型下的Euler 算法,网格取正方形网格,大小为0.01mm 。电子束作用后靶材的状态包含从固态至等离子体态的各阶段,需用多种状态方程进行描述。本文中钽的状态方程数据则取自著名的状态方程库SESAM E 。模拟中电子束脉冲间隔为500ns ,总模拟时间为1s ,即第3个脉冲刚好到达的时刻。2数值模拟结果与

10、分析MCN P 软件对能量沉积的模拟表明,电子束在靶内的能量沉积沿径向基本为与电子束分布一致的高斯分布,沿轴向的分布(图1随靶厚度的变化则明显不同。随着靶厚度的增加,靶原子对电子的库仑散射导致电子束的束斑尺寸迅速增大,能量沉积密度则迅速降低 。图1靶心处的能量沉积密度沿轴向的分布Fig.1Energy deposition along axis in target center图2为模拟得到的3种叠靶在1s 时刻的动力学响应, 膨胀的自由面材料密度约为图21s 时刻靶材的动力学响应Fig.2Hydrodynamic response of target material at 1sa 12mm

11、 ;b 4.8mm ;c 2.4mm4001原子能科学技术第44卷10-4g/cm 3。对12mm 厚的叠靶, 由于后12层靶材的能量沉积密度较低,所以,在1s 时间尺度内基本未产生膨胀。对于4.8mm 厚的叠靶,在1s 时刻也仍有2层靶箔基本未产生膨胀。2.4mm 厚的叠靶由于能量沉积密度最高,因此,流体动力学膨胀也最为严重。图3为第2、3个脉冲到达时刻靶材等效厚度沿径向的分布。由模拟结果可看出,随着叠靶总厚度的增加,能量沉积密度降低,流体动力学膨胀减弱,因此,在第2和第3个脉冲到达时刻靶材的等效厚度也较高 。图3第2(a 、3(b 个脉冲到达时刻靶材等效厚度沿径向的分布Fig.3Equiv

12、alent thickness of target material along radial at moment of the second (a and the third (b pulse reaching图4为钽靶厚度与照射量的对应关系。由图4可看出,当靶材等效厚度大于0.4mm 时,照射量随靶材厚度的降低下降较为缓慢,而当靶材等效厚度小于0.4mm 时,照射量随等效厚度的降低迅速下降。对照流体动力学的模拟结果,在3个脉冲期间靶的等效厚度均处于如图4所示曲线的平顶部分,因此在3个脉冲期间的X 光照射量不会产生明显下降 。图4靶厚与照射量的对应关系Fig.4Target thicknes

13、s versus dose at 1m3结论本文结合Monte 2Carlo 软件MCN P 以及流体动力学软件ANS YS AU TOD YN 对多束脉冲作用下钽叠靶的流体动力学响应以及各脉冲所能产生的X 光照射量进行了数值模拟分析。结果表明,对于等效厚度为1.2mm 的钽叠靶,虽在第3个脉冲到达时刻靶材的等效厚度有明显的降低,但在靶正前方1m 处X 光的照射量不会产生明显下降。参考文献:1朱隽,章林文,龙继东,等.强流脉冲电子束轰击下回喷靶材速度测量与数值模拟J .强激光与粒子束,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