李進璽，吳偉，郭景海，劉逸飛，趙墨，馬良，程引會

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室,西安710024)

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“閃光二號”環(huán)境中系統(tǒng)電磁脈沖計算模型的驗證

李進璽，吳偉，郭景海，劉逸飛，趙墨，馬良，程引會

(西北核技術(shù)研究所,西安710024;強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室,西安710024)

以“閃光二號”加速器硬X射線為輻照源，對腔體內(nèi)系統(tǒng)電磁脈沖(system generated electromagnetic pulse，SGEMP)磁場環(huán)境的驗證方法進行了研究。根據(jù)測量的“閃光二號”二極管的電壓、電流，模擬了發(fā)射電子束能譜參數(shù)；結(jié)合輻射靶物理設計，建立了二極管陽極靶蒙特卡羅粒子輸運計算模型，模擬了軔致輻射X射線場參數(shù)；采用時域有限差分(finite difference time domain method,FDTD)和粒子模擬(particle in cell,PIC)方法，模擬了該射線環(huán)境中的腔體SGEMP磁場環(huán)境；將軔致輻射X射線參數(shù)及腔體SGEMP磁場環(huán)境的模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明：從X射線源參數(shù)模擬開始的腔體內(nèi)SGEMP數(shù)值模擬計算模型的實驗驗證方法是合理可行的。

閃光二號；系統(tǒng)電磁脈沖；粒子輸運；粒子模擬；驗證

脈沖X射線或γ射線與電子系統(tǒng)中的材料作用后產(chǎn)生的系統(tǒng)電磁脈沖(system generated electromagnetic pulse，SGEMP)綜合環(huán)境，是電磁脈沖效應研究的重要內(nèi)容之一，而SGEMP綜合環(huán)境研究是效應研究的基礎(chǔ)和前提。利用高功率電子束加速器產(chǎn)生強流脈沖電子束并使之與高原子序數(shù)物質(zhì)作用產(chǎn)生軔致輻射，能夠在實驗室中產(chǎn)生脈沖硬X射線，該射線與腔體材料作用后會產(chǎn)生大量的發(fā)射電子，導致腔體結(jié)構(gòu)的電荷平衡被破壞，發(fā)射電子的運動和腔體結(jié)構(gòu)電荷的再平衡過程會在腔體系統(tǒng)空間激發(fā)出電磁脈沖。由于該電磁脈沖的特性與系統(tǒng)結(jié)構(gòu)密切相關(guān)，因此，被稱為SGEMP。SGEMP綜合環(huán)境包括透射X或γ射線、前向電子和SGEMP電磁場環(huán)境[1]。

對于脈沖X射線參數(shù)環(huán)境研究，文獻[2-6]分別從軔致輻射X射線產(chǎn)生機理、軔致輻射靶結(jié)構(gòu)設計、輻射場特性、X射線能譜測量等方面進行了研究；對于SGEMP環(huán)境的數(shù)值模擬，文獻[7-9]分別從X射線注量、能譜、X射線入射方向等對數(shù)值模擬方法和綜合環(huán)境規(guī)律的影響方面進行了研究；文獻[10]以西北核技術(shù)研究所DPF模擬裝置的X射線參數(shù)為輸入，在二維坐標系下，采用粒子模擬的方法，對圓柱殼體內(nèi)的SGEMP環(huán)境進行了研究。

文獻[7-10]只研究了SGEMP電磁脈沖環(huán)境，進行的SGEMP規(guī)律研究，并不包含從陰極靶電子發(fā)射開始到系統(tǒng)內(nèi)SGEMP綜合環(huán)境的物理過程模擬，也沒有對數(shù)值模擬結(jié)果進行實驗驗證。本文在文獻[1，2，8]工作的基礎(chǔ)上，以西北核技術(shù)研究所“閃光二號”加速器為輻照源，以加速器二極管電壓、電流測量波形為輸入?yún)?shù)，采用蒙特卡羅粒子輸運方法、粒子模擬(particle in cell,PIC)方法和時域有限差分(finite difference time domain method,FDTD)方法對腔體內(nèi)SGEMP磁場環(huán)境計算模型和計算結(jié)果的實驗驗證方法進行了研究。

1研究思路

實驗室中，利用加速器研究SGEMP時，加速器二極管的電壓、電流、軔致輻射X射線能譜及其注量、SGEMP場環(huán)境均可測量。

數(shù)值模擬SGEMP過程：1)利用加速器二極管的電壓、電流計算得到陰極靶發(fā)射電子束參數(shù)，結(jié)合陽極靶材料和結(jié)構(gòu)，采用蒙特卡羅粒子輸運方法，計算得到軔致輻射X射線參數(shù)；2)以計算得到的X射線參數(shù)為輻照源，結(jié)合腔體結(jié)構(gòu)和材料參數(shù)，計算得到X射線與材料作用后的發(fā)射光電子參數(shù)；3)光電子運動產(chǎn)生的電流源作為麥克斯韋方程中的激勵項，采用PIC方法和FDTD對腔體內(nèi)的SGEMP電磁場環(huán)境進行數(shù)值模擬。

通過比較軔致輻射X射線能譜、注量及SGEMP場環(huán)境的數(shù)值模擬結(jié)果與測量結(jié)果，可對數(shù)值模擬過程中采用的計算模型和計算方法進行檢驗。

2數(shù)值模擬結(jié)果與實驗結(jié)果的比較

2.1腔體模型

計算模型截面，如圖1所示。腔體內(nèi)部氣壓為5×10-3Pa；入射面尺寸為120 mm×120 mm，腔體高106 mm；腔體壁材料為不銹鋼；為了增大前向光電子產(chǎn)額，入射面采用厚度為1 mm的銅板；為了減小腔體底面的后向光電子產(chǎn)額，底面采用厚度為3 mm的石墨。圖1中，X射線入射面為xoy平面，z向為腔體軸向。實驗中，腔體結(jié)構(gòu)參數(shù)與計算模型中的參數(shù)一致。

圖1計算模型截面Fig.1Geometry model of cavity

2.2電子束及X射線參數(shù)

利用加速器二極管的脈沖電壓、電流在時間上的對應關(guān)系可以換算得到電子能譜[2]。圖2、圖3分別給出了測量獲得的“閃光二號”加速器二極管的電壓、電流波形及計算獲得的電子束能譜。

圖2二極管輸出的電壓、電流波形Fig.2Current and voltage of diodes

圖3二極管電子能譜Fig.3Electron energy spectrum of diode

軔致輻射轉(zhuǎn)換靶采用薄靶設計，使電子軔致輻射產(chǎn)生能量較低的X射線，透射出靶，在靶后采用電子吸收能力較強、X射線吸收較弱的輕材料過濾透射電子，以降低X射線場中的電子份額。根據(jù)模擬計算結(jié)果和實驗設計要求[1-3]，建立了MCNP計算模型，如圖4所示。模型中各部分材料參數(shù)為d1=23 μm，鉭；d2=3 mm，有機玻璃；d3=5 cm，真空；d4=1 cm，有機玻璃；d5=30 cm，空氣；θ為電子入射角；p1至p5為截面位置。

圖4輻射靶計算模型Fig.4Simulation model of target

圖5、圖6分別給出了模擬得到的p2、p3、p4、p5截面位置處的X射線波形和透射電子譜。由圖5、圖6可知，p5截面位置處光子與電子數(shù)之比為4×103，能量之比為5×103，d4段有機玻璃有效地過濾了透射電子，因此，腔體內(nèi)SGEMP環(huán)境主要由X射線產(chǎn)生。

圖5不同截面位置處X射線能譜波形Fig.5Energy spectrums of X-ray at different surfaces

圖6不同截面位置處電子能譜波形Fig.6Energy spectrums of electron at different surfaces

圖7給出了p5截面上不同角度的光子數(shù)，圖8給出了p4、p5截面之間距離截面p4不同位置時的X射線總能量，圖9為計算和實測的X射線歸一化能譜[2]，圖10為實測的X射線歸一化光電流信號。

由圖7可知，出射X射線主要分布在0°～35°之間，20°時達到最大；由圖8、圖9可知，計算得到X射線的平均能量為108 keV，120 keV以下的光子能量占總光子能量的65%；實測X射線平均能量為121 keV，120 keV以下的光子能量占總光子能量的58%。根據(jù)X射線劑量、能量和注量的關(guān)系，計算得到X射線在400 cm2上的能量為23 mJ?？紤]到測量誤差[6]，計算結(jié)果與實驗結(jié)果符合得較好。

圖7不同角度的光子數(shù)分布Fig.7Photon distribution at different angles on surface p5

圖8不同截面位置處X射線總能量Fig.8Total energy of X-ray at different surfaces

圖9X射線歸一化能譜Fig.9Normalized energy spectrums of X-ray

圖10X射線歸一化光電流信號Fig.10Normalized current spectrum of X-ray

2.3SGEMP磁場環(huán)境

數(shù)值模擬中，腔體模型及坐標系設置，如圖1所示，X射線能譜參數(shù)采用圖9中的計算結(jié)果；X射線入射方向按照圖7中的光子發(fā)射角度分布考慮，時間波形采用與圖10脈沖寬度一致的高斯脈沖。采用FDTD方法和PIC方法對該射線環(huán)境中腔體SGEMP磁場環(huán)境進行了模擬[1,8]。

圖11給出了測量系統(tǒng)在“閃光二號”環(huán)境中的輻照本底波形，它是輻射電子、X射線以及環(huán)境電磁場對系統(tǒng)響應的綜合反映，該本底會疊加在磁場測量結(jié)果中。

圖11本底波形Fig.11Background waveform

圖12給出了(60 mm,119.5 mm,14 mm)位置腔體壁附近切向磁場模擬結(jié)果與測量結(jié)果的比較。

圖12磁場波形Fig.12Waveforms of H-field

由圖12可知，測量得到的腔體內(nèi)磁場波形和計算結(jié)果兩者的脈沖寬度符合較好，與X射線時間波形脈沖寬度一致；該點磁場計算峰值Hcp為-5.72 A·m-1，測量峰值Hmp為-8.50 A·m-1，計算峰值與測量峰值之比M為

由以上可知，計算結(jié)果與測量結(jié)果符合得較好。

3結(jié)論

以加速器二極管的電壓、電流為輸入?yún)?shù)，結(jié)合軔致輻射靶和腔體物理結(jié)構(gòu)參數(shù)，采用蒙特卡羅粒子輸運方法、PIC方法和FDTD方法對腔體內(nèi)SGEMP綜合環(huán)境進行了數(shù)值模擬，并將模擬結(jié)果與實驗結(jié)果進行了比較。結(jié)果表明：有機玻璃可以有效地過濾軔致輻射環(huán)境中的透射電子，腔體內(nèi)的SGEMP環(huán)境主要由X射線產(chǎn)生；數(shù)值模擬得到的X射線平均能量以及120 keV以下的光子能量份額與測量結(jié)果較為一致；測量得到的腔體內(nèi)磁場波形和模擬計算磁場波形的脈沖寬度符合較好，兩者峰值之比為3.44 dB。因此，從X射線源參數(shù)模擬開始的腔體內(nèi)SGEMP數(shù)值模擬計算模型的實驗驗證方法是合理可行的，同時，模擬過程和結(jié)果也可以為實驗設計提供依據(jù)。

[1]李進璽, 程引會, 吳偉, 等. 系統(tǒng)電磁脈沖綜合環(huán)境中導線響應的計算[J]. 強激光與粒子束, 2010, 22(7): 1 615-1 618. (LI Jin-xi, CHENG Yin-hui, WU Wei, et al. Calculation of wires responses caused by SGEMP comprehensive environments[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2010, 22(7): 1 615-1 618.)

[2]李進璽, 吳偉, 來定國, 等. 電子束與復合靶作用后輻射特性的數(shù)值模擬[J]. 原子能科學技術(shù), 2014, 48(3): 506-511. (LI Jin-xi, WU Wei, LAI Ding-guo, et al. Numerical simulation on radiation characteristics of composite targets[J]. Atomic Energy Science and Technology, 2014, 48(3): 506-511.)

[3]來定國, 張永民, 李進璽, 等. 強流電子束軔致輻射復合薄靶設計[J]. 強激光與離子束,2013, 25(6): 1 396-1 400. (LAI Ding-guo, ZHANG Yong-min, LI Jin-xi, et al. Design of bremsstrahlung composite thin converter for high current electron beams[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2013, 25(6): 1 396-1 400.)

[4]蒯斌, 邱愛慈, 王亮平, 等. 強脈沖超硬X射線產(chǎn)生技術(shù)研究[J]. 強激光與粒子束, 2005, 17(11): 1 739-1 743. (KUAI Bin, QIU Ai-ci, WANG Liang-ping, et al. Generation of intense pulsed super hard X-ray[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2005 , 17(11): 1 739-1 743.)

[5]全林, 張永民, 屠荊, 等. 強流二極管產(chǎn)生脈沖X射線能譜場穩(wěn)定性研究[J]. 強激光與離子束, 2006, 18(2): 317-320. (QUAN Lin, ZHANG Yong-min, TU Jing, et al. Stability of pulse X-ray spectrum field generated by intense diode[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2006, 18(2): 317-320.)

[6]蘇兆鋒, 楊海亮, 邱愛慈, 等. 高能脈沖X射線能譜測量[J]. 物理學報, 2010, 59(11): 7 729-7 735. (SU Zhao-feng, YANG Hai-liang, QIU Ai-ci, et al. Measurements of energy spectra for high energy pulsed X-ray[J]. Acta Physica Sinica, 2010, 59(11): 7 729-7 735.)

[7]周輝, 李寶忠, 王立君, 等. 不同注量X射線系統(tǒng)電磁脈沖響應的數(shù)值計算[J]. 計算物理, 1999, 16(2): 157-161. (ZHOU Hui, LI Bao-zhong, WANG Li-jun, et al. The calculation of SGEMP response in various ranges of X-ray fluence[J]. Chinese Journal of Computational Physic, 1999, 16(2): 157-161.)

[8]程引會, 周輝, 李寶忠, 等. 光電子發(fā)射引起的柱腔內(nèi)系統(tǒng)電磁脈沖的模擬[J]. 強激光與粒子束, 2004, 16(8): 1 029-1 032. (CHENG Yin-hui, ZHOU Hui, LI Bao-zhong, et al. Simulation of system-generated electromagnetic pulse caused by emitted photoelectron in cavity[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2004, 16(8): 1 029-1 032.)

[9]馬良, 程引會, 吳偉, 等. 腔體系統(tǒng)電磁脈沖模擬中的電子發(fā)射面[J]. 強激光與粒子束, 2012, 24(12): 2 915-2 919. (MA Liang, CHENG Yin-hui, WU Wei, et al. Electron emission boundary in cavity system generate electromagnetic pulse simulation[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2012, 24(12): 2 915-2 919.)

[10]王立君, 周輝, 程引會, 等. 利用DPF模擬SGEMP效應的數(shù)值計算結(jié)果分析[J]. 核電子學與探測器技術(shù), 1999, 19(1): 47-54. (WANG Li-jun, ZHOU Hui, CHENG Yin-hui, et al. Analysis on numerical compute results of SGEMP effects simulation with DPF[J]. Nuclear Electronics & Detection Technology, 1999, 19(1): 47-54.)

Verification of Numerical Simulation Model for SGEMP Generated in Flash-Ⅱ Accelerator Environment

LI Jin-xi,WU Wei,GUO Jing-hai,LIU Yi-fei,ZHAO Mo,MA Liang,CHENG Yin-hui

(Northwest Institute of Nuclear Technology,Xi’an710024,China;State Key Laboratory of Intense Pulsed Radiation Simulation and Effect,Xi’an710024,China)

A method was introduced to verify the numerical simulation model for the system generated electromagnetic pulse (SGEMP) produced in Flash-Ⅱ accelerator environment. First, the electron energy distribution was calculated using the measured diode current and voltage. Second, based on the calculated results and engineering conditions, a Monte Carlo bremsstrahlung simulation model was designed, and the characteristics of X-ray spectrum of Flash-Ⅱ accelerator were calculated. Then, the SGEMP environment in a cavity was simulated with FDTD and PIC methods. Finally, the simulated X-ray characteristics and magnetic field were compared with the measured results, they agreed well with each other. So the method in this paper is an effective way to verify the numerical simulation model for SGEMP.

Flash-II accelerator;system generated electromagnetic pulse;particle transport;particle in cell;verification

2016-02-25；

2016-06-10

李進璽(1978- )，男，甘肅白銀人，副研究員，碩士，主要從事電磁脈沖效應研究。

E-mail：lijinxi@nint.ac.cn

TL501；O482.7

A

2095-6223(2016)030503(5)