辐射伏特效应同位素电池换能单元设计及其性能测试

以单晶硅基结型器件为基础,探讨其结构与辐射作用下电输出性能的关系,为辐射伏特效应同位素电池换能单元(PN结)设计提供依据。设计制作了两种可作为同位素电池换能单元用的单晶硅半导体PN结型器件,使用63Ni源辐照这些器件并测量其电输出性能。结果表明,新设计的器件具有比原器件更大的开路电压、输出功率和能量转换效率。     

GaN与Si器件作为辐伏电池换能单元性能比较

利用63Ni和3H源等分别辐照两种可作为辐伏电池换能单元的GaN基和Si基PiN结型器件,比较了他们的输出电性能结果,以及两种器件的温度、辐照性能等。结果表明,GaN器件开路电压Voc比Si基器件有非常明显的提高,而短路电流Isc有较大下降;GaN基结型器件在高温和高能辐照条件下的性能比Si基结型器件有较大优势。     

电子束与复合靶作用后辐射特性的数值模拟

建立了复合靶的蒙特卡罗粒子输运计算模型,以“闪光二号”加速器为电子束源,模拟了电子和光子在不同材料中的输运规律,研究了钽和聚乙烯组成的复合阳极靶对辐射X射线场的影响。模拟结果表明：随着钽厚度的增加,辐射X射线平均能量增大,能量转换效率先增大后减小;聚乙烯可明显减小辐射场中的电子份额。当钽和聚乙烯的厚度分别取20 μm、3 mm时,辐射场中平均光子能量为102.68 keV;光子总能量为88.62 J,远大于电子总能量0.02 J;X射线能量转换效率为0.57%。根据数值模拟结果和实验条件设计了复合靶,计算和测得的X射线平均能量分别为108和121 keV,二者符合得较好。     

氚/单晶硅器件辐伏电池模型及样机的长期稳定性研究

采用氚化钛源原位辐照和加速器低能电子束加速辐照实验,研究基于氚化钛/单晶硅PN结器件的氚辐伏电池模型和实验室组阵型电池原型样机的长期稳定性。测试电池模型和电池样机的氚辐伏输出随辐照时间的变化,分析辐照对单晶硅PN结型器件的本征暗特性和器件表面层材料缺陷的影响。结果表明,氚化钛源原位辐照电池模型在115 d的辐照中辐伏输出没有明显的衰减,辐照后单晶硅器件的本征暗特性曲线变化微小。电池模型的加速器低能电子束加速辐照实验表明,加速辐照在相同电子注量下对电池造成远大于氚源原位辐照的性能损伤,但损伤仅在辐照最初期快速产生,随后基本保持稳定,电子顺磁能谱（ESR）测试加速辐照60 min单晶硅器件材料的缺陷没有明显增加。组阵型实验室电池原型样机在64个月的室温储存中,基本单元的辐伏输出性能衰减比氚的自发衰变衰减有小幅增大,增大幅度小于11.4%;另外,组阵中单元之间串并联电连接有部分失效,这是后续应重点关注的问题。     

高压型低能大功率辐照加速器电子枪研制

低能大功率辐照加速器广泛用于辐照加工产业。本工作研制出一台二极电子枪作为高压型低能大功率辐照加速器的电子源,并通过出束实验对其加以优化,最后确定了二极电子枪的最佳结构、尺寸及运行参数等。结果表明,从电子枪引出电子束的能量为5~25 keV,流强为60~100 mA,束斑为15~30 mm,半散角为0.6°~1.6°,不稳定度好于±0.6%。该电子枪工作稳定,寿命长于5 000 h。     

中子辐照后镍靶件中63Ni分离提纯技术研究

63Ni是通过在反应堆中子辐照62Ni而产生的,产生的63Ni再经过分离提纯,制成高纯63NiCl₂溶液。以在高通量工程试验堆内辐照逾30 a的镍靶件为实验对象,采用ZGANR170核级阴离子树脂对辐照后镍靶件溶解液中的63Ni进行提纯,最终得到高纯度的63NiCl₂溶液产品。详细介绍了分离提纯原理、热实验分离步骤和最佳分离条件。酸度对分离的影响实验研究表明,当HCl浓度大于等于9 mol/L时才能获得了良好的分离效果。镍纯化过程对γ核素的去污系数为2.33×103,63NiCl₂产品核纯度大于99.9%。辐照后镍靶件经溶解、体系转换、分离提纯全流程63Ni的回收率为86.5%。      

采用高能电子束辐照技术制造高反压大功率开关晶体管

应用最佳能量为１２ＭｅＶ的电子束对大功率开关晶体管进行了辐照。结果表明,经电子束辐照的开关晶体管具有开关特性优良、热稳定性高、器件参数一致性好等特点。     

不同能量和注量电子辐照对InP HEMT材料电学特性影响

本文采用气态源分子束外延法(GSMBE)制备了匹配型InGaAs/InAlAs磷化铟基高电子迁移率器件(InP HEMT)外延结构材料。针对该外延结构材料开展了不同能量和注量电子束辐照试验,测试了InP HEMT外延结构材料二维电子气（2DEG）辐照前后的电学特性,获得了辐照前后InP HEMT外延材料二维电子气浓度和迁移率归一化退化规律,分析了不同能量和注量电子束辐照对外延材料电学特性的影响。结果发现：在相同辐照注量2×1015 cm-2条件下,电子束辐照能量越高,InP HEMT外延材料电学特性退化越严重;15 MeV电子束辐照时,当辐照注量超过4×1014 cm-2后,外延材料电学特性开始明显退化,当电子辐照注量达到3×1015 cm-2后,外延材料电学特性退化趋势减弱趋于饱和。产生上述现象原因如下：电子束与材料晶格发生能量传递,产生非电离能损(NIEL),破坏晶格完整性,高能量电子束具有较高的非电离能损,会产生更多的位移损伤缺陷,导致InP HEMT外延材料电学特性更严重退化;InP HEMT外延材料电学特性主要受沟道InGaAs/InAlAs异质界面能带结构和各种散射过程影响,随着电子辐照注量的增加,位移损伤剂量增大,辐射损伤诱导缺陷会在沟道异质界面处集聚直至饱和。     

电子束辐照处理模拟甲苯废气实验研究

以甲苯作为挥发性有机化合物的代表物质,在800keV电子束的辐照下,模拟甲苯废气的气量在0.5—1.2m3/h范围内,研究了甲苯初始质量浓度为1600—4630mg/m3时吸收剂量、甲苯初始浓度和湿度对于甲苯分解效率的影响。实验结果表明,电子束辐照可有效去除甲苯,甲苯初始质量浓度为1600mg/m3,辐照10kGy和40kGy,甲苯去除率分别为46.5%和72.2%;增加湿度也可提高甲苯去除率。用气相色谱-质谱仪(GC-MS)和离子色谱仪(IC)定性研究了辐解产物。甲苯辐解产物比较复杂,主要含有苯甲醛、甲酸等物质。也探讨了电子束辐照处理甲苯气体的主要机理,讨论了O2和.OH对于电子束辐照分解甲苯中的重要作用。     

基于63Ni辐伏同位素电池原型封装可靠性研究

以加载有63Ni源片的GD3217Y型探测器为处理件，在完成对封装材料的配方选择、灌注工艺、流程的制定并得到具有较好工艺性的灌注条件的基础上，分别对原件、加载不锈钢圆片器件、加载电镀814×107Bq63Ni不锈钢圆片器件进行非放、放射灌注封装。在对灌件可靠性进行检测的基础上，着重考察了原件、无/加载不锈钢圆片灌件、加载电镀814×107Bq63Ni不锈钢圆片灌件封装前后、自然老化及人工加速老化后电学输出特性，即考察在63Ni源持续辐照下，灌料、63Ni源、不锈钢片、芯片以及其他部件构成的体系内部之间相互作用关系，即封装件特殊要求——屏蔽性、时效性。研究结果表明，对以上结构的GD3217Y型探测器组件采用该种封装方式后除改善探测器组件的环境适应性，特别是在保证放射源使用安全性的基础上具有较为稳定的电学输出性能，这为辐伏效应同位素电池封装提供了参考。     

Radiation damage (blistering) in Al,Cu, Si by exposure to a plasma focus discharge

Plates of Al, Cu (polycrystalline) and Si (monocrystal) have been irradiated with beams of D⁺ ions (keV to MeV) and other radiation by exposure to a single discharge of a 5–10-kJ Plasma Focus in deuterium. Scanning electron microscope and elemental X-ray energy dispersive analysis are used for diagnostics. The nonuniformity of the ion beam causes a nonuniform damage with formation of clusters of blisters. A statistical analysis of blister parameters (diameter and skin thickness) is used to investigate the internal structure of a deuteron beam ejected from the plasma. The value K ～ 10–20 keV is obtained as the typical ion energy for the bulk of the deuterons and an ion energy E ～ 200–230 keV is typical for individual ion groups (ion strings) forming the high-energy deuteron beam.     

Experimental results from a beam direct converter at 100 kV

A direct-energy converter was developed for use on neutral-beam injectors. The purpose of the converter is to raise the efficiency of the injector by recovering the portion of the ion beam not converted to neutrals. In addition to increasing the power efficiency, direct conversion reduces the requirements on power supplies and eases the beam dump problem. The converter was tested at Lawrence Berkeley Laboratory on a reduced-area version of a neutral-beam injector developed for use on the Tokamak Fusion Test Reactor at Princeton. The conversion efficiency of the total ion power was 65 ±7% at the beginning of the pulse, decaying to just over 50% by the end of the 0.6-s pulse. Once the electrode surfaces were conditioned, the decay was due to the rise in pressure of only the beam gas and not to outgassing. The direct converter was tested with 1.7 A of hydrogen ions and with 1.5 A of helium ions through the aperture with similar efficiencies. At the midplane through the beam, the line power density was 0.7 MW/m, for comparison with our calculations of slab beams and the prediction of 2–4 MW/m in some reactor studies. Over 98 kV was developed at the ion collector when the beam energy was 100 keV. When electrons were suppressed magnetically, rather than electrostatically, the efficiency dropped to 40%. However, a better designed electron catcher could improve this efficiency. New electrode material released gas (mostly H₂ and CO) in amounts that exceeded the input of primary gas from the beam. The electrodes were all made of 0.51-mm-thick molybdenum cooled only by radiation. This allowed the heating by the beam to outgas the electrodes and for them to stay hot enough to avoid the reabsorption of gas between shots. By minor redesign of the electrodes, adding cryopanels near the electrodes, and grounding the ion source, these results extrapolate with high confidence to an efficiency of 70–80% at a power density of 2–4 MW/m. Higher power may be possible with magnetic electron suppression.     

脉冲离子束轰击靶的热效应数值模拟

分析了脉冲离子轰击靶膜和衬底的热效应,在能量较低的情形下,离子轰击处理为靶膜表面热流输入。采用有限元程序,对能量为600keV、束流为12mA的不同束斑半径的脉冲离子流轰击Cu基Ti靶的热传导进行了数值计算,得到了热传导清晰物理图象。     

四路并联二极管辐射X射线场参数计算

利用二极管的电压、电流计算了发射电子束能谱参数,建立了四路并联二极管阳极靶蒙特卡罗粒子输运计算模型,给出了辐射X射线场参数;将四路并联二极管的每个二极管划分为若干小单元,将其作为点源,采用数值积分的方法计算了辐射X射线剂量分布,并分析了空间不同位置处每路二极管对剂量的贡献。结果表明:真空中,距离四路并联二极管阳极靶5cm位置处,X射线注量为3.55mJ/cm2,光子平均能量为62.18keV,120keV以下的光子占辐射X射线谱总能量的81.84%,电子束转换效率为0.30%;在2 700cm2范围内,中轴线和对角线上的剂量均匀性分别为3.20和6.31;在2 000cm2范围内,中轴线和对角线上的剂量均匀性均小于2。     

电子能量损失谱仪用中高能电子枪的研制

研制了一台电子能量损失谱仪用的中高能电子枪。其产生的电子与原子、分子发生碰撞,通过谱仪收集、分析散射电子的动量和能量,可以获得靶的电子结构和碰撞动力学信息。该电子枪结构简单,由热阴极、栅极、阳极、聚焦极和偏转板组成;电子能量可调范围大(1-3 keV),操作简单。为了获得最优的束流条件,利用SIMION电子光学软件模拟了电子发射源大小和初始发散角对靶点处的束斑大小和束流发散角的影响。在电子能量为1.5 keV条件下,实验检验给出在离电子枪出口27 mm处可获得束径约为0.95 mm、束流发散角约0.93°和束流强度6.27mA的电子束,满足电子能量损失谱仪的使用要求。     

Development of a radiographic method for measuring the discrete spectrum of the electron beam from a plasma focus device

An indirect method is proposed for measuring the relative energy spectrum of the pulsed electron beam of a plasma focus device. The Bremsstrahlung x-ray, generated by the collision of electrons against the anode surface, was measured behind lead filters with various thicknesses using a radiographic film system. A matrix equation was considered in order to explain the relation between the x-ray dose and the spectral amplitudes of the electron beam. The electron spectrum of the device was measured at 0.6 mbar argon and 22 k V charging voltage, in four discrete energy intervals extending up to 500 ke V. The results of the experiments show that most of the electrons are emitted in the 125–375 ke V energy range and the spectral amplitude becomes negligible beyond 375 ke V.?     

用于高能微焦点工业CT的旋转式辐射转换靶研究

转换效率高、散热性能优异的辐射转换靶是高能微焦点工业CT的关键部件,本文设计了一种适用于高能（6 MeV）微焦点(直径约100 μm)工业CT的先进旋转式辐射转换靶。通过模拟分析辐射转换靶X射线转换效率和热沉积,确定最优转换靶厚度,从而设计、加工出旋转式辐射转化靶,并成功应用于中国工程物理研究院应用电子学研究所高能微焦点工业CT验证装置。对比实验结果显示,在相同工况（电子束能量6 MeV,宏脉冲长度5 ms,宏脉冲流强15 mA,焦斑直径100 μm）下,固定靶被电子束熔融,而旋转靶则能够承受电子束的轰击,验证了旋转式辐射转换靶的有效性和可靠性。     

A retarding-grid electron spectrometer for Mössbauer spectroscopy

A new retarding-grid electron spectrometer for conversion electron Mössbauer spectroscopy has been constructed. The structure and performance of the spectrometer are described in detail. The response functions for various settings of energy resolution have been determined using the energy spectrum of a very thin ⁵⁷Co source. The best energy resolution obtained is 0.3% at 7.3 keV with a detection efficiency of $\text{1.2\%}\text{4π}$.