“闪光二号”环境中系统电磁脉冲计算模型的验证

李进玺，吴伟，郭景海，刘逸飞，赵墨，马良，程引会

(西北核技术研究所,西安710024;强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)



“闪光二号”环境中系统电磁脉冲计算模型的验证

李进玺，吴伟，郭景海，刘逸飞，赵墨，马良，程引会

(西北核技术研究所,西安710024;强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安710024)

以“闪光二号”加速器硬X射线为辐照源，对腔体内系统电磁脉冲(system generated electromagnetic pulse，SGEMP)磁场环境的验证方法进行了研究。根据测量的“闪光二号”二极管的电压、电流，模拟了发射电子束能谱参数；结合辐射靶物理设计，建立了二极管阳极靶蒙特卡罗粒子输运计算模型，模拟了轫致辐射X射线场参数；采用时域有限差分(finite difference time domain method,FDTD)和粒子模拟(particle in cell,PIC)方法，模拟了该射线环境中的腔体SGEMP磁场环境；将轫致辐射X射线参数及腔体SGEMP磁场环境的模拟结果与实验结果进行了比较。结果表明：从X射线源参数模拟开始的腔体内SGEMP数值模拟计算模型的实验验证方法是合理可行的。

闪光二号；系统电磁脉冲；粒子输运；粒子模拟；验证

脉冲X射线或γ射线与电子系统中的材料作用后产生的系统电磁脉冲(system generated electromagnetic pulse，SGEMP)综合环境，是电磁脉冲效应研究的重要内容之一，而SGEMP综合环境研究是效应研究的基础和前提。利用高功率电子束加速器产生强流脉冲电子束并使之与高原子序数物质作用产生轫致辐射，能够在实验室中产生脉冲硬X射线，该射线与腔体材料作用后会产生大量的发射电子，导致腔体结构的电荷平衡被破坏，发射电子的运动和腔体结构电荷的再平衡过程会在腔体系统空间激发出电磁脉冲。由于该电磁脉冲的特性与系统结构密切相关，因此，被称为SGEMP。SGEMP综合环境包括透射X或γ射线、前向电子和SGEMP电磁场环境[1]。

对于脉冲X射线参数环境研究，文献[2-6]分别从轫致辐射X射线产生机理、轫致辐射靶结构设计、辐射场特性、X射线能谱测量等方面进行了研究；对于SGEMP环境的数值模拟，文献[7-9]分别从X射线注量、能谱、X射线入射方向等对数值模拟方法和综合环境规律的影响方面进行了研究；文献[10]以西北核技术研究所DPF模拟装置的X射线参数为输入，在二维坐标系下，采用粒子模拟的方法，对圆柱壳体内的SGEMP环境进行了研究。

文献[7-10]只研究了SGEMP电磁脉冲环境，进行的SGEMP规律研究，并不包含从阴极靶电子发射开始到系统内SGEMP综合环境的物理过程模拟，也没有对数值模拟结果进行实验验证。本文在文献[1，2，8]工作的基础上，以西北核技术研究所“闪光二号”加速器为辐照源，以加速器二极管电压、电流测量波形为输入参数，采用蒙特卡罗粒子输运方法、粒子模拟(particle in cell,PIC)方法和时域有限差分(finite difference time domain method,FDTD)方法对腔体内SGEMP磁场环境计算模型和计算结果的实验验证方法进行了研究。

1研究思路

实验室中，利用加速器研究SGEMP时，加速器二极管的电压、电流、轫致辐射X射线能谱及其注量、SGEMP场环境均可测量。

数值模拟SGEMP过程：1)利用加速器二极管的电压、电流计算得到阴极靶发射电子束参数，结合阳极靶材料和结构，采用蒙特卡罗粒子输运方法，计算得到轫致辐射X射线参数；2)以计算得到的X射线参数为辐照源，结合腔体结构和材料参数，计算得到X射线与材料作用后的发射光电子参数；3)光电子运动产生的电流源作为麦克斯韦方程中的激励项，采用PIC方法和FDTD对腔体内的SGEMP电磁场环境进行数值模拟。

通过比较轫致辐射X射线能谱、注量及SGEMP场环境的数值模拟结果与测量结果，可对数值模拟过程中采用的计算模型和计算方法进行检验。

2数值模拟结果与实验结果的比较

2.1腔体模型

计算模型截面，如图1所示。腔体内部气压为5×10-3Pa；入射面尺寸为120 mm×120 mm，腔体高106 mm；腔体壁材料为不锈钢；为了增大前向光电子产额，入射面采用厚度为1 mm的铜板；为了减小腔体底面的后向光电子产额，底面采用厚度为3 mm的石墨。图1中，X射线入射面为xoy平面，z向为腔体轴向。实验中，腔体结构参数与计算模型中的参数一致。

图1计算模型截面Fig.1Geometry model of cavity

2.2电子束及X射线参数

利用加速器二极管的脉冲电压、电流在时间上的对应关系可以换算得到电子能谱[2]。图2、图3分别给出了测量获得的“闪光二号”加速器二极管的电压、电流波形及计算获得的电子束能谱。

图2二极管输出的电压、电流波形Fig.2Current and voltage of diodes

图3二极管电子能谱Fig.3Electron energy spectrum of diode

轫致辐射转换靶采用薄靶设计，使电子轫致辐射产生能量较低的X射线，透射出靶，在靶后采用电子吸收能力较强、X射线吸收较弱的轻材料过滤透射电子，以降低X射线场中的电子份额。根据模拟计算结果和实验设计要求[1-3]，建立了MCNP计算模型，如图4所示。模型中各部分材料参数为d1=23 μm，钽；d2=3 mm，有机玻璃；d3=5 cm，真空；d4=1 cm，有机玻璃；d5=30 cm，空气；θ为电子入射角；p1至p5为截面位置。

图4辐射靶计算模型Fig.4Simulation model of target

图5、图6分别给出了模拟得到的p2、p3、p4、p5截面位置处的X射线波形和透射电子谱。由图5、图6可知，p5截面位置处光子与电子数之比为4×103，能量之比为5×103，d4段有机玻璃有效地过滤了透射电子，因此，腔体内SGEMP环境主要由X射线产生。

图5不同截面位置处X射线能谱波形Fig.5Energy spectrums of X-ray at different surfaces

图6不同截面位置处电子能谱波形Fig.6Energy spectrums of electron at different surfaces

图7给出了p5截面上不同角度的光子数，图8给出了p4、p5截面之间距离截面p4不同位置时的X射线总能量，图9为计算和实测的X射线归一化能谱[2]，图10为实测的X射线归一化光电流信号。

由图7可知，出射X射线主要分布在0°～35°之间，20°时达到最大；由图8、图9可知，计算得到X射线的平均能量为108 keV，120 keV以下的光子能量占总光子能量的65%；实测X射线平均能量为121 keV，120 keV以下的光子能量占总光子能量的58%。根据X射线剂量、能量和注量的关系，计算得到X射线在400 cm2上的能量为23 mJ。考虑到测量误差[6]，计算结果与实验结果符合得较好。

图7不同角度的光子数分布Fig.7Photon distribution at different angles on surface p5

图8不同截面位置处X射线总能量Fig.8Total energy of X-ray at different surfaces

图9X射线归一化能谱Fig.9Normalized energy spectrums of X-ray

图10X射线归一化光电流信号Fig.10Normalized current spectrum of X-ray

2.3SGEMP磁场环境

数值模拟中，腔体模型及坐标系设置，如图1所示，X射线能谱参数采用图9中的计算结果；X射线入射方向按照图7中的光子发射角度分布考虑，时间波形采用与图10脉冲宽度一致的高斯脉冲。采用FDTD方法和PIC方法对该射线环境中腔体SGEMP磁场环境进行了模拟[1,8]。

图11给出了测量系统在“闪光二号”环境中的辐照本底波形，它是辐射电子、X射线以及环境电磁场对系统响应的综合反映，该本底会叠加在磁场测量结果中。

图11本底波形Fig.11Background waveform

图12给出了(60 mm,119.5 mm,14 mm)位置腔体壁附近切向磁场模拟结果与测量结果的比较。

图12磁场波形Fig.12Waveforms of H-field

由图12可知，测量得到的腔体内磁场波形和计算结果两者的脉冲宽度符合较好，与X射线时间波形脉冲宽度一致；该点磁场计算峰值Hcp为-5.72 A·m-1，测量峰值Hmp为-8.50 A·m-1，计算峰值与测量峰值之比M为

由以上可知，计算结果与测量结果符合得较好。

3结论

以加速器二极管的电压、电流为输入参数，结合轫致辐射靶和腔体物理结构参数，采用蒙特卡罗粒子输运方法、PIC方法和FDTD方法对腔体内SGEMP综合环境进行了数值模拟，并将模拟结果与实验结果进行了比较。结果表明：有机玻璃可以有效地过滤轫致辐射环境中的透射电子，腔体内的SGEMP环境主要由X射线产生；数值模拟得到的X射线平均能量以及120 keV以下的光子能量份额与测量结果较为一致；测量得到的腔体内磁场波形和模拟计算磁场波形的脉冲宽度符合较好，两者峰值之比为3.44 dB。因此，从X射线源参数模拟开始的腔体内SGEMP数值模拟计算模型的实验验证方法是合理可行的，同时，模拟过程和结果也可以为实验设计提供依据。

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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

李进玺(1978- )，男，甘肃白银人，副研究员，硕士，主要从事电磁脉冲效应研究。

E-mail：lijinxi@nint.ac.cn

TL501；O482.7

A

2095-6223(2016)030503(5)