电子束与窗-液态金属靶相互作用的蒙特卡洛模拟及其在X射线产生中的性能优化研究

本文通过FLUKA蒙特卡洛模拟系统研究了窗-液态金属靶（LBE）结构在宽能段（100 keV–1 MeV）电子束轰击下的X射线产生性能，对比传统钨靶分析了铍、金刚石、钛及氧化铍等低Z窗材料的电子透射率、热负载与辐射产额，为新型高亮度X射线源设计提供了关键理论与技术支撑。

　　

Window thickness

根据薄板与厚板理论计算，四种候选材料（钛、铍、氧化铍和金刚石）在承受5 atm液态LBE流动压力及真空压差条件下的最小窗厚度如表2所示。两种理论计算结果高度一致，表明所选0.5–1 mm × 5 mm的矩形窗几何结构处于薄板与厚板理论的边界区域。

Conclusion

本研究通过蒙特卡洛模拟评估了窗-液态金属靶在宽电子能量范围（100 keV至1 MeV）内用于X射线生产的可行性，并与标准钨靶进行了对比。窗结构设计采用薄板和厚板理论模型，均满足安全裕度要求。

在低能量（100 keV）下，电子能量主要沉积在窗层内。为促使电子有效穿透窗层并进入液态金属靶，窗厚度需显著减小（例如铍窗需<100 μm），但此类薄层在实际工程中难以稳定承载流体压力。因此，低能电子束（<300 keV）可能并不适合窗-液态金属靶配置。

在500 keV附近，窗-液态金属靶展现出最优性能：电子穿透率最高，X射线产额显著提升（较钨靶提高约25–40%），且热沉积集中于液态金属区，利于通过湍流散热。金刚石窗表现出最高的电子透射率和最低的热沉积，但其制备难度与成本需实际考量；氧化铍窗在机械强度与辐射稳定性间取得较好平衡。

在1 MeV时，电子穿透深度过大，导致部分能量逸出靶体，X射线产额反而下降。此时需增加靶厚度或调整入射角度以改善性能。

综上，窗-液态金属靶在500 keV附近具有显著优势，尤其适用于高亮度、高重频X射线源（如医学成像与工业CT），但低能段适用性有限，高能段需进一步优化靶体几何设计。