基于10 MeV电子直线加速器的高能X射线转换靶设计与优化研究

为解决核燃料元件结构完整性检测中高能X射线源质量优化问题，研究人员采用蒙特卡洛(Monte Carlo)方法和有限元分析，系统设计了钨材质(Φ 40×2.2 mm)转换靶及双冷却系统，结合8 mm铋+4 mm铁双层滤片使>1 MeV X射线占比提升至80.55%，为反应堆安全监测提供关键技术支撑。

　　

核反应堆安全运行的核心在于燃料元件的结构完整性，其内部裂纹、焊缝缺陷或包壳变形可能导致放射性物质泄漏。传统检测手段难以穿透高密度燃料芯体，而高能X射线凭借强穿透力和密度敏感性成为理想工具。然而，现有电子直线加速器产生的X射线存在能谱分布不均、靶材过热等问题，直接影响缺陷检测分辨率。科学和技术部核能发展专项支持的研究团队针对10 MeV/150 μA电子直线加速器，开展系统性优化研究。

研究采用Geant4蒙特卡洛模拟优化靶材参数，通过COMSOL Multiphysics设计冷却系统，并创新性提出双层滤片方案。关键实验技术包括：1) 基于Geant4的靶材能效模拟；2) 有限元热力学分析；3) 衰减法能谱测量；4) 加速器焦点尺寸优化至1.0 mm。

转换靶优化
通过比较Ta、W、Au等材料的轫致辐射效率v_p和出射电子系数v_e，确定钨靶在2.2 mm厚度时具有最高光子产额（较其他材料提升13.89%），且圆柱形结构(Φ 40 mm)能平衡散热与电子束作用体积。

冷却系统设计
模拟显示持续60分钟电子束照射后靶面局部达1330°C，双通道水冷系统可将工作温度控制在材料耐受范围内，保障设备长期稳定性。

滤片设计
8 mm Bi+4 mm Fe组合滤片通过K-edge效应过滤低能光子，使>1 MeV X射线占比从78.81%提升至80.55%，显著增强成像对比度。

能谱测量验证
采用衰减法实测能谱证实优化方案有效性，束流均匀性达55%以上，满足燃料元件微米级缺陷检测需求。

该研究首次系统整合靶材-冷却-滤片三重优化方案，为核工业检测设备提供标准化设计范式。钨靶的高效光子转化率结合智能温控技术，可将设备连续工作时间延长3倍；双层滤片设计已被应用于新型燃料棒自动检测线。论文发表于《Applied Radiation and Isotopes》，其方法论对医用加速器及工业CT系统开发具有重要借鉴意义。