Xenos 软件：高功率旋转靶 X 射线源设计中的多物理场仿真流程

引言

本教程演示了 Xenos 软件套件在高功率旋转靶 X 射线源表征中的设置技术。几何结构如图 1 所示：140 keV 电子束携带 500 mA 电流，靶上焦斑尺寸约为 1.5×10.0 mm。需要获取两方面的信息：

• 背散射电子在铍窗上的功率通量；

• 穿过窗口的 X 射线通量与能谱。

目标是以更短的设置和运行时间获得可靠、准确的数值结果。整个工作分为五个任务。

任务 1：二维背散射计算

建立二维平面计算模型，140 keV 电子从真空区域以 90° 和 83° 入射角轰击钨靶。第二个入射角对应图 1 中的倾斜靶。目的是记录背散射电子的特性，并为三维计算提供基准。

140 keV 电子在钨中的射程约为 26 μm。为解析剂量，沿传播方向选取 2.0 μm 的单元尺寸。以 50,000 个模型电子作为笔形束入射。在 90° 入射时，49.82% 的电子被背散射，平均动能 110.33 keV；在 83° 入射时，背散射比例为 49.99%，平均动能 110.43 keV。图 2 显示了相对剂量分布和选定电子轨迹，图 3 显示了背散射电子的动能分布（平均方向角约 -174.6°）。

任务 2：电场计算

电场分布决定了背散射电子到达窗口的路径。HiPhi 场计算分两个阶段进行，以保证分辨率和短运行时间：

1. 覆盖整个枪区域的全局解（图 1）；

2. 以靶和窗口为中心的局部高分辨率解（使用全局解设置边界电势值）。

网格生成采用 Geometer/MetaMesh 的原生几何模型，避免 STL 导入可能导致的非更优网格。关键区域包括阴极（蓝色）、旋转靶（橙色）、外壳（紫色）和 X 射线提取槽（绿色）。提取槽在 MetaMesh 文件中通过 PART Region: Slot 指定。槽虽为真空属性但赋予独立区域标识，以避免拟合外壳表面时的歧义和单元畸变。Coat 指令确保槽与外壳共享节点具有固定电势属性。

全局解网格在 y = 0.0 平面包含 1,108,800 个单元，除 ZUp 边界外，所有边界均设为固定电势（φ = 0.0 V）。电场求解约需 90 秒。

局部解覆盖背散射电子可到达的体积：z 方向下边界延伸到 -30 mm，x 方向上边界为窗口出射面。通过粘贴局部体积内的部件标识并依靠 MetaMesh 裁剪，可快速构建网格。

任务 3：三维电子背散射分布

为任务 4 的轨道追踪获取三维背散射电子分布。创建以靶倾斜表面为中心的局部网格（图 6）作为 GamBet 几何文件。使用 GenDist 生成代表有限尺寸束流的入射电子分布，输入文件描述了一个电流 0.5 A、动能 140 keV 的电子束，在 x 方向全宽 10.0 mm，y 方向全宽 1.5 mm，沿 z 方向运动。

GenDist 输出文件 INPUTBEAM.SRC 包含 2,500 个均匀分布在束流截面上的模型电子。GamBet 输入文件中 NpMult = 10.0，产生 25,000 个入射模型电子。从逃逸文件中过滤出 12,232 个背散射模型电子，背散射分数为 48.15%。图 6 显示了选定轨道的投影、网格边界和靶表面剂量分布。注意：由于求解体积边界与靶表面不彻底重合，后续轨道计算中背散射电子的动能略偏高，但对轨道和窗口加载的影响较小。

任务 4：背散射电子在 X 射线窗口上的通量

将任务 2 的微观场解与任务 3 的背散射电子分布结合，在 OmniTrak 中进行粒子轨道追踪。控制文件 WINDOW.OIN 加载了电场解和背散射电子分布文件。图 7 显示了在 y = 0.0 mm 平面上的选定电子轨道投影及等势线。

将输出文件 WINDOW.PRT 加载到 GenDist 并应用窗口过滤器（x > 59.9 mm，-25.0 ≤ y ≤ 25.0 mm，-7.5 ≤ z ≤ 7.5 mm）。在 70 kW 束流的 25,000 个模型电子中，共 107 个电子（平均能量 106.1 keV）到达窗口。窗口处总电子电流为 2.14 mA，沉积功率为 227 W。电子分布在 y 方向较为均匀，在 z 方向呈现近似线性变化，集中在顶部边缘附近（图 8），反映了靶对窗口的屏蔽效应。

任务 5：穿过铍窗的 X 射线通量与能谱

计算关注穿过窗口的 X 射线通量。GamBet 几何网格与任务 2 的局部场解类似，入射电子分布使用 INPUTBEAM.SRC（任务 3）。为改善统计量，采用 NpMult = 25 和轫致辐射强迫因子 100.0。

逃逸文件包含所有离开求解体积的电子和光子。过滤掉电子后，得到 68,938 个光子，平均动能 41.68 keV。总光子通量为 4.191×10¹⁶ 光子/秒，X 射线功率通量为 279.5 W，产率为 0.40%（NIST EStar 给出的总产率上限为 1.39%，考虑到靶和外壳的吸收，结果合理）。

应用窗口过滤器后，950 个模型光子（平均能量 55.97 keV）穿过铍窗，通量为 4.744×10¹⁴ 光子/秒，对应 4.25 W，功率产率 0.006%。图 9 显示了穿过窗口的光子能量分布。

总结

Xenos 套件通过集成 Trak、Mesh、GamBet、GBView2、GenDist 和 OmniTrak 等多个模块，实现了从束流生成、场计算、蒙特卡罗输运、轨道追踪到剂量与通量分析的全流程仿真，为高功率旋转靶 X 射线源的设计验证提供了完整的数值工具链。