“神龙一号”直线感应电子加速器

"神龙一号"加速器是一台20 MeV直线感应电子加速器. 本文介绍了"神龙一号"的物理设计、研制过程和调试结果. 物理设计主要分析了加速器研制的技术难点,并给出各分系统应达到的技术要求和具体结果. 文中重点介绍了脉冲功率系统、注入器、束流的调试情况,调试结果表明,"神龙一号"加速器输出电子束的参数为：电子能量20MeV、束流强度2.5kA、束流脉冲宽度～70ns、能散度0.64%、发射度2060mm·mrad、打靶焦斑尺寸1.2mm .     

“神龙一号”注入器研制

“神龙一号”注入器是直线感应加速器的束流源，它采用了感应叠加的高压加载方式，包括脉冲功率系统、感应腔、阴阳极杆、绝缘支撑、二极管和束流传输系统等子系统. 在研制中采用了径向绝缘支撑、对中支撑调节系统、类Pierce阴极等先进技术，以及二极管线圈内置和外径为800mm的铁氧体大环等创新. 参数测试显示，3.5MeV注入器达到了世界先进水平.     

神龙一号加速器调试

介绍了神龙一号直线感应加速器脉冲功率系统、注入器、束流输运系统、轫致辐射转换靶的调试情况,给出了调试结果,并对下一步工作进行了展望.调试结果表明,神龙一号加速器全面达到设计指标.     

神龙一号加速器调试

介绍了神龙一号直线感应加速器脉冲功率系统、注入器、束流输运系统、轫致辐射转换靶的调试情况, 给出了调试结果, 并对下一步工作进行了展望. 调试结果表明, 神龙一号加速器全面达到设计指标.     

“神龙一号”电子束时间分辨能谱测量新方案

介绍了"神龙一号"直线感应加速器电子束时间分辨能谱测量新方案——用螺线管磁场旋转束流法测量其出口电子束能谱,阐述了旋转束流法基本原理及测量方案设计,并且讨论了测量误差。此方案所测能谱为时间分辨离散型束流能谱,其误差与所测离散束流能谱相关。通过测量"神龙一号"加速器末端的电子束流在螺线管磁场中的旋转角度及角度展宽,从而得到脉冲电子束流能谱。     

“神龙一号”直线感应加速器多功能腔设计

 多功能腔集真空泵安装、束流过渡漂移、束流在线测量及方便机器检修等诸多功能于一体，是“神龙一号”加速器束流传输系统的一个关键部件。简要介绍了多功能腔设计中的磁轴准直、输运磁场的连续性以及横向阻抗几个关键问题，阐明了多功能腔的可维修特性和磁轴准直性能，分析了多功能腔对输运磁场连续性的影响，计算了多功能腔的低横向耦合阻抗，并提出了降低横向耦合阻抗的措施。多功能腔的应用简化了束流传输线的结构，提高了束流传输线的性能，将在“神龙一号”直线感应加速器的调试中起到非常重要的作用。     

强流直线感应加速器中束流质心横向运动初步计算

 “神龙一号”强流脉冲加速器由72个直线感应加速腔和18个用于测试和真空泵接口的多功能腔组成。直线感应加速器的研制建造中磁轴对中偏差和聚焦磁场的自然偏差所引起的束流质心偏移轨道中心是不可避免的，由于束脉冲期间存在能散，使束流产生Corkscrew运动,导致束流品质变坏。而束脉冲期间的能散只能减小到一定水平，因此必需采取一定的措施抑制Corkscrew幅度的增长。在加速器的安装阶段，脉冲悬丝技术被应用于准直加速段聚焦磁场，并在磁轴准直测试的同时对磁场固有倾斜偏差进行初步校正。根据脉冲悬丝测试所得实验数据，采用传输矩阵法对加速段束质心轨迹进行了初步估计，计算中考虑了各加速腔聚焦磁场的倾斜和偏移误差。给出了计算结果和分析。     

3.5 MeV无箔注入器束流调试

 3.5 MeV 注入器是“神龙一号”直线感应加速器的束源，在注入器束流调试中，首先通过数值模拟方法，初步确定束流过聚焦和聚焦不足两种极端情况下引出线圈输运磁场峰值的变化范围；然后以注入器出口束流波形为参考，通过实验调试找到了这两种情况下引出线圈输运磁场峰值的实际配置；再通过测量束流的剖面或发射度，在这两种配置中选定一个折中的引出线圈磁场配置，并最终确定了注入器输运磁场的总体配置。经过调试完成后的注入器束流为3.6 MeV，流强为2.8 kA，归一化边发射度为1 040 mm·mrad，达到了预期的指标。     

“神龙一号”加速器束流输运系统研制

文章系统介绍了“神龙一号”直线感应加速器束流输运系统的研制过程和取得的成果, 重点阐述了螺线管线圈、二极校正线圈、多功能腔等关键单元部件的设计、传输元件的磁轴测量和准直安装、束线的总体布局、束流调试等研究内容. 束流调试结果表明, 该束流传输线的设计是成功的, 并且具有较宽的动态适应范围. 最后, 结合束流调试的经验, 提出了一些建议供以后工作参考.     

神龙二号热阴极注入器束流调试

神龙二号注入器是一台感应叠加型强流脉冲电子束源，采用热阴极工作模式，为神龙二号加速器提供间隔可调的三脉冲电子束。该注入器的束流调试采取PIC模拟和实验调试交互验证、互相促进的方式，先是通过束斑测量确定引导线圈磁场的加载范围，然后通过PIC方法逐级梳理阳极段束线各线圈的磁场配置，再通过束斑测量加以确认。通过这种束流调试方法，获得了保持束流脉冲平顶完整通过的三种磁场配置，以适应下游加速段束流传输的不同要求。讨论了影响束流调试效果的因素，认为提升神龙二号注入器性能的关键是进一步改进大面积热阴极发射的均匀性。     

Instantaneous electron beam emittance measurement system based on the optical transition radiation principle

One kind of instantaneous electron beam emittance measurement system based on the optical transition radiation principle and double imaging optical method has been set up. It is mainly adopted in the test for the intense electron-beam produced by a linear induction accelerator. The system features two characteristics. The first one concerns the system synchronization signal triggered by the following edge of the main output waveform from a Blumlein switch. The synchronous precision of about 1 ns between the electron beam and the image capture time can be reached in this way so that the electron beam emittance at the desired time point can be obtained. The other advantage of the system is the ability to obtain the beam spot and beam divergence in one measurement so that the calculated result is the true beam emittance at that time, which can explain the electron beam condition. It provides to be a powerful beam diagnostic method for a 2.5 kA, 18.5 MeV, 90 ns (FWHM) electron beam pulse produced by Dragon I. The ability of the instantaneous measurement is about 3 ns and it can measure the beam emittance at any time point during one beam pulse. A series of beam emittances have been obtained for Dragon I. The typical beam spot is 9.0 mm (FWHM) in diameter and the corresponding beam divergence is about 10.5 mrad.     

4MV/80kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置("剑光二号")系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术,主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线(特征阻抗6Ω、电气长度30 ns)充电,充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩,为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联,每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输,特征阻抗由30Ω线性增大至120Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标:输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%~90%)21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,整机延时(从Marx触发器输出到X射线产生)约749 ns,标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),正向焦斑约1.4 mm。     

双脉冲电子直线感应加速器实验研究

 Mini-LIA为MHz重复频率双脉冲电子直线感应加速器，由双脉冲功率系统、热阴极电子枪注入器及金属玻璃磁芯感应加速腔等组成。在此平台的实验获得了数百ns间隔（即MHz重复频率）的双脉冲高压，每个脉冲幅值达到80 kV，脉冲半高全宽为80 ns；在感应腔加速间隙处测得双脉冲加速电场；在加速器出口处测量得到流强约1.1 A的双脉冲电子束流。实验结果表明：利用硅堆隔离汇流装置可实现MHz重复频率的双脉冲高压，金属玻璃磁芯感应加速腔和六硼化镧热阴极电子枪均适合MHz重复频率双脉冲工作方式。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

 介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

3.5 MeV注入器脉冲功率系统

用于直线感应加速器的3.5 MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理。整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载。脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成，产生12个脉宽约90 ns，幅度约200 kV的高压脉冲，通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆，在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压，由天鹅绒阴极发射强流电子束。触发系统主要由两级触发开关构成，严格控制12个高压脉冲的输出时间，时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动)。采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV，电流2～3 kA的强流电子束。     

强流直线感应加速器束流智能调谐系统设计

 介绍了正在研究设计的调谐强流电子束束心轨迹的计算机智能系统。根据目前正在设计建造的 “神龙一号”加速器束流输运环境，为抑制束心螺旋运动，适应束输运磁场元件无散热装置，调谐过程中应尽量减少实验次数，智能调谐方法主要采用数值模拟和计算机克隆调谐和人工调谐相结合。以束心轨迹的数值模拟为基础，对束心位置调谐过程中的核心部分二极场调谐磁元件的调谐特性曲线进行了数值模拟，并与实验获得的调谐特性曲线进行了比较。获得了数值模拟和实验的初步结果。     

神龙二号多脉冲电子束束参数的时间分辨测量技术

神龙二号是一台三脉冲强流脉冲电子束直线感应加速器,就其多脉冲的电子束束参数的测量而言,基本要求是单个脉冲可分辨,进一步的要求是脉冲内时间可分辨。基于光学渡越辐射原理及瞬态发射度测量系统原理,发展了一种束斑与发散角可以分开测量的光学布局结构,结合多台高速分幅相机,成功研制了一套完整的多脉冲电子束束参数的测量系统,其特点是灵活的组合测量方式,全面满足了神龙二号复杂艰难的调试及参数测量工作要求。测量系统最高时间分辨测量能力达到约2 ns的水平,单个脉冲可以获得至少8个时间分辨的束参数测量结果。     

Increasing the RF energy per pulse of an RKO

The Air Force Research Laboratory RKO source has recently demonstrated the ability to convert electron beam power to RF power until the termination of the electron beam pulse, achieving a power of 1.5 GW at an energy of 170 J. These results represent an increase in power of 25-30% in power and energy extracted from this source. This paper discusses the principal research areas encountered in lengthening the RF pulse (FWHM) from 50 ns to the present 120 ns and the associated increase in the RF energy     

基于方波LTD的3 MV闪光照相驱动器设计

直线变压器驱动源(LTD)是近年来发展起来的一种新型电路拓扑技术，具有结构紧凑、参数调整灵活、能量效率高等优点。根据闪光照相的需要，开展了基于方波LTD技术的闪光照相驱动器设计，驱动器输出电压约3 MV，负载阻抗约40 (杆箍缩二极管特征阻抗)。主机共由30个方波LTD模块串联而成，单个LTD模块采用16个放电支路(包含12个为基波支路和4个为谐波支路)并联，其中每个放电支路由2台脉冲电容器和一只多间隙气体开关串联组成。LTD次级采用变压器油绝缘，整机长度接近8 m。电路计算表明，驱动器输出电压大于3 MV，上升沿约16.8 ns，脉冲宽度约98 ns。     

中能X光机触发系统

介绍了中能X光机装置触发系统研制和相关实验结果,触发系统包括主机6个支路激光开关的触发和主机放电的触发。其中6个支路的触发由6台YAG四倍频激光器完成,主机放电电触发系统由1台YAG四倍频激光器来触发。实验结果表明:每台激光器出光时间抖动σ小于等于0.3 ns,激光开关导通延迟时间约25 ns,抖动σ小于等于1.2 ns,电触发系统中激光与触发器输出电压之间的时间抖动σ为0.5 ns,匹配负载上电压大于120 kV,前沿约28 ns,脉宽150 ns。中能X光机在杆箍缩二极管负载上获得最大输出为4.2 MV/100 kA的电脉冲,电压脉冲半高宽约55 ns,输出的X射线时间抖动σ为3.4 ns。实验结果表明触发系统具备对6个支路精确调节和控制的能力,确保了中能X光机装置的高可靠性。