一台基于串级二极管技术的高强度脉冲硬X射线源

介绍了利用串级二极管产生高强度脉冲硬X射线的方法及其辐射场参数。以“闪光二号”加速器为平台,通过适应性改造,产生快前沿电压脉冲;研制了两级阻抗1 Ω串级二极管,通过串联分压降低二极管端电压、各级二极管电子束独立打靶在空间叠加形成高强度均匀辐射场。解决了悬浮电极绝缘支撑、二极管阴极均匀发射等技术难题,实现了串级二极管的稳定工作。在总电压约700 kV、电流约310 kA条件下,X射线平均能量87 keV,500 cm2上的平均能注量36 mJ/cm2,剂量均匀性（最大值比最小值）达到2∶1。     

紧凑型纳秒高压脉冲发生器研制

研制了一台紧凑型纳秒高压脉冲发生器。该发生器主要由铁芯变压器、脉冲形成线、油间隙自击穿开关组成。在变压器和形成线之间加入了一个50 pF的谐振电容和1.15 mH的谐振电感,通过三谐振设计,使发生器在不降低输出电压的情况下,降低了变压器次级绕组的电压,实现了脉冲发生器小型化。对该发生器进行了详细的设计、模拟和实验,结果表明:该发生器可在二极管上输出峰值约500 kV、脉宽2.2 ns的高压脉冲;电子束二极管产生的X射线在距二极管靶窗20 cm处辐射剂量为20 mR,可用于辐射探测系统闪烁体的时间响应测量。     

强流二极管产生脉冲X射线能谱场稳定性研究

 根据二极管结构及运行参数与出射电子、光子能谱的关系，采用Matlab数据处理软件和蒙特卡罗粒子输运计算方法，建立了二极管阳极靶表面出射光子能谱的计算方法。通过多次对二极管单次脉冲运行参数的比较研究，分析了强流二极管多炮运行参数的波动，对所产生的脉冲X射线能谱场稳定性的影响。计算结果表明：电子能谱的差异随着二极管运行的电参数变化而变化，每炮光子能谱谱型的差异趋于减小。当运行参数波动不大时，能谱场稳定性较好。     

基于APD单光子探测器的光子到达时间标记精度研究EI北大核心CSCD

为了准确测量X射线脉冲星导航中的光子到达时间,提出了一种X射线探测器光子到达时间精度的测试系统,该系统主要由脉冲X射线发生器、任意波形发生器、雪崩光电二极管探测器和时间标记光子计数器组成。系统测量脉冲X射线发生器的控制脉冲信号与雪崩光电二极管探测器测量的输出信号之间的时间延迟,研究时间延迟的分布情况,该分布的标准差可以反映被测探测器的光子到达时间测量精度。实验结果显示,雪崩光电二极管探测器输出信号相比控制信号的时间延迟约9.03 ns,标准差为2.23 ns,即雪崩光电二极管探测器的光子到达时间精度为2.23 ns,表明其能够实现对X射线单光子的快时间响应与高精度标记。     

同心度对杆箍缩二极管物理特性的影响

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段，阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一，其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响，使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此，评估同心偏差对二极管物理特性的影响，对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究，分别取三种同心偏差度(小于1%，15.02%和22.92%)状态。在1 MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性，并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明，随着同心偏差度增加，磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加，同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重，降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。     

适用于探地雷达应用的低振铃单周期脉冲发生器

设计了一种新型的适用于道路检测探地雷达的单周期脉冲发生器。该脉冲发生器包含驱动电路、阶跃恢复二极管(SRD)脉冲形成电路和脉冲整形电路三部分。驱动电路可以使TTL形式的触发脉冲变为电流更大的快前沿脉冲，用来形成给后级电路的驱动脉冲；SRD脉冲产生电路选取渡越时间较小的阶跃恢复二极管结构，通过对前级电路产生的驱动脉冲整形得到负极性高斯脉冲，然后利用微带短路线、肖特基二极管和电容并联实现生成单周期脉冲和振铃抑制的功能，提高超宽带天线辐射的效率以及测量信噪比。测量结果表明，在1 MHz脉冲重复频率的情况下，峰峰值最大为23 V，脉冲半高宽为138 ps，振铃水平为1.25%，而当脉冲重复频率提高到5 MHz，该脉冲发生器产生脉冲波形幅度和带宽基本没有太大变化。这些特征说明，该脉冲发生器具有很高的频率稳定性，且在高分辨率探测应用情景中将会有很好的表现。     

200 kV闪光照相测试系统

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的200 kV闪光照相测试系统,该系统具有延时功能,可按照实验要求,在预定时刻产生脉冲X射线进行闪光照相测试。设计了一台10级同轴结构的Marx发生器,采用了正负极充电,极间电容耦合为Z形回路的Marx发生器线路,利用开关与屏蔽外筒间的结构电容来锐化高压脉冲的输出,同时采用紧凑性、低电感设计获得窄脉冲的输出。在充电电压为25 kV的情况下,75 的负载上获得了脉宽小于100 ns、幅度大于200 kV的高压脉冲,通过高压电缆驱动闪光X射线二极管, 在距光源25 cm处获得了剂量大于910-6 C/kg、脉冲宽度约为70 ns的闪光X射线。     

便携式150kV闪光X光源研制及应用

基于快前沿Mini-Marx发生器拓扑结构和冷阴极反射靶真空X射线二极管一体化设计研发出了紧凑型便携式150kV闪光X光源系统。介绍了设计的Mini-Marx发生器和闪光X光二极管,给出了相应的实验结果。该闪光X光源系统获得了距光源25cm处剂量大于7.7×10-6 C/kg、1m处穿透铝大于60mm、焦斑1~3mm可调的闪光X射线。该闪光X光源和成像单元组成的闪光照相具有系统体积小、运行可靠的特点。     

15～600 keV脉冲硬X射线能谱测量

介绍了基于吸收法的脉冲硬X射线能谱测量的基本原理及设计思路,完成了探测器及吸收片的选型,设计了射线准直系统,研究了散射对测量的影响,以12路PIN探测器阵列及铜、铝吸收片为测量核心部件研制了脉冲硬X射线能谱测量系统。实验测量了真空环境下"闪光二号"加速器串级二极管产生的脉冲硬X射线强度,获得了不同衰减程度的实验波形,通过解谱获得了脉冲硬X射线的能谱,光子最高能量约600 keV,平均能量约89.1 keV,与理论计算的结果比较符合。     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度，对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源，装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm，重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器，采用新颖的三谐振变压技术，将纳秒脉冲形成线充电至520 kV，通过油介质自击穿开关放电，输出370 kV，3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压，并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩，产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理，设计了刀刃阴极X光管，在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω，管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×1016 MeV·cm-2·s-1，累积照射量为4.1 mR。     

ZnO:Ga晶体对硬X射线的时间及能量响应

 介绍了ZnO:Ga晶体对重复频率快脉冲硬X 射线的时间响应，利用X射线荧光分析仪测量了ZnO:Ga晶体对10～100 keV硬X射线的能量响应。结果表明:ZnO:Ga晶体对硬X射线响应的上升时间为316 ps,半高宽为440 ps;对40 keV以上的X射线的能量响应很平坦。该晶体可以作为一种新颖的硬X射线探测元件。     

X-ray radiation from the volume discharge in atmospheric-pressure air

X-ray radiation from the volume discharge in atmospheric-pressure air is studied under the conditions when the voltage pulse rise time varies from 0.5 to 100 ns and the open-circuit voltage amplitude of the generator varies from 20 to 750 kV. It is shown that a volume discharge from a needle-like cathode forms at a relatively wide voltage pulse (to ≈60 ns in this work). The volume character of the discharge is due to preionization by fast electrons, which arise when the electric field concentrates at the cathode and in the discharge gap. As the voltage pulse rise time grows, X-ray radiation comes largely from the discharge gap in accordance with previous experiments. Propagation of fast avalanche electrons in nitrogen subjected to a nonuniform unsteady electric field is simulated. It is demonstrated that the amount of hard X-ray photons grows not only with increasing voltage amplitude but also with shortening pulse rise time.     

紧凑重频PFN-Marx脉冲发生器

研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器,由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离,直径为480 mm,长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法,单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术,输出电压大于50 kV,前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW,脉冲宽度100 ns,前沿10 ns,阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW,频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW,脉冲宽度70 ns,前沿10 ns,阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW,频率10 Hz,单串10个脉冲。初步的应用研究中,利用改进后的平台,在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。     

重复频率高功率微波加速器X射线屏蔽的估算

高功率微波的研究正在向高重复频率发展，目前已运行每年百万炮次或以上的水平，由此导致的电子束轫致辐射产生的X射线剂量已不可忽视，为了人员安全必须采取屏蔽措施。采用BEAMnrc程序，用蒙特卡罗方法仿真了环状束高功率微波源收集极的射线产生情况，典型输入束流参数为电压1 MV，电流10 kA，脉宽100 ns，重复频率100 Hz。仿真结果给出了X射线的谱分布和空间分布。据此估算了屏蔽X射线所需的墙壁衰减量。同时估算了X射线的天空散射因素以及房顶所需的衰减量。     

150kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源

建立了重复频率、可调脉宽线板放电型电晕等离子体驱动源实验平台,该平台由谐振充电、脉冲升压变压器和磁开关宽脉冲调制等部分构成,试验平台输出脉冲电压峰值150 kV、最高重复频率1 kHz、输出脉冲前沿0.53μs、脉冲宽度5~25μs可调节。阐述了该平台脉冲调制原理,通过实验结果分析了脉冲变压器分布电容对系统能量传输的影响,指出提高脉冲氢闸流管开关能力、改善脉冲变压器绝缘结构设计、降低匝间分布电容可以进一步提高输出电压和重复频率。     

Wave dynamics of electric explosion in solids

A mathematical model of an electric explosion is developed that consistently describes the expansion of the explosion channel with regard to the parameters of the discharge circuit of a high-voltage pulse generator, radiation, and propagation of stress waves in a solid. The dynamics of conversion of the stored energy to a wave and the formation of mechanical stresses due to electric explosion in a solid immersed in a liquid are considered. In the context of electro-discharge destruction of hard materials, the resulting stress field and the relationship between the discharge circuit parameters and characteristics of the wave are analyzed and the most efficient discharge modes are determined.     

150kV脉冲X射线测试系统

基于Marx发生器原理设计了150kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20kV的情况下,X射线管电压150kV;X射线脉宽约60ns;25cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5mm。搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30cm×40cm,分辨力大于1lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要。     

450 kV数字化X光照相诊断系统

介绍了450 kV数字化X光照相诊断系统的研制,该系统由450 kV脉冲X光机和抗辐照X光CCD相机组成。450 kV脉冲X光机输出的X射线脉冲半高宽为40 ns,1 m处剂量为5.210-6 C/kg,焦斑2~5 mm,2.5 m处可穿透20 mm的Fe。抗辐照X光CCD相机接收X光能谱范围为10~450 keV,有效成像面积最高可达100 mm100 mm,空间分辨率最高可达3 lp/mm,具有很强的抗电磁干扰能力。进行爆轰实验时在总防护为40 mm铝板的情况下,450 kV数字化X光照相诊断系统的照相视场可视范围超过70 mm,空间分辨率优于1.2 lp/mm。     

快前沿紧凑型X光机研制

介绍了一种基于Marx发生器原理设计的快前沿紧凑型X光机,采用Marx发生器直接驱动X射线管的线路设计,封装在一个直径约为15 cm、长约1.2 m的不锈钢圆筒内。Marx发生器设计为15级单极性同轴结构,利用锐化开关与屏蔽外筒间的杂散电容来减小脉冲前沿,同时采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。Marx发生器最大储能90 J,在充电电压为30 kV的情况下,75Ω负载上获得了前沿10 ns、脉宽40 ns、幅度360 kV的高压脉冲。实验结果表明X光机设计合理,实现了设备小型化目标,获得了快前沿高幅度的高压脉冲。研制的X光机的主要的参数为:脉宽35 ns;0.3 m处剂量约2.58×10~(-5)C/kg;焦斑2 mm。