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。     

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。     

双脉冲电子束源实验

2MeV直线感应加速器注入器系统由电子束产生器和脉冲功率系统组成。电子束产生器包括由感应腔组成的阴极电压叠加器、阳极电压叠加器和真空二极管及束输运系统。脉冲功率系统则包含初级功率源Marx、次级功率源Blumlein线和触发系统，其作用是为感应腔提供一个具有数十纳秒平顶宽度的高压脉冲，激发感应腔在感应腔间隙上获得一个加速电场。在2MeV注入器功率系统中，4个Blumlein线的充气开关是由发散装置的输出触发信号进行导通控制的。通过控制发散输出触发信号到达Blumlein线开关的时间，即可以实现Blumlein线开关在不同时间内触发导通，使Blumlein线依据所设定的时间顺序输出激励脉冲，从而在真空二极管上获得高压脉冲串。由于功率系统采用的是182C结构，即一根Blumlein线驱动两个感应腔，因此最多可以实现四脉冲串列。     

X光二极管实验平台初步设计

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源,在X射线二极管负载上可产生数MV高压输出。通过电压波过程分析,给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析,给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计,二极管采用径向均压绝缘堆结构,给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明:当中储运行电压为2.6MV时,对3Ω形成线充电电压为3.3MV,并最终在40Ω负载上获得4MV电压输出,且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%,在现有条件下,该平台设计指标能够满足实验预期。     

低阻抗紧凑型Marx直接驱动高功率微波源北大核心CSCD

研制了一套紧凑型脉冲功率源系统,用于驱动低阻抗磁绝缘线振荡器(MILO)。脉冲功率源采用Marx发生器技术路线,由10级电容和开关组成,单级电容为100nF/100kV电容,开关采用环形轨道气体火花间隙开关,通过紧凑型结构设计,降低系统回路电感,采用电阻作为级间放电的隔离元件,整个Marx发生器系统放置于变压器绝缘油中,以实现高压绝缘。Marx发生器系统充电电压为±50kV,总储能5kJ,在12Ω的水负载上可以获得600kV,50kA的脉冲输出,脉冲上升时间小于100ns。系统尺寸为1.2m×0.5m×0.6m。基于该低阻抗脉冲功率系统,直接驱动低阻抗磁绝缘线振荡器。在二极管电压约450kV,电流约40kA条件下,测得辐射微波功率约400MW,微波脉宽约60ns,微波频率1.23GHz,辐射微波模式为TM01模。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

基于脉冲形成线充电的脉冲压缩技术

利用脉冲压缩技术,将具有一定初始电压的高阻抗长脉冲形成线对低阻抗短脉冲形成线充电到一定值时,其输出开关导通,在其后的传输线上可以产生高功率短脉冲。给出了脉冲压缩理论分析;前级脉冲驱动源采用GW级纳秒脉冲形成线,其特性阻抗为40Ω、电长度为3.9ns,输出脉冲宽度约8ns;研制了与前级脉冲驱动源匹配的脉冲压缩装置和变阻抗传输线,考虑到脉冲压缩装置低阻抗形成线绝缘击穿和开关导通限制,选取脉压装置形成线特性阻抗6.5Ω、电长度0.5ns。利用GW级纳秒脉冲驱动源开展了脉冲压缩实验,得到了输出功率增益达4倍左右的脉宽1.5ns高功率短脉冲,输出脉冲功率增益与理论值基本相符。     

100 GW快脉冲直线型变压器功率源

基于已经研制完成的100 kV/100 kA快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块,设计研制了输出电压/电流分别为1 MV/100 kA（功率为100 GW）的快脉冲LTD装置。装置由10级100 kV/100 kA快脉冲LTD模块串联而成,总储能为20 kJ,装置直径约1.5 m,长度约2.2 m。最终在85 kV充电电压下,二极管负载上获得的电流约为116 kA,电压约为1.1 MV,电压上升时间53 ns,电压脉宽146 ns,二极管阻抗约为9.4 。     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

 介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器，由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA，脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束，X光焦斑均方根直径为1.5mm。     

“闪光二号”加速器适应性改造北大核心CSCD

针对系统电磁脉冲效应研究需求,项目组对"闪光二号"加速器进行了适应性改造,以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构,重点进行了水开关设计,并完成了实验调试。装置输出电压650kV^1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60ns,前沿由改造前的80ns缩短至改造后的30ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29ns、射线宽度约53ns的脉冲硬X射线。     

1.5MeV直线感应加速器的初步调试

本文介绍了新近在中国工程物理研究院建成的一台直线感应加速器。这台加速器由六个250kV的加速组元构成。其中四个用于构成电子源,另外两个用作后加速。输出电子束能量为1.5MeV,束流2—3kA,束脉冲宽度90ns,束的非归—化均方根发射度70mrad-cm。     

40路可扩展高压脉冲触发器

直线变压驱动源(LTD)代表一种新型电路拓扑结构,将储能电容分解为容量很小的单元,能够直接输出快脉冲,而且降低了基本器件所承受的电压和导通的能量,为重频长寿命的大型驱动器研制开辟了道路,因而成为下一代大型Z箍缩聚变能源驱动器的主流技术。LTD的设计思想是一种矛盾转移,将难点从极高电压极高电流的闭合开关转移到大阵列开关的同步触发,因此,触发技术成为研制大型LTD型驱动器的重点。提出了一种可扩展的触发技术,以小型Marx发生器作为初级储能源,利用水介质脉冲形成线作为脉冲形成单元,激光触发气体开关作为输出开关,通过高压电缆匹配输出高压脉冲。给出了输出40路高压脉冲的触发器单元的设计和初步实验结果,Marx充电±60 kV时,触发器单元在75 Ω匹配电阻负载输出电压峰值为106 kV,上升时间约27 ns(10%~90%),半高宽约110 ns。作为输出开关的四个激光触发气体开关在~70%工作系数、激光总能量55 mJ的条件下,导通时间差异小于3 ns。     

1.5MeV LIA脉冲功率系统

本文简要介绍了1.5MeV LIA脉冲功率系统的结构、组成和设计思想;给出了开关运行参数和确定开关时间抖动指标的方法、闭环系统的总抖动对加速电压相对变化的影响、脉冲功率系统各段输出波形和电压幅度的调制关系;测量结果表明,1.5MeV LIA的运行功率和时间同步满足总体设计要求。     

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。     

基于卷绕型带状线的感应电压叠加器的初步实验

 提出了一种基于卷绕型带状线和感应电压叠加器的重复频率脉冲电子束加速器的技术方案。介绍了一台感应电压叠加器感应单元的结构设计,并建立相应的电路模型,对其响应特性进行了模拟研究。介绍了卷绕型带状线的设计原理,制作了一台输出阻抗约3 Ω、脉冲宽度约230 ns的固态化卷绕型带状脉冲形成线。利用该脉冲发生器作为馈源,对感应电压叠加器感应单元的响应特性进行了实验研究,表明感应单元响应良好。对4级感应电压叠加器分别进行了单次脉冲和5 Hz重复频率的实验研究,结果表明叠加器的输出电压约为输入电压幅值的4倍,电流效率约80%,重复频率条件下,脉冲序列重复性较好。     

1 MV阳极杆箍缩二极管数值模型实验研究

阳极杆箍缩二极管（RPD）具有小焦斑、高亮度的特点,是闪光X光机领域的研究热点。基于Marx发生器和脉冲形成线技术路线产生1 MV高电压脉冲驱动RPD,开展了不同结构参数二极管实验研究。基于RPD物理过程的数值模型,分析了结构参数对箍缩物理过程的影响。研究表明在1 MV电压下,RPD阴极等离子体平均扩散速度、阳极等离子体平均扩散速度分别为2,0.6 cm/μs时,该模型可以较好地描述实验结果。在阳极杆直径一定的情况下,二极管数值模型表明减小阴极孔径可以使二极管更快进入强箍缩状态,但过小的阴极孔径会导致二极管间隙过早闭合。