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。     

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。     

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。     

叠片法测量脉冲X射线源焦斑

 介绍了叠片法测量脉冲X射线源焦斑的原理。对确定结构和尺寸的金属、薄膜叠片及测试系统布局,数值计算了叠片法的空间分辨及对均匀分布线光源的输出响应,得到响应曲线半高宽与焦斑尺寸的对应关系。计算结果表明,叠片法不适用于测量小于2 mm的焦斑。在感应电压叠加器上开展了阳极杆箍缩二极管实验,采用叠片法测量二极管X射线源轴向焦斑,与针孔照相结果基本相符,说明叠片法可用于脉冲X射线源焦斑尺寸测量。     

3 MV感应电压叠加器的磁感应腔研制

 根据脉冲驱动源和负载参数,提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70 ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求,确定了磁芯的几何尺寸;研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环,明确磁环数量不少于6只;在30 T/s时,实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当;估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3 μH,涡流损耗电阻约为139 Ω。根据临界击穿场强的经验公式,采用电场数值分析方法,确定了磁感应腔的电气结构;实验验证了磁感应腔设计有效性;建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型,阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形,与实验结果基本相符。     

预充等离子体密度对杆箍缩二极管特性的影响

在杆箍缩二极管工作前预先填充一定密度的等离子体,可以改善二极管特性,从而提高二极管出射X射线的剂量率。建立了预充等离子体的杆箍缩二极管的粒子模拟模型,通过收集轰击到阳极上的电子,诊断其轴向分布,可以给出不同时刻的束流箍缩特性。利用"剑光一号"加速器低阻抗状态(1 MV/9Ω/40ns)开展了预充等离子体的杆箍缩二极管实验研究。预充适当密度的等离子体后,二极管阻抗降低到10Ω,X射线辐射剂量从0.76mGy提高到3.19mGy,侧向焦斑从9mm降到4mm。模拟结果和实验基本符合。     

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。     

杆箍缩二极管X射线焦斑的成像法测量

 X射线源的焦斑尺寸是反映杆箍缩二极管射线源成像性能的重要参数。利用针孔成像法对MeV级脉冲X射线源的焦斑进行了2维图像测量。厚针孔采用直孔段加单锥体结构,直孔段孔径为0.2 mm。对于0.5 MeV的X射线,5倍成像倍率下调制传递函数值为0.5时空间分辨达到2.0 lp·mm^-1。图像采集系统由闪烁体、物镜和CCD相机组成,物镜的成像倍率约0.34。实验结果经过模糊校正后,得到了焦斑的图像和调制传递函数。根据调制传递函数值为0.5时对应的空间频率值,给出X射线源焦斑的尺寸。阳极杆直径为1.2 mm时,X射线源焦斑的高斯分布等效直径为0.86 mm。     

重复频率低阻抗紧凑Marx脉冲功率源

为了实现重频脉冲功率源小型化,研制了基于快Marx发生器的紧凑型重频低阻抗脉冲功率源。采用大功率重频高压电源对Marx发生器充电,通过对充电电源和脉冲触发源的同步控制,实现对Marx发生器重频充电;Marx发生器中采用薄膜脉冲电容器、小型化气体开关、电感隔离以及SF₆气体绝缘等设计,以8级紧凑Marx发生器进行验证性研究,在16 Ω阻抗负载上实现了重复频率10 Hz、脉宽150 ns、峰值电压大于400 kV连续多脉冲输出;在此基础上,设计了18级紧凑型Marx发生器,在约18 Ω阻抗负载上输出功率达到33 GW,峰值功率密度大于150 GW/m3,实现重复频率5 Hz、脉宽约160 ns、峰值电压大于600 kV的连续多脉冲输出。为了降低Marx发生器的输出阻抗,采用4台电容器并联作为Marx发生器的一级储能模块,研制了同轴紧凑Marx脉冲功率源,有效减小放电回路电感,实现12 Ω低阻抗负载近似匹配输出,前沿减小至50 ns以下,脉宽约130 ns。     

陡化前沿Marx发生器的阻抗特性

 利用50 kV无感电容器与固体电阻制作了10级陡化前沿Marx发生器,实现了电容储能型脉冲功率调制系统的小型化。使用不同阻值的水电阻负载研究了发生器的阻抗特性,并进一步制作了金属膜电阻负载进行实验,测定90 Ω负载可以使发生器处于临界阻尼放电状态,从而确定发生器的内部阻抗约为45 Ω。当充电电压为40 kV时,在金属膜电阻负载上得到了幅值约为210 kV,脉宽约为40 ns,前沿约为5 ns的快前沿高压脉冲。利用此发生器成功地驱动了强流二极管,当二极管阴阳极间距为15 mm时,在30 kV充电情况下,其输出电压约为154 kV,束流约为1 kA。     

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。     

“闪光二号”加速器运行状态分析及维护

介绍了闪光二号加速器在实验运行过程中,Marx发生器、水介质同轴线和二极管的常见故障。Marx发生器200 kV气体开关、水介质同轴线的主开关和预脉冲开关、二极管阴极表面电场和阴阳极间隙等是各部分出现故障的主要原因,针对故障采取相应的维护措施和注意事项,可实现闪光二号加速器正常稳定的运行。     

新的高能注量电子束二极管系统

 为“闪光二号”加速器研制了新的二极管系统, 其电子束能注量比原二极管系统大3倍多。该系统由带滑闪开关的二极管、漂移管、脉冲磁场和真空靶室等部分组成, 通过减小阴极直径、增大轴向磁场强度和磁透镜比，调节滑闪开关距离和预脉冲开关气压等技术措施, 使二极管具有高能注量电子束输出的稳定工作状态, 在Marx发生器充电电压70kV条件下，在距阴极22cm的靶上获得了总能量21.5kJ、束斑直径52mm和能注量1.01kJ/cm²的电子束输出。     

几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用

 为追踪国际上脉冲功率技术的发展方向,在“闪光二号”加速器上开展了水介质形成线并联技术、多级多通道气体开关技术和同步触发技术等研究。经过3维结构下电场分布的模拟计算和绝缘设计,采用3根6 Ω小水线并联组成了2 Ω水介质形成线,研制成功了作为主开关的3 MV多级多通道气体触发开关,并实现了3个多级多通道气体开关的并联运行;采用工作时延446 ns的同步触发系统实现了Marx发生器与主开关的延时同步运行。真空负压下的涡流循环冲刷消除水中气泡技术应用于水介质形成线上,有效消除了并联形成线汇聚结构处的气泡,提高了加速器运行的安全性。经过调试后,加速器重新获得了稳定的运行状态,几项新技术的应用获得成功。     

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 。     

Experiments with a plasma-filled rod-pinch diode on the MIG generator

Experimental data for creating an X-ray source several millimeters in size on the basis of a plasmafilled rod-pinch diode are reported. Experiments are carried out on the MIG high-current generator. A voltage pulse applied to the diode is sharpened and shortened by injecting plasma into the interelectrode gap up to the plasma-filled diode. Radiation extraction from the vacuum chamber in the paraxial direction is provided by inverting the positions of the cathode and anode using a post-hole vacuum convolute. It is demonstrated that the energy of a low-impedance high-current generator can be deposited with a high efficiency into an electron beam focused on the 1-mm² tip of the rod-shaped anode. With a tapered tungsten rod 1.5 mm in diameter used as an anode, a pulsed X-ray source about 1 mm in size generating 30-ns-long pulses is obtained. The absorbed dose per pulse measured with a LiF thermoluminescent dosimeter behind a 5-mm-thick aluminum screen 1 m away from the source reaches 0.042 Gy.