预脉冲对相对论磁控管工作性能的影响分析

 在阐述预脉冲产生的基础上，分析了预脉冲带来的一系列影响，包括工和电压波形变化，提前生成等离子体，以及预脉冲阶段放大竞争模式等，这些影响与相对论磁控管起振工作频率相联系，从而直接造成了相对论磁控管的基本性能参数，如脉宽、工作频率及输出功率等变化。结合具体实验，对比了有、无预脉冲条件下相对论磁控管工作性能的差异，对预脉冲的影响因素与相对论磁控管性能之间的联系进行了详细的分析。     

等离子作融蚀断路开关实验研究

本文叙述了在EPA-74脉冲线加速器上开展的等离子体融蚀断路开关(PEOS)实验研究工作。实验中采用三个等离子体发射枪,磁绝缘传输线(MITL)的阻抗为133Ω。实验表明PEOS可以降低二极管预脉冲电压。使束的焦斑变小,增大X射线剂量。预脉冲电压由原来的60kV降低到10kV,靶正前1米处X射线剂量增加了77％。     

自耦式紫外预电离开关特性

 研究了300 kV脉冲电压作用下自耦式紫外预电离开关的工作原理。为了在脉冲电压下实现开关的自耦合预电离,设计了适当的分压电路及预电离结构。模拟计算表明,分压电路参数合适时,可以实现预电离间隙与开关主间隙的击穿配合。实验结果表明：在脉冲电压作用下,调节电路参数可以有效调节紫外预电离产生时刻;在适当的时刻产生紫外预电离可以有效减小开关击穿抖动;该开关在240 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于3 ns,在36 ns上升时间脉冲电压作用下击穿抖动可小于2 ns。     

闪光—I加速器的预脉冲电压研究

分析了闪光－Ｉ的预脉冲电压和降低预脉冲电压的效果，采用容性电压探测器实现了对阴阳极之间预脉冲电压的测量。在比较实测波形和预计波形后，提出了改进的等效电路模型，并指出了Ｂｌｕｍｌｅｉｎ中筒也二极管之间耦合电容的影响，提出了进一步降低预脉冲电压的途径。     

长脉冲能源给脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象

 利用简单的理论和电路模拟的方法，分析了爆磁压缩发生器或电容器通过变压器对脉冲形成线充电过程中的预脉冲现象。研究表明由变压器副边电感和脉冲形成线电容构成的回路充电频率和接地电感的大小是影响预脉冲电压幅值的主要因素。由于接地电感的引入带来的高频寄生振荡不会引起预脉冲幅值的变化。在通过变压器对脉冲形成线充电的方案中，由于回路充电频率低，预脉冲电压幅值很小，只有kV量级。在电容器通过变压器为脉冲形成线充电的脉冲功率调制器中，将预脉冲开关去掉进行了实验，并与有预脉冲开关的情况进行了对比，结果发现无预脉冲开关的情况下，不影响二极管的正常工作和产生电子束的质量。     

3 MV自耦式紫外预电离开关的设计

 基于紫外预电离技术和阻容耦合电路研制了应用于高功率装置的三串联3 MV自耦式紫外预电离开关。该开关由紫外预电离间隙和开关主间隙组成。根据同类开关在脉冲电压下的击穿数据推算出3 MV开关的间隙距离,开关主间隙的电场不均匀系数为1.58。采用台阶屏蔽技术使开关有机玻璃筒外沿面最大电场小于50 kV/cm,满足设计要求。设计紫外预电离间隙击穿电压为主脉冲电压的1%,理论模拟计算表明,在0.1～0.7 MPa范围内,预电离间隙电压大于在此范围内间隙击穿电压,保证可靠预电离。     

高功率超宽带双极脉冲产生技术

介绍了采用C-P组合开关产生双极脉冲和采用Blumlein线产生双极脉冲两种高功率双极脉冲产生技术,理想情况下,这两种双极脉冲形成线产生的双极脉冲电压峰-峰值均等于入射脉冲峰值电压的2倍。设计了相应的高功率双极脉冲形成线,并采用Pspice软件对形成线进行了模拟计算。在同一台高功率超宽带单极脉冲源上,分别对这两种双极脉冲形成线进行高压实验研究,结果为:C-P组合开关双极脉冲形成线在入射脉冲电压为855.5 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为812.0 kV、正峰电压为603.2 kV、半周期为720 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.65倍。Blumlein双极脉冲形成线在入射脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍。     

快前沿变压器充电型磁压缩器的分析与设计

提出了一种快前沿充电型磁压缩发生器,采用高耦合系数脉冲变压器和无串接二极管型原边绕组设计,降低了变压器的杂散电感,可以对磁压缩电路进行快速脉冲式充电,有利于减少磁压缩装置的级数和体积。采用T模型对快前沿变压器充电型磁压缩器的电路进行了等效变换,分析了系统设计的原则。结果表明:系统的等效压缩增益远大于1;磁开关应选用高导磁材料。满足上述条件,磁压缩装置的充电效率和预脉冲现象才能获得理想值。研制了一台快前沿变压器充电型磁压缩脉冲发生器,3 nF电容负载上获得前沿时间为990 ns、幅值为50 kV的脉冲,预脉冲约2 kV,磁压缩器的电压效率为98%。     

低预脉冲水介质多通道自击穿开关实验研究

 在“闪光Ⅱ”上进行了水介质多针自击穿开关实验研究。开关由2个或4个开关间隙、预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。介绍了开关结构及其集中参数等效电路模型，并给出了部分参数计算方法。开关间隙在约60 ns时间内被近似线性地充电至约1 MV，开关的放电电流、输入和输出电压分别用罗果夫斯基线圈和硫酸铜水电阻分压器测试。进行了2个间隙结构和4个间隙结构开关实验，开关的放电电流200～550 kA，平均击穿场强600～900 kV/cm。开关间隙抖动小于4 ns，开关间隙的击穿迟滞时间约为60 ns，2个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于3 ns，4个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于5 ns。预脉冲被有效地压缩，输出电压的预脉冲幅值约为输入电压预脉冲幅值的50%，从180 kV压缩至约90 kV，作用时间由600 ns压缩至60 ns。     

一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。     

Impedance Control in Relativistic Electron Diodes with Externally Applied Prepulse

Low impedance relativistic electron accelerators currently produce nominal 50 ns pulses that are capable of power levels near 1 Terawatt at impedances near 1 Ohm. The time-dependent diode impedance characteristic plays a major role In efficiently coupling the pulse line power to an electron beam. In an effort to establish the desired accelerator impedance match early in the pulse, experimentalists have investigated cold cathode vacuum breakdown and subsequent space charge limited emission during the ~ 100 kV machine prepulse. This machine prepulse is due to capacitive coupling across the accelerator switches, and consequently cannot be independently studied and optimized. In this paper, a technique for externally introducing a typically 100 kV, low power conditioning pulse prior to the main pulse of a low impedance relativistic electron diode is described, along with techniques for reducing the machine prepulse to less than 5 kV. For various cathode geometries, the breakdown field, closure velocity, and time-dependent impedance established by this external prepulse is measured and compared with an empirical model of space charge limited emission from a hydro-dynamically expanding plasma. 3 Experimental evidence is presented that the high current accelerator impedance is effectively controlled by the relative time delay between the start of the prepulse and the main pulse.     

长脉冲X波段多注相对论速调管放大器的初步实验研究

设计了工作在长脉冲的X波段同轴强流多注相对论速调管放大器, 对长脉冲强流多注电子束在多注器件结构中的传输、电子束经过输入腔和中间腔后的束流调制以及经过输出腔的微波提取等过程进行了实验研究, 采用了相应的设计措施以减轻实验中出现的脉冲缩短现象, 得到了初步的长脉冲实验结果. 在输入微波功率60 kW、频率9.378 GHz、电子束电压700 kV、束流4.2 kA、轴向引导磁感应强度1 T的条件下, 重频5Hz输出微波功率为670 MW, 脉宽89 ns, 效率为23%, 增益为40 dB, 输出微波频率与输入微波一致. 从实验上验证了几十千瓦级输入微波驱动X波段同轴多注RKA输出几百兆瓦长脉冲高功率微波的可行性, 为后续更高功率研究打下了基础.     

充等离子体微波源高压电源的撬棒保护

 充等离子体高功率微波源——PASOTRON的高压直流电源工作电压为-70kV至-150kV、电流为300A左右,而调制器又悬浮于此高压上工作（电流为60A,脉宽60～120ms）。在工作中,一旦出现管子打火,很容易打坏管子、高压直流电源、调制器或控制柜的电路模块。因此,其控保系统就显得尤为重要。为此采用一种专门研制的高压撬棒,利用简单的自触发电路,达到了满意的保护效果。实验证明,从管子打火到撬棒管作出分流仅滞后150ns,可以分流掉滤波电容中98%以上的储能,工作稳定可靠。     

重复Tesla变压器型相对论电子束加速器的初步试验

研制了一台重复率 Tesla型相对论电子束加速器。空心 Tesla变压器对充油Blumlein传输线充电 ;主开关为自击穿油间隙 ;二极管为平面阴极有箔二极管。试验在重复率为 0 .2 Hz和 1 Hz下分别进行。当重复率为 0 .2 Hz时 ,加速器连续重复放电 70次以上。二极管电压幅值 3 0 0 k V,脉宽 3 0 ns,上升沿约     

相对论返波管驱动的两腔大间隙速调管放大器

在大型功率合成阵列中,为解决现有种子源输出功率不足的问题,提出了利用相对论返波振荡器作为种子源锁定大间隙速调管放大器频率和相位的思路,并进行了由一个相对论返波管驱动一个高功率注入两腔大间隙速调管放大器的理论和初步实验研究。实验结果表明:大间隙速调管的频率被相对论返波管锁定,两个微波源的实时相位差在单脉冲内锁定在16之内,多脉冲间的相对相位差锁定在11之内,锁相时间约40 ns;在注入功率约22 MW时,大间隙速调管的输出功率约230 MW,增益约10 dB。     

Multimegawatt relativistic harmonic gyrotron traveling-wave tubeamplifier experiments

The first multimegawatt (4 MW, η=8%) harmonic (ω=sΩ_c, s=2,3) relativistic gyrotron traveling-wave tube (gyro-twt) amplifier experiment has been designed, built, and tested. Results from this experimental setup, including the first ever reported third-harmonic gyro-twt results, are presented. Operation frequency is 17.1 GHz. Detailed phase measurements are also presented. The electron beam source is SNOMAD-II, a solid-state nonlinear magnetic accelerator driver with nominal parameters of 400 kV and 350 A. The flat-top pulsewidth is 30 ns. The electron beam is focused using a Pierce geometry and then imparted with transverse momentum using a bifilar helical wiggler magnet. The imparted beam pitch is a α≡β_⊥/β_∥≈1. Experimental operation involving both a second-harmonic interaction with the TE₂₁ mode and a third-harmonic interaction with the TE ₃₁ mode, both at 17 GHz, has been characterized. The third-harmonic interaction resulted in 4-MW output power and 50-dB single-pass gain, with an efficiency of up to ~8% (for 115-A beam current). The best measured phase stability of the TE₃₁ amplified pulse was ±10° over a 9-ns period. The phase stability was limited because the maximum RF power was attained when operating far from wiggler resonance. The second harmonic, TE₂₁ had a peak amplified power of 2 MW corresponding to 40 dB single-pass gain and 4% efficiency. The second-harmonic interaction showed stronger superradiant emission than the third-harmonic interaction. Characterizations of the second- and third-harmonic gyro-twt experiments presented here include measurement of far-field radiation patterns, gain and phase versus interaction length, phase stability, and output power versus input power     

低能强流电子加速器的研制

中国科学院近代物理研究所在现有DG系列电子加速器技术的基础上,通过改进加速结构,研制了一台低能强流电子加速器,其设计指标为500 keV/150 mA。该加速器采用高压发生器倒置的结构,并增加了中磁圆盘,提高了电能转换效率。采用了较短的加速管结构,有利于强流电子束的传输,同时使加速器整体更为紧凑。加速器束流调试结果为500 kV/170 mA,完全优于设计指标。     

X波段短脉冲相对论返波管设计与初步实验

 对基于短电子束脉冲超辐射机理的X波段相对论返波管进行了优化设计和粒子模拟，结果表明：在超辐射机理作用下，该器件能实现高峰值功率和高功率转换效率的微波辐射。在小型Tesla脉冲源基础上设计了阻抗变换段、二极管、磁场系统等装置，建立了一套小型窄脉冲电子加速器，以此为实验平台在低磁场条件下进行了器件的初步实验研究。在磁场0.73 T、束压约380 kV、束流约4.5 kA、脉宽3.1 ns条件下，实验获得的微波脉冲峰值功率约360 MW，脉宽1.10 ns，上升沿800 ps，频率9.15 GHz，功率转换效率为21%。     

S波段相对论速调管放大器同轴输出腔的数值模拟

 介绍了S波段强流相对论速调管放大器（RKA）同轴输出腔内束波转换效率和腔主要参数的计算、微波提取的粒子模拟和优化以及实验。模拟计算时，采用单间隙的同轴输出腔，束压580 kV、束流4 kA的环行电子束，基波调制深度为80%，利用3维粒子程序得到约500 MW的微波输出功率，效率21.5%。将该模拟结果应用于实验的设计，实验中采用束压550 kV、束流4 kA的电子束得到功率500 MW、脉宽120 ns的输出微波，束波转换效率22.7%，实验结果与模拟结果吻合较好。     

Experiment of X-ray Generations Using Laser-Compton Scattering at LINAC of SINAP

Laser Compton scattering(LCS) can generate X-rays or y-rays with high brightness and easy controlled polarization by applying high-peak-power laser pulses to relativistic electron bunches.One of the most promising approaches to short pulsed X-ray sources is the laser synchrotron source.It is based on LCS between picoseconds relativistic electron bunches and picoseconds laser pulses.A project of Shanghai laser electron gamma source with LCS method has been proposed on Shanghai synchrotron radiation facility.Before that,a prototype has been developed in the beamline of the linear accelerator at the Shanghai Institute of Applied Physics,Chinese Academy of Sciences.The LCS experiment was carried out by using the 107 MeV,5 Hz,1 ns,0.1 nC electron bunches from the linear accelerator and the 18 ns,10 MW peak power,Nd:YAG laser pulses.In this communication,we describe the details and report the first results of this experiment.