绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展北大核心CSCD

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度,尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段,有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品,样品内径30 mm,外径50mm,厚度15mm,基本达到设计要求;固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式,开关直流偏置耐压达到20kV,采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1ns的抖动,输出300kV的电压脉冲,输出电压脉冲宽度10ns;进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作,模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。     

介质壁加速器用固态脉冲形成线设计与实验

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为:陶瓷介质长度300mm,宽度15mm,厚度1mm;银电极长度280mm,宽度2mm。电性能参数为:相对介电常数约23.5,特征阻抗约26Ω,电长度约4.5ns,直流耐压场强大于20kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23kV。     

三腔介质壁质子加速器时序优化模拟及设计

采用自主研发的三维粒子模拟软件对三腔介质壁加速器进行系统仿真, 在此基础上, 计算三个腔质子的渡越时间并实现腔体间的时序优化设计。外加电压峰值100 kV, 顶宽1 ns, 半高宽10 ns, 绝缘微堆厚度2.0 cm, 质子初始束能40 keV, 加速电极添加钨网, 模拟结果显示:当电压持续6.5 ns时, 进入高梯度绝缘微堆的H+通过第一腔能得到最大加速效率90.84%, 相应的渡越时间为5.668 ns;当第二腔电压触发落后第一腔4.5 ns时, H+通过第二腔获得最大加速效率94.77%, 相应的渡越时间为3.545 ns;当第三腔电压触发落后第二腔3.0 ns时, H+通过第三腔获得最大加速效率97.30%, 相应的渡越时间为3.018 ns;最大能量H+渡越三个腔体的总时间为12.231 ns, H+总体加速效率94.31%;当质子束中心进入第一腔时刻落后脉冲电压触发6.5 ns, 且一二腔和二三腔电压触发延时分别为4.5 ns和3.0 ns情形下, 能将2.5 ns长度的质子束中的H+实现90%以上的加速, 4.0 ns长度的质子束中的H+实现80%以上的加速。     

多组多路输出100 kV快前沿电脉冲触发系统

 在多路并联运行的电容储能型脉冲功率源中,为实现初级储能气体开关和脉冲形成主开关的同步,需要多组延时可调、每组多路输出的快前沿高电压脉冲来分别触发,为此研制了一套快响应低抖动100 kV快前沿电脉冲触发系统。该系统由同步机DG535和多组电脉冲放大单元组成,各组放大单元输出脉冲的延迟时间可调,延时步长由DG535设定,每组最短延时时间约为305 ns,抖动2 ns,可同时输出多路触发脉冲,在高阻负载上幅值可达180 kV,当输出信号为4路时,上升时间10 ns,当输出信号为8路时,上升时间15 ns。     

4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究

 利用峰值功率可达1 GW的纳秒脉冲源CKP1000开展了4路GW级纳秒脉冲源同步技术实验研究。使用trigatron作为触发开关,通过单路开关触发特性实验研究优化了开关的结构与工作参数,单路开关抖动0.2 ns,建立了实验装置,实现了4路GW级纳秒脉冲源并联同步输出。同步实验结果为: 纳秒脉冲源输出电压230 kV,峰值功率1 GW,脉冲宽度6 ns,4路输出脉冲同步偏差95%以上概率分布在1 ns以内,平均同步偏差630 ps。     

脉冲功率装置的脉冲形成单元研究

 介绍了所研制的脉冲功率装置的组成、脉冲形成单元的设计以及脉冲形成单元实验研究结果。研究了包含脉冲形成线的绝缘设计校验、装置的脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关的抖动的关系。实验结果表明：在3.6 MV脉冲电压作用下，脉冲形成线的前后尼龙隔板未出现表面闪络等绝缘问题，脉冲形成线的绝缘满足设计要求。主同步开关的抖动1.6 ns，脉冲输出开关的抖动小于3.1 ns，脉冲形成单元的整体抖动小于3.0 ns，满足装置同步性能要求。     

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。     

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。     

三脉冲功率系统模块

采用基于并联Blumlein脉冲形成线的MHz重复频率脉冲功率技术和基于激光触发气体开关的多级触发系统,设计了脉冲功率系统模块,该模块具备6路输出能力,每路均可以MHz重复频率猝发方式输出三脉冲,幅度可达300 kV。对模块中的Blumlein装置、脉冲汇流、隔离网络、触发系统等部件参数进行了设计。以多脉冲直线感应加速器感应腔作为负载,对该模块的性能进行了分析,结果表明:模块中每个脉冲的输出时间抖动小于2.3 ns（标准差）,脉冲间最小时间间隔大于500 ns时可在负载上获得高品质波形。     

基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源设计与实验研究

介绍了一种基于薄膜介质线的紧凑型脉冲功率源的设计与实验,脉冲功率源系统体积约0.5 m3,输出功率大于4 GW、脉宽约150 ns。该脉冲功率源采用模块化设计,系统主要包括充电组件、薄膜介质线模块和气体火花间隙开关组三个部分。薄膜介质线储能介质为聚酰亚胺薄膜,为抑制电磁耦合以及电晕现象,匝间距选为30 mm。优化设计的三电极场畸变开关直径150 mm、高45 mm、电感值16.2 nH。为降低系统电感,薄膜介质线模块与开关间采用传输线的布线方式,中间绝缘采用聚酰亚胺膜,在2 mm间距下实现了100 kV耐压。     

基于大功率激光二极管的光导开关导通特性

研究了应用于介质壁加速器的小间隙光导开关在大功率激光二极管驱动下的导通特性。激光二极管产生的激光脉冲中心波长为905nm,脉冲宽度(FWHM)约20ns,前沿约3.1ns,抖动小于200ps,峰值功率约90W。所用光导开关为异面电极结构的砷化镓(GaAs)光导开关,电极间隙5mm,偏置电压为15~22kV脉冲高压,工作在非线性(高增益)模式。测得光导开关最小导通电阻4.1Ω,抖动小于1ns,偏置电压在18kV时平均使用寿命约200次。     

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研究

 利用现有2MeV直线感应注入器，通过改造，将其次级功率源和8个感应腔分成2组，使之交替工作，建立了一台双脉冲电子束源。二极管电压脉冲幅度达到1MeV，电子束脉冲持续时间为120ns，脉冲间隔可以根据需要在100~500ns间进行调节。实验结果表明：该双脉冲电子束源可以产生双脉冲电子束，其电压幅度差值小于2%，束流可达3kA，并且工作稳定，利用该装置可以进行多脉冲二极管物理和天鹅绒多脉冲发射特性实验研究。     

强流四脉冲电子束源实验研究

 为了进行强流多电子束源研究，对现有2MeV LIA 注入器进行了四脉冲改造，二极管脉冲电压约500kV。实验研究了天鹅绒阴极在四脉冲条件下的发射能力、传导电流负载效应以及阴极等离子体运动对阴极电子发射和束能量的影响。利用空间电荷限制流模型推算出阴极等离子体膨胀速率在1 ~4cm/μs之间。     

天鹅绒与碳纳米管阴极强流脉冲发射特性

在2 MeV直线感应加速器注入器平台上开展了天鹅绒阴极与碳纳米管阴极的强流脉冲发射特性综合实验。研究结果表明:天鹅绒阴极与碳纳米管阴极均具有强流脉冲发射性能,在1.61 MV的二极管电压下,天鹅绒阴极与碳纳米管的发射电流密度分别为84,108 A/cm2;启动时间分别为21,40 ns;放气量分别为0.29,0.91 PaL;放出气体分子数目与发射电子数目之比分别为64,225;两种冷阴极强流脉冲发射时的放气质谱相似。     

小间隙异面电极结构的光导开关

介绍了应用于介质壁加速器的小间隙异面电极结构的光导开关。所用光导开关为异面结构的砷化镓（GaAs）光导开关,电极间隙5 mm,偏置电压为15~22 kV脉冲高压,工作在非线性（高增益）模式,由半导体激光器产生的脉冲激光触发。脉冲激光的中心波长为905 nm,脉冲宽度（FWHM）约20 ns,前沿约3.1 ns,抖动小于200 ps,峰值功率约90 W。实验结果表明:光导开关的偏置电压较低时,开关寿命较长,导通性能较差;偏置电压较高、驱动脉冲激光功率较大时,开关导通性能较好,寿命较短。     

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。     

2MeV注入器脉冲电子束时间分辨能谱诊断研究

 介绍了利用磁分析器和电子束产生的契伦科夫辐射光诊断直线感应加速器脉冲电子束时间分辨能谱的原理、方法及诊断系统，对中物院2MeV感应叠加型注入器的2kA强流脉冲电子束时间分辨能谱进行实验诊断，并与二极管电压进行对比分析。测得能量约2.2MeV，60ns内最大能量变化为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。