绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展

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。     

能散对直线感应加速器焦斑分布的影响北大核心CSCD

介绍了均方根(RMS)、半高全宽(FWHM)和50%调制传递函数(MTF)等效均匀分布等焦斑尺寸评价方法。针对一台直线感应加速器,通过建立理论模型和开展逐束片PIC模拟研究了长脉冲(约100 ns)电子束的聚焦过程,分析了能量、流强与平顶区差异较大的脉冲上升/下降沿对FWHM和MTF焦斑尺寸的影响。研究结果表明:能散度较大的束流上升/下降沿会导致束流焦斑,尤其是MTF焦斑显著增长,在模拟结果中FWHM尺寸增长约9%,而MTF尺寸增长达到约24%,是目前导致束流底宽偏大的主要因素之一。     

介质壁直线加速器加速单元间的电路耦合及解耦

中国工程物理研究院流体物理研究所研发的介质壁直线加速器是基于固态脉冲形成线、GaAs光导开关和高梯度绝缘介质壁三项关键技术的新型直线脉冲加速器。在加速器调试阶段,测量出获得加速的质子束流能量远低于预期值,在排除功率源负载能力因素之后,发现脉冲功率源因连接回路引起的电路耦合效应是导致束流能量低的主要原因。基于介质壁直线加速器加速单元放电回路结构的分析,确认了加速单元之间的电路耦合的必然性。并通过测量回路电流,研究了几种不同工作模式下的电路耦合效应。结合电路耦合的特点,给出了两种基于磁芯隔离的解耦方法,并测量了这两种方法的解耦效率。     

神龙二号加速器绝缘环真空沿面闪络

在对神龙二号加速器绝缘环进行耐压考核时发现,感应腔中的绝缘支撑部件交联聚苯乙烯绝缘环在猝发多脉冲高压加载下出现的真空沿面闪络现象存在两种类型:阴极始发的闪络击穿和阳极始发的闪络击穿。通过计算绝缘环的沿面电场分布、对比击穿电压波形与绝缘环表面闪络放电烧蚀痕迹,结合小绝缘子样品实验结果对以上沿面击穿现象的机理进行了分析,认为可能是绝缘环端面与电极面的配合问题引起了加速段与注入器绝缘环击穿现象的差异。     

介质壁加速腔加速结构优化

为了在介质壁加速器中增大轴向加速电场, 提高加速梯度的同时抑制径向电场对束包络的扩张, 提出了在每个加速电极上添加金属栅网结构。采用基于粒子云网格方法的电磁粒子模拟软件对不加栅网与添加栅网的电极结构进行了数值仿真, 分析了不同结构下加速管道中的电场分布和束包络变化。通过实验对比了两种不同结构下经过相同的加速长度获得的粒子能量。结果表明:添加金属栅网结构相对于不加栅网的金属小孔式结构, 轴向加速电场强度提高20%, 同时径向电场得到有效抑制;栅网结构下, 被加速的粒子束在自由漂移空间中的径向发散基本得到抑制;在相同的加速长度下加速H3+粒子, 栅网结构得到的能量增益提高了一倍。     

天鹅绒阴极产生的双脉冲强流相对论电子束特性实验研究

在时间分辨的模式下, 实验研究了天鹅绒阴极产生的双脉冲相对论强流电子束的束心运动、束包络和束的发射度. 在实验中, 电子束流强度和电子束心运动用电阻环进行测试, 而电子束和石英玻璃的相互作用产生的契仑科夫辐射用来给出电子束包络和发射度信息. 电子束和石英玻璃作用产生的契仑科夫辐射用1台8幅分幅相机记录. 实验结果表明, 天鹅绒阴极产生的相对论强流双脉冲电子束在束流大小、束心运动轨迹、束包络及束发射度等方面具有较好的一致性.     

感应叠加过程行波分析和模拟

 采用变换矩阵为研究工具对感应叠加过程中行波的传播、透射、反射进行了分析，得到了和集中参数分析一致的稳定解，给出了电压随时间变化的细节。建立了3.5 MeV注入器脉冲功率源和感应叠加结构的电路模型，得到的感应腔压模拟波形和实验波形基本一致，结合行波分析法基本解释了腔压波形和Blumlein线输出波形之间较大差异的成因，阴极叠加电压的模拟也反映了实验中主脉冲后的反射波形。     

碳纳米管阴极的强流脉冲发射性能研究

采用丝网印刷和涂敷方法制备了两种碳纳米管阴极，并研究了两种阴极的强流脉冲发射特性，表征了阴极表面碳纳米管的形貌及分布.研究结果表明在脉冲宽度为100 ns、电压为1.64×10⁶ V的脉冲电场下，涂敷法制备阴极的场发射电流最高达5.11 kA，最高发射电流密度达260 A/cm².丝网印刷法制备阴极的场发射稳定性优于涂敷法制备阴极，但其发射电流低.阴极表面发射体的形貌与分布影响了阴极的脉冲发射性能.碳纳米管阴极的脉冲发射机理为爆炸电子发射.碳纳米管阴极可以作为强 关键词： 碳纳米管 阴极 脉冲发射 强电流     

大面积热阴极系统设计及初步实验结果

建立了能满足大面积热阴极系统需要的2MeV热阴极实验平台, 并配合研制了直径为100mm的B型储备式热阴极. 在二极管电压为1.8MV、脉宽90ns(FWHM)、阴极工作温度为1350℃情况下, 利用法拉第筒获得了1000A的发射电流, 发射电流密度约12A/cm². 实验结果表明, 利用大面极热阴极获得高亮度强流电子束在工程上是可以实现的. 实验结果也表明, 阴极发射能力强烈依靠于二极管真空和阴极工作温度.