强流脉冲相对论电子束加速器：—闪光二号

本文介绍了在西北核技术研究所建成的一台低阻抗脉冲电子束加速器——闪光二号。它主要用于核辐射效应模拟。加速器系统由Marx发生器、水介质同轴线和二极管三大主机部件以及十几个配套设备所组成。文中给出了在允电电压±55kV和±70kV两个电压等级下调试和运行的结果。最大输出电流600kA,管电压1.2MV。目前该加速器已用于电子束和X射线的实验研究。     

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。     

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。     

闪光二号—一台太瓦级脉冲电子束加速器及其应用

简要评述了高功率脉冲相对论电子束加速器国内外发展情况，指出西北核技术研究所研制成功的闪光二号加速器是我国在这一领域的重大进展，描述了闪光二号加速器的Ｍａｒｘ产生器水介质同轴线和二极管的工作原理、结构及其参数，介绍了１９９０年以来，在这台加速器上，在电子不对材料结构的热力学效应，泵浦准分子激光和产生高功率微波等方面所进行的实验研究。     

MC55低阻抗强流脉冲电子加速器研制

介绍了MC55低阻抗强流脉冲电子加速器的结构及主要技术参数,给出了加速器的初步调试结果。该加速器由Marx发生器、10Ω水介质单筒形成线、高压自击穿气体开关、水介质传输线和真空二极管组成。经过初步调试,该加速器可以产生电压500 kV,电流50 kA,脉冲宽度50 ns的强流电子束。目前MC55加速器已应用于同轴虚阴极振荡器高功率微波源的实验研究。     

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。     

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。     

Marx发生器建立时间及抖动实验研究

 Marx发生器建立时间及抖动与Marx发生器中球隙开关的工作状态有关，同时与开关的触发电压幅值及极性有关。通过实验获得了Marx发生器建立时间及抖动最小时最佳工作状态的相关参数。天光一号电子束加速器从同步机发出指令信号至主Marx输出，总的延时及抖动为（1629±8.4）ns，满足MOPA系统建立时间抖动小于20ns的要求。     

小型闪光X射线机研究进展综述

闪光X射线照相常用来拍摄高速运动物体的内部结构与流体动力学行为,也逐渐拓展到工业探伤、精密系统状态检测等领域。概述了小型闪光X射线机的研究历程与进展,包括Marx发生器、脉冲形成线、快脉冲直线型变压器、高压变压器4种主要技术路线与开关、 X射线二极管2种关键元器件,讨论了小型闪光X射线照相系统的研究现状,探究了国外成熟的商业小型X光机与国内商业产品的不足,分析了小型闪光X光机将来的发展趋势,为小型闪光X射线机的研发和商业普及探索提供参考。     

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。     

“聚龙一号”装置同步性实验研究北大核心CSCD

分析了"聚龙一号"装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响,Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率,主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键,即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通,12台激光器可以独立调整精确的出光时间,用下方的主开关比上方的提前20ns导通的方式来修正传输线长度上的差异,将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明,Marx发生器同步性抖动为11ns,主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4ns和10ns,"聚龙一号"装置的同步性抖动为6ns。在同一负载参数下,磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。     

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。     

流体物理研究所高功率脉冲技术研究进展

中国工程物理研究院流体物理研究所是中国最早开展高功率脉冲技术研究的单位,文章简要回顾了流体物理研究所50年来在高功率脉冲技术研究方面的研究情况,介绍了中国大型高功率装置的典型代表、新近建成的世界最高水平的直线感应加速器神龙一号装置(20MeV,2.5kA,80ns),以及超高功率装置--正在建设的用于Z箍缩研究的初级实验平台(PTS,8-10MA,90ns).神龙一号是由84个感应腔串接而成的强流脉冲直线感应电子加速器,每个感应腔由Marx高电压发生器和Blumlein脉冲形成线组成的高功率脉冲系统驱动,逐级加速电子束打靶,通过韧致辐射产生强X射线,对武器内爆过程进行瞬态闪光照相.PTS装置是一台基于Marx发生器和水介质脉冲成形技术、由24路相同模块并联构成的超高功率装置,其单路验证性样机已经完成研制并达到设计指标要求,PTS主机的建设正在进行中.文章还介绍了近几十年来在高功率开关、直线感应加速器(LIA)、Z箍缩、脉冲X光机、爆磁压缩技术、重复频率脉冲技术、直线变压器技术、时间分辨快脉冲诊断技术等高功率脉冲技术方面的研究进展.     

Pspice子模块在脉冲功率装置电路模拟中的应用

介绍了Pspice子模块的建立方法;根据气体开关和强流二极管的工作原理,建立了能够较为准确描述这些部件工作过程的子模块;模拟了闪光二号加速器二极管正常工作和短路状态下的电压电流输出结果,二极管电压电流和阻抗模拟结果与实验结果基本一致。建模方法和参数控制方法可以用于阻抗非线性、工作过程复杂、随机性较大的部件的电路模拟,有利于使用大规模相同部件电路的参数控制。     

低抖动Marx发生器设计与实验

提出并设计了一种Marx发生器线路,将电路模拟和实验验证结果与传统的Marx线路进行了比较,结果表明,所设计的线路通过保证Marx后级开关上的过电压幅值,来保证开关可靠击穿并减小开关自击穿所需时间,从而减小Marx发生器的抖动和增大工作范围。在此线路基础上,设计了一种用于直线感应加速器脉冲功率系统的Marx发生器,该发生器采用正负双极性直流充电,使用低抖动的场畸变火花隙开关作为脉冲形成开关,最大储能16.87 kJ,最高输出电压450 kV,在一定工作状态下可以达到亚纳秒级的时间抖动。     

基于半导体开关和磁开关的全固态脉冲电源

利用磁开关来改善全固态Marx发生器的脉冲上升沿,并构建出一套脉冲电源。该套脉冲源包括基于IGBT半桥模块的Marx发生器和由磁开关与锐化电容构成的脉冲陡化电路。该电源用原边一匝的脉冲变压器为IGBT提供驱动信号,并且原副边绕组均采用同轴线以屏蔽电磁干扰;在门极采用无源过流保护的方法,以防止负载短路对IGBT放电开关造成损坏。实验结果表明:在电压10 kV,电流170 A的情况下,脉冲前沿由1.5μs压缩到了200 ns,同时IGBT的开通损耗由原来的10 mJ降到不足1 mJ。     

“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。     

百kJ级储能型Marx发生器建立时间及抖动

针对"闪光二号"百kJ级储能型Marx发生器,设计了研究其建立时间和抖动的实验方案,根据发生器开关击穿模式的不同,分别研究了典型排的建立时间和抖动与Marx发生器建立时间和抖动之间的关系,研究了开关工作系数与Marx发生器及其典型排建立时间的关系。对Marx发生器建立时间、发生器第一排和第二排建立时间的实验测量表明:Marx发生器第一排建立时间对整个发生器的贡献大于60%,前两排建立时间对整个发生器的贡献大于73%;Marx发生器建立时间抖动主要来源于发生器第一排建立时间抖动,第一排建立时间和抖动则主要来自于气体火花开关的击穿时延抖动。根据实验结果,分析了影响建立时间抖动的主要因素,提出了减小建立时间抖动的措施。