一台基于串级二极管技术的高强度脉冲硬X射线源

介绍了利用串级二极管产生高强度脉冲硬X射线的方法及其辐射场参数。以“闪光二号”加速器为平台,通过适应性改造,产生快前沿电压脉冲;研制了两级阻抗1 Ω串级二极管,通过串联分压降低二极管端电压、各级二极管电子束独立打靶在空间叠加形成高强度均匀辐射场。解决了悬浮电极绝缘支撑、二极管阴极均匀发射等技术难题,实现了串级二极管的稳定工作。在总电压约700 kV、电流约310 kA条件下,X射线平均能量87 keV,500 cm²上的平均能注量36 mJ/cm²,剂量均匀性（最大值比最小值）达到2∶1。     

“闪光二号”加速器适应性改造

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650 kV~1.3 MV稳定可调,脉冲宽度60 ns,前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns,在国内首次成功驱动串级二极管,产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。     

“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。     

高能闪光X射线二极管设计与模拟

 为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

高能闪光X射线二极管设计与模拟

为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

多模导航模拟器时间同步控制系统设计与实现

在多模导航模拟器的设计过程中,由于需要模拟的导航信号频点较多,使得如何修正由于多个上位机程序启动时间差异导致的数据包不同步,以及如何控制不同中频板卡同步启动以产生时间同步的中频信号成为了关键问题。针对这两个问题,设计并实现了一种应用于基于软件无线电体系架构多模导航信号模拟器的时间同步控制系统。该系统通过由系统计时板对外设板卡同步触发启动控制,驱动软件与外设板卡1s时隙同步控制,以及驱动软件向外设板卡传输数据包的同步控制,实现对各系统频点的时间同步控制,能够支持多模导航信号模拟器长时间持续稳定的工作,具有各系统频点时间同步精度高和系统复杂度低等优点。通过联合定位测试结果表明,采用本控制系统的多模导航模拟器的各系统频点的输出信号是时间同步的。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理,解决了发生器电流上的高频信号干扰问题;经过快速比较电路和前级脉冲后,选取了同步信号开始工作的时间点,并形成十几V的触发信号;高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式,该结构的气体开关时间响应为50 ns,抖动小于5 ns,满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV,前沿小于10 ns,系统的工作时延440 ns,抖动13.5 ns;可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻,实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

同心度对杆箍缩二极管物理特性的影响

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一,其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响,使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此,评估同心偏差对二极管物理特性的影响,对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究,分别取三种同心偏差度(小于1%,15.02%和22.92%)状态。在1 MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性,并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明,随着同心偏差度增加,磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加,同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重,降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。     

闪光二号加速器气体主开关同步触发系统

 设计并调试了闪光二号加速器气体主开关同步触发系统。该系统主要由同步控制部分和高压脉冲形成部分构成。整个触发过程包括同步信号的引出、整形滤波、快速比较电路传输、前级脉冲形成、高压脉冲产生。通过对同步信号的整形处理,解决了发生器电流上的高频信号干扰问题;经过快速比较电路和前级脉冲后,选取了同步信号开始工作的时间点,并形成十几V的触发信号;高压脉冲形成部分主开关采用场畸变结合预电离的方式,该结构的气体开关时间响应为50 ns,抖动小于5 ns,满足使用要求。调试结果表明:该系统输出脉冲电压幅值100 kV,前沿小于10 ns,系统的工作时延440 ns,抖动13.5 ns;可通过增加电缆长度来控制触发信号到达气体开关的时刻,实现气体主开关与Marx发生器的延时同步工作。     

基于金属氧化物薄膜晶体管的高速行集成驱动电路

本文提出了一种基于非晶铟锌氧化物薄膜晶体管的高速行集成驱动电路,该电路采用输入级复用的驱动结构,一级输入级驱动三级输出级,不仅减少电路输入级2/3晶体管的数量,实现AMOLED或AMLCD显示屏的窄边框显示,而且输入级的工作频率是输出级的1/3,该结构适用于高速驱动电路.电路内部产生了三次电容耦合效应,每一次电容耦合效应都可以提高相应节点的电压,保证了信号完整传输.输出级采用了一个二极管接法的薄膜晶体管,该薄膜晶体管连接了输出级的控制信号和上拉薄膜晶体管的栅极,利用的每一级输出级输出时所产生的电容耦合效应,增加上拉薄膜晶体管的栅极电压,有效地提高电路输出能力和工作速度.仿真表明电路能够输出脉宽达到4μs速度.最后成功地制作了10级行集成驱动电路,包括10级输入级电路和30级输出级电路,负载为R=10k?和C=100pF,实验结果验证,该电路满足4k×8k显示屏在120 Hz刷新频率下的驱动需求.     

多级多通道气体开关的实验研究

介绍了多级多通道气体开关的实验研究工作。开关在电脉冲触发（触发脉冲幅值85 kV）条件下,工作电压在1.0～2.0 MV范围内能够正常工作。自击穿实验验证了Bradley经验公式对于这种开关的适用性,外触发实验研究得到了开关的触发特性。结果表明：开关击穿延时小于100 ns,抖动小于8 ns;3个开关击穿时刻之间的极差小于10 ns。     

多级多通道气体开关的实验研究

 介绍了多级多通道气体开关的实验研究工作。开关在电脉冲触发（触发脉冲幅值85 kV）条件下,工作电压在1.0～2.0 MV范围内能够正常工作。自击穿实验验证了Bradley经验公式对于这种开关的适用性,外触发实验研究得到了开关的触发特性。结果表明：开关击穿延时小于100 ns,抖动小于8 ns;3个开关击穿时刻之间的极差小于10 ns。     

强流电子束二极管等离子体光学诊断

通过处理强流电子束加速器主开关导通之后所形成的高压电脉冲,得到了二极管等离子体光学诊断的同步时间基准。采用高压电脉冲延时结合二极管等离子体光信号延时的方案,实现了相机曝光过程与等离子体发光过程的ns级精度同步。综合采取屏蔽、滤波等措施,实现了整个系统的电磁兼容,最终稳定地拍摄到了ns时间分辨的二极管等离子体发光过程。     

强流二极管绝缘体滑闪监测及其影响

 以闪光二号加速器为研究平台, 建立了微分环阵列和Rogowski线圈同时监测二极管电流的方法,监测了二极管绝缘体表面的滑闪现象。根据电流探头测量结果的差异,分析了绝缘体滑闪对电子束流参数的影响。二极管绝缘体出现滑闪,位置附近的微分环波形严重畸变,其它位置的微分环和Rogowski线圈测量结果基本一致。采用距离滑闪位置较远的微分环结果处理二极管束流参数,相对于不出现滑闪时的结果,束流强度和总能量没有明显的变化。绝缘体滑闪沿面局部放电,能量损失较小,尚未对电子束流造成较大影响。     

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。     

强流电子束二极管等离子体光学诊断

通过处理强流电子束加速器主开关导通之后所形成的高压电脉冲,得到了二极管等离子体光学诊断的同步时间基准。采用高压电脉冲延时结合二极管等离子体光信号延时的方案,实现了相机曝光过程与等离子体发光过程的ns级精度同步。综合采取屏蔽、滤波等措施,实现了整个系统的电磁兼容,最终稳定地拍摄到了ns时间分辨的二极管等离子体发光过程。     

强流二极管绝缘体滑闪监测及其影响

以闪光二号加速器为研究平台, 建立了微分环阵列和Rogowski线圈同时监测二极管电流的方法,监测了二极管绝缘体表面的滑闪现象。根据电流探头测量结果的差异,分析了绝缘体滑闪对电子束流参数的影响。二极管绝缘体出现滑闪,位置附近的微分环波形严重畸变,其它位置的微分环和Rogowski线圈测量结果基本一致。采用距离滑闪位置较远的微分环结果处理二极管束流参数,相对于不出现滑闪时的结果,束流强度和总能量没有明显的变化。绝缘体滑闪沿面局部放电,能量损失较小,尚未对电子束流造成较大影响。