重复频率亚纳秒脉冲硬X射线发生器

研制了一种重复频率快脉冲硬X射线发生器,该发生器的主要设备包括纳秒脉冲功率源、亚纳秒脉冲发生器、功率负载二极管装置、真空系统和二极管运行监测探测器5部分。对该发生器的工作原理、结构特点进行了介绍,通过建立的发生器运行电参数监测以及辐射场参数测量手段,对源的运行电流、电压参数以及辐射场参数进行了初步监测和分析,并考验了源运行的稳定性。结果表明：该发生器结构以及运行方式灵活、稳定性好,实现了射线的能量上限、能谱、强度、脉宽等多种重要参数在线可调,且射线有一定的强度,可以为快响应探头标定等实验提供合适的纳秒、皮秒脉冲硬X射线辐射场。     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度,对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源,装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm,重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器,采用新颖的三谐振变压技术,将纳秒脉冲形成线充电至520 kV,通过油介质自击穿开关放电,输出370 kV,3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压,并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩,产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理,设计了刀刃阴极X光管,在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω,管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×10¹⁶ MeV·cm^-2·s^-1,累积照射量为4.1 mR。     

重复频率纳秒脉冲源程控脉冲发生器

介绍了一种可以完成脉宽、幅值、频率可调、十路脉冲输出且延时可调功能的程控脉冲发生器。硬件主要包括主电源和辅助电源、功率放大电路、控制系统处理器、数字键盘和液晶显示屏。该脉冲发生器输出脉冲宽度可在1~30 s间调节,脉冲幅值在1~15 V间调节,输出脉冲频率范围为1 Hz~30 kHz,十路脉冲输出中每路脉冲之间可以在0~1 ms范围内精确调节。该脉冲发生器可为多个脉冲源的并联运行提供延时触发,为多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关串联提供同步触发。     

重复频率纳秒脉冲源程控脉冲发生器

介绍了一种可以完成脉宽、幅值、频率可调、十路脉冲输出且延时可调功能的程控脉冲发生器。硬件主要包括主电源和辅助电源、功率放大电路、控制系统处理器、数字键盘和液晶显示屏。该脉冲发生器输出脉冲宽度可在1~30 s间调节,脉冲幅值在1~15 V间调节,输出脉冲频率范围为1 Hz~30 kHz,十路脉冲输出中每路脉冲之间可以在0~1 ms范围内精确调节。该脉冲发生器可为多个脉冲源的并联运行提供延时触发,为多个绝缘栅双极型晶体管(IGBT)开关串联提供同步触发。     

可调间隙亚纳秒气体开关的研制

 设计了一种高工作电压、高重复频率的亚纳秒气体开关,该开关由Peaking间隙和Chopping间隙组成,可以将纳秒信号转化为亚纳秒脉冲。开关腔外有两组调节旋钮,分别用来调节Peaking间隙和Chopping间隙,使输入脉冲的前后沿能同时得到锐化。对设计的开关进行的实验研究结果表明：在系统重频5 Hz运行时,开关能稳定输出电压278 kV、脉宽620 ps的脉冲;在系统重频100 Hz运行时,开关能稳定输出电压270 kV、脉宽700 ps的脉冲。     

一种三传输线型亚纳秒脉冲压缩装置

介绍了一种采用三传输线型形成线压缩技术直接产生高功率亚纳秒脉冲的方法。给出了脉冲压缩的理论分析,设计了相应的脉冲压缩装置,并采用Pspice软件建立了电路模型,计算结果显示脉冲压缩装置的功率增益可达到2.25倍,验证了理论分析。基于现有的CKP1000超宽谱脉冲源,建立了完整的脉冲压缩实验系统并展开实验研究,结果表明：脉冲压缩装置在入射脉冲电压220 kV、脉宽5 ns的情况下,可产生峰值电压295 kV,半高宽约800 ps,前沿400 ps的亚纳秒脉冲,脉冲压缩装置的功率增益约为1.8倍,实验结果与理论值基本相符。     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。

     

亚纳秒脉冲高电压测量探头

为测量紧凑型快前沿高电压脉冲源的输出电压,设计了D-dot电压探头。分别进行了刻度因素标定和频响标定,采用前沿约50 ns的高压脉冲信号对探头进行在线标定确定探头的刻度因素。将探头安装在阻抗为50 的传输线上,用亚纳秒脉冲源进行频响标定,表明该探头的响应约为150 ps。高压实验结果表明该探头能够正确获取高电压快脉冲信号,工作稳定可靠。     

紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置的设计研制

分析了三传输线型脉冲压缩装置的原理,从提高功率增益和小型化角度,在脉冲压缩装置中设计了一种3起端并联绕线的内置型高阻螺旋线结构。建立电路仿真模型和三维结构电磁场仿真模型,分析了高阻螺旋线特征参数对功率增益的影响。根据优化后的结果研制出紧凑型高功率亚纳秒脉冲压缩装置,经测试,前级输入脉冲宽度8 ns,功率1 GW时,输出脉冲宽度1.5 ns,功率3.7 GW,功率增益3.7。经过30万次运行考核,装置内部无滑闪和击穿现象,验证了设计可靠性。     

1.2 MV重复频率脉冲电源的测试诊断系统

为了更好分析系统的放电特性和工作状态,优化脉冲功率源系统的设计,研制了一套1.2 MV重复频率高功率微波驱动电源测试诊断系统。通过研究高电压、大电流测试技术和数据采集、信号处理、故障诊断技术,同时运用虚拟仪器和电磁兼容等技术,探索开发了一套重复频率脉冲电压电流测试诊断系统。结合系统的研制需求,通过分析各种数据采集设备的优缺点,硬件选用了凌华公司的PXI数据采集系统,软件采用LabVIEW,设计开发了重复频率快信号的采集诊断程序,研制出实时诊断系统,并在1.2 MV重复频率脉冲电源系统中应用,实现了对重复频率电源关键点电压电流的测试以及数据的诊断、处理和远程在线监测,出现故障时报警、存储数据并自动断电等功能。     

Soft X-ray enhancement from porous target irradiated by high power sub-nanosecond laser beam and the effect of plasma opacity

In this paper, we investigate numerically the enhancement of the soft continuum X-ray yield emitted from porous aluminum targets irradiated by sub-nanosecond high power pulsed laser beam. The calculations were conducted for two different conditions: (i) ignoring plasma opacity, and (ii) including it in the calculations; and finally the results were compared. In the calculations, the main emission mechanisms were assumed to be the free–bound and free–free (bremsstrahlung) transitions at water windows wavelengths ranges 2.3–4.4 nm and also 12.6–14.6 nm, which is useful for lithography applications. The free–free and bound–free transitions were also considered for calculating the opacity. The results show that for both conditions, the X-ray yield rises with increasing the porosity and the increase rate is almost equal in both cases; however, the calculations are not appropriate for estimating the absolute values of the X-ray yield when the plasma opacity is ignored.     

全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器

设计制作了全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器,最高重复频率5 kHz,脉宽70 ns,通过调节初始储能电容上的电压可在500 阻性负载上获得4~40 kV连续可调的输出电压。通过分析简化的磁压缩末级回路,分析了预脉冲产生的过程,得出了预脉冲的电压表达式,选取适当的磁芯相对磁导率,经过求解,得出在磁开关未饱和电感一定时预脉冲随负载阻值变化的曲线簇,从曲线中可以看出：随着负载的阻值的增大,预脉冲的峰值绝对值也增大;在负载恒定的情况下,增大磁开关未饱和电感的大小可以显著地减小负载两端预脉冲的峰值绝对值,这要求磁开关磁芯有更高的相对磁导率。     

全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器

设计制作了全固态高重复频率磁脉冲压缩发生器,最高重复频率5 kHz,脉宽70 ns,通过调节初始储能电容上的电压可在500 阻性负载上获得4~40 kV连续可调的输出电压。通过分析简化的磁压缩末级回路,分析了预脉冲产生的过程,得出了预脉冲的电压表达式,选取适当的磁芯相对磁导率,经过求解,得出在磁开关未饱和电感一定时预脉冲随负载阻值变化的曲线簇,从曲线中可以看出:随着负载的阻值的增大,预脉冲的峰值绝对值也增大;在负载恒定的情况下,增大磁开关未饱和电感的大小可以显著地减小负载两端预脉冲的峰值绝对值,这要求磁开关磁芯有更高的相对磁导率。     

基于细线径螺旋脉冲形成线的长脉冲产生技术

提出了一种包含内外筒、细线径、多起端密绕的螺旋脉冲形成线(PFL)结构,与Tesla变压器有机组合,构建了长脉冲产生装置,可以实现较高的能量效率,并且结构紧凑,适于重复频率工作。以最大充电电压为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为12.6倍慢波系数,且形成线纵横比大于3.1时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95;以形成线最大储能为结构设计原则,螺旋PFL波阻抗为7.5倍慢波系数,且形成线纵横比大于2.0时,Tesla变压器的耦合度能达到0.95。实验结果与理论分析吻合得较好。     

皮秒脉冲功率技术理论模型及其优化设计

为了产生100~500 ps,200~500 kV,1~10 kA数量级的皮秒放电脉冲,建立了一个皮秒脉冲发生器理论模型,并提出利用增益系数极值法,确定其最大兼容工作点,相对于纳秒脉冲成形线,皮秒脉冲成形线实现了90%,70%,85%的归一化电压增益、能量增益和放电功率增益。为了最大限度地降低皮秒脉冲成形线的载压时间,提高系统的绝缘安全因子,利用华罗庚0.618优算法,设计了电压传输系数。在纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线阻抗比值等于1.63条件下,在4倍和6倍皮秒脉冲成形线时间之内,归一化电压增益、能量增益和放电功率增益就可以分别达到94%,72%,89%与99%,53%,97%。     

脉冲硬X射线能注量测量系统结构设计

确定了利用全吸收法测量硬X射线能注量的技术方案,阐述了能注量测量的基本原理。结合实际测量环境,选择光电管和高密度硅酸镥闪烁体作为测量系统,分析了各个测量组件参数的影响因素。利用蒙特卡罗程序模拟了硬X射线在闪烁体中能量沉积的轴向分布,并计算了光子的透射率,据此确定了硅酸镥闪烁体的厚度为20 mm。完成了准直系统和电磁屏蔽系统的设计,增加了信噪比。     

一种可调的高压脉冲发生器

介绍了一种可调的高压脉冲发生器,该发生器主要由储能电容器组、氢闸流管、电压调节器、保护电路、高压变压器等部件组成。储能电容器组的电容量、充电电压和与高压变压器的连接端口可灵活地进行调节,从而使高压脉冲发生器可产生正极性或负极性,脉冲底宽为1.4～4.3μs,脉冲幅度为10～200kV的高压脉冲,脉冲的上升沿在0.4～0.6μs之间。该高压脉冲发生器有较强的带负载能力,外接负载只要大于1.2kΩ就能保证性能的稳定。