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。     

150kV脉冲X射线测试系统

基于Marx发生器原理设计了150kV脉冲X射线测试系统,该系统采用正负极充电的双边Marx发生器线路,Marx发生器设计为15级同轴结构,采用紧凑低电感设计来获得窄脉冲的输出。实验结果表明,X光机设计合理,获得了窄脉宽、高幅度的高压脉冲输出:在充电电压为20kV的情况下,X射线管电压150kV;X射线脉宽约60ns;25cm处剂量约7.8×10-6 C/kg;焦斑直径2.5mm。搭配计算机X射线摄影系统,成像面积可达30cm×40cm,分辨力大于1lp/mm,可以满足一般低能闪光照相的需要。     

荧光偏振法研究脉冲电场对酿酒酵母细胞膜流动性影响

以DPH(1,6-二苯基-1,3,5-己三烯)为荧光探剂,采用荧光偏振法探讨了脉冲电场(0～25 kV·cm-1,0～266 ms)对酿酒酵母细胞膜流动性影响。经5 kV·cm-1电场处理后,酿酒酵母细胞膜的流动性显著减小,并且随电场强度和处理时间的增加而减小;通过平板计数法和紫外分光光度计法分别检测了脉冲电场对酿酒酵母细胞存活对数及膜通透性影响。结果显示,5 kV·cm-1虽然只能使少量的酵母致死,却能使酵母细胞膜的通透性显著增加,膜流动性显著降低。并且细胞的存活率随电场强度增大而减小,细胞膜的通透性随电场强度增大而增大。这表明细胞膜的流动性降低与细胞膜的通透性升高成正相关,与细胞的存活率成负相关。由此推测脉冲电场在对酿酒酵母灭菌过程中,细胞膜是其作用的一个关键位点,膜流动性减小,细胞膜通透性增强,是细胞死亡的主要原因。     

小型化电感隔离型Marx发生器的研制

随着脉冲功率技术的发展,纳秒脉冲电场被逐渐应用到等离子体水处理、不可逆电穿孔肿瘤消融等技术中。为了满足纳秒脉冲的应用需求,电源需要输出十几kV高压,拥有纳秒窄脉宽和快速的上升沿,同时尽量减小电源体积,降低成本。该纳秒脉冲电源采用电感隔离型Marx发生器结构,电路可以实现模块化叠加,电感隔离可以减少开关数量,抬升充电电压,以获得更高的电压输出。所设计的驱动电路仅需一路控制信号和一个直流供电模块,经功率放大和磁隔离后可同时控制所有放电管,该驱动电路结构简单、成本低、体积小,耐压水平高。所设计的24级电源样机,在50 kΩ阻性负载上,可输出0～14 kV电压,频率0.5～1 kHz,脉宽500 ns。该电源主电路的长宽高尺寸仅为23 cm×10 cm×12 cm。     

高压径向均压绝缘堆设计

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出,是脉冲功率系统中常见的技术途径,其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制,基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计,给出了径向电阻的设计方法。研究表明:采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布,而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100ns的4.5MV加载电压下,优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25kV/cm,Martin电场约120kV/cm,低于理论击穿值。     

脉冲电场防治水生生物附着

为探究脉冲电场对防治水生生物附着效果的影响因素,确定有效防治附着生物所需的最低电场条件,搭建了脉冲电场试验平台,通过人工脉冲形成线产生近似方波的脉冲,统计不同条件下大型溞死亡率和形态结构发生的变化,通过函数拟合得到了脉冲电场诱导死亡率与电场强度、总等效处理时间、脉冲注入能量密度之间的函数关系,并以某干渠工程为例介绍了脉冲电场防治大型溞的参数选取原则和平台搭建方法。结果表明,脉冲电场对大型溞的处理效果与电场强度、总等效处理时间和脉冲注入能量密度都呈正相关关系。电场强度介于0.5～1.5 kV/cm之间时,电场强度每增加0.5 kV/cm,诱导死亡率增加35%左右。电场强度高于2.0 kV/cm、总等效处理时间大于900μs或脉冲注入能量密度高于80 J/L时,脉冲电场都可以产生80%以上的诱导死亡率。     

Nanosecond pulsed power generator for a voltage amplitude up to 300 kV and a repetition rate up to 16 Hz for fine disintegration of quartz

A generator of high-power high-voltage nanosecond pulses is intended for electrical discharge disintegration of mineral quartz and other nonconducting minerals. It includes a 320 kV Marx pulsed voltage generator, a high-voltage glycerin-insulated coaxial peaking capacitor, and an output gas spark switch followed by a load, an electric discharge disintegration chamber. The main parameters of the generator are as follows: a voltage pulse amplitude of up to 300 kV, an output impedance of ≈10 Ω, a discharge current amplitude of up to 25 kA for a half-period of 80–90 ns, and a pulse repetition rate of up to 16 Hz.     

A fast pulsed power source applied to treatment of conductingliquids and air

Two pilot pulsed power sources were developed for fundamental investigations and industrial demonstrations of treatment of conducting liquids. The developed heavy-duty power sources have an output voltage of 100 kV (rise time 10 ns, pulse duration 150 ns, pulse repetition rate maximum 1000 pps). A pulse energy of 0.5-3 J/pulse and an average pulse power of 1.5 kW have been achieved with an efficiency of about 80%. In addition, adequate electromagnetic compatibility is achieved between the high-voltage pulse sources and the surrounding equipment. Various applications, such as the use of pulsed electric fields (PEFs) or pulsed corona discharges for inactivation of microorganisms in liquids or air, have been tested in the laboratory. For PEF treatment, homogeneous electric fields in the liquid of up to 70 kV/cm at a pulse repetition rate of 10-400 pps could be achieved. The inactivation is found to be 85 kJ/L per log reduction for Pseudomonas fluorescens and 500 kJ/L per log reduction for spores of Bacillus cereus. Corona directly applied to the liquid is found to be more efficient than PEF. With direct corona we achieve 25 kJ/L per log reduction for both Gram positive and Gram negative bacteria. For air disinfection using our corona pulse source, the measured efficiencies are excellent: 2 J/L per log reduction     

Implementation of a sapphire cell with external electrodes for laser excitation of a forbidden atomic transition in a pulsed E-field

We demonstrate the production of an electric field inside a high temperature cesium vapor cell with external electrodes. This external control of the electric field, which is not possible with a glass cell in presence of a cesium vapor, is achieved using a cell made of sapphire, and is of particular interest for our ongoing Parity Violation experiment. We describe the main components and the implementation on the set-up, including the pulsed high voltage generator. With pulse duration not exceeding 200 ns the system provides a reversible longitudinal E-field of up to 2 kV/cm in the vapor at a density of ∼ 2×10¹⁴ at/cm³ without discharge. Atomic signals attest the application of the electric field in the cell, with the predicted value. Further improvements obtained with sapphire cells are also presented. Received 15 September 2000     

一种100 kV Mini-Marx发生器触发源的设计

根据100kV Mini-Marx脉冲发生器对触发源的技术要求,设计了一种基于VE4141型氢闸流管气体开关器件的高压脉冲触发源。该触发源系统输出高压脉冲幅度达到0～30kV、脉冲前沿小于15ns、脉冲宽度大于500ns,不仅可以接收光、电和手动信号触发,而且还可以通过接口来控制调整100kV Mini-Marx发生器的充电电压以及电压显示。采用固态IGBT半导体开关器件产生预触发和主触发脉冲,控制气体开关氢闸流管VE4141瞬间导通放电输出高压脉冲信号,触发后级Mini-Marx脉冲发生器产生不小于100kV的高压脉冲。     

固态化脉冲形成网络Marx脉冲发生器

和传统Marx发生器单级由单一电容组成不同,脉冲形成网络Marx发生器的每一级是以陶瓷电容排列成网络形式组成脉冲形成网络,然后再通过串联叠加的方式实现电压叠加。由于采用了脉冲网络形成线,该型发生器可以产生质量较高的脉冲波形。对该型Marx发生器的充电方式、开关结构、结构布局等进行了研究,设计了两种较为紧凑的实验装置。开展的初步实验研究中,利用脉冲变压器进行充电,利用SF6气体绝缘,10级叠加结构在50Ω水电阻负载上获得了400 kV,100 ns的高压输出;20级结构在50Ω水电阻负载上获得了500 kV,70 ns的高压输出。     

真空中聚乙烯膜在纳秒脉冲电压下的沿面闪络特性

 在高功率离子束二极管中，当利用阳极膜沿面闪络产生的等离子体作为离子束引出源时，其特性对产生离子束的大小和品质有着很大的影响，因此要深入研究阳极膜的沿面闪络特性。主要介绍了所研制的一套适用于沿面闪络特性研究的实验装置和测量诊断系统。对离子束二极管中使用的三种厚度聚乙烯薄膜在脉冲电压下的沿面闪络特性进行了实验研究，并对沿面闪络过程中薄膜表面的发光现象作了初步的诊断。     

450 kV数字化X光照相诊断系统

介绍了450 kV数字化X光照相诊断系统的研制,该系统由450 kV脉冲X光机和抗辐照X光CCD相机组成。450 kV脉冲X光机输出的X射线脉冲半高宽为40 ns,1 m处剂量为5.210-6 C/kg,焦斑2~5 mm,2.5 m处可穿透20 mm的Fe。抗辐照X光CCD相机接收X光能谱范围为10~450 keV,有效成像面积最高可达100 mm100 mm,空间分辨率最高可达3 lp/mm,具有很强的抗电磁干扰能力。进行爆轰实验时在总防护为40 mm铝板的情况下,450 kV数字化X光照相诊断系统的照相视场可视范围超过70 mm,空间分辨率优于1.2 lp/mm。     

Electric field effect in pulsed laser deposition of epitaxial ZnO thin film

We have developed a new system in which thin films can be pulsed laser deposited under an external electric field. Application of 1 kV high voltage to a thin metal wire placed 1 mm above an edge of a 14 mm long substrate distributes electric fields ranging from 4500 V/cm at the left to 50 V/cm at the right side of the substrate. The crystallinity of the ZnO thin film was remarkably improved in the area where the electric field higher than +100 V/cm was applied during the film deposition. Thus, the film growth of ZnO with a strong polarity along the c-axis was verified to depend on an external electric field. PACS 61.10.Nz; 68.55.-a; 72.80.Ga; 78.55.-m; 78.55.-Et     

Raman光谱分析脉冲电场对大豆分离蛋白的影响

采用自行研制的高强脉冲电场设备,利用拉曼光谱分析脉冲电场对大豆分离蛋白微观结构的影响。结果表明,在50 kV.cm-1的高强脉冲场强下,PEF诱导2 886 cm-1附近峰明显消失,脂肪族侧链C—H伸缩振动微环境极性和色氨酸残基微环境极性不断增强;诱使C—H平面弯曲振动、C—N伸缩振动,以及天冬氨酸和谷氨酸中的C O伸缩振动减弱;诱导酰胺键C O伸缩振动和N—H摇摆振动增强。同时发现酪氨酸被包埋程度随着脉冲时间的延长而先增加后减小,在脉冲处理时间为1 600μs时,酪氨酸包埋程度最大。     

1.2 MV大功率直流高压电源研制

 采用等边三角形结构的铁芯,次级线圈分成40级,分别进行三相全波整流,每级输出直流30 kV,串联后获得1.2 MV/A的直流高电压大功率输出。电源的能量转换效率大于95%,漏抗高达21.7%。采用无滤波电容结构,次级线圈星型/三角型接法交替使用,纹波系数小于±4%。整个电源密封在压力钢筒中,充0.8 MPa高纯度SF6气体作为绝缘介质,最大工作场强小于130 kV/cm。设计了专门的SF6气体冷却系统,气体温度控制在60 ℃以内,高电压由充气同轴传输线输出。在小负载条件下,电源各项指标满足技术要求,已经安装在1.2 MW,1.2 MeV大功率直流电子加速器上进行整机联调。     

高功率紧凑型重频快Marx脉冲驱动源

基于快Marx发生器技术路线,研制了一套具有高功率密度的低阻抗紧凑型重频脉冲驱动源。采用18级Marx发生器电路结构,每级由1只60 nF/100 kV脉冲电容器、1个气体开关及隔离电感构成,每两级构成一个模块,整体采用SF6气体绝缘,储能密度达到25.7 kJ/m3;采取开放式气体开关,其中两级为触发开关,其余为过电压自击穿开关;触发源采用小型化Marx电路及绝缘胶真空灌封设计。实验中脉冲驱动源单次工作时在约18 阻抗负载上输出电压达到765 kV、脉宽约160 ns、前沿约50 ns,功率密度达到157 GW/m3;受充电电源功率限制,重复频率5 Hz充电70 kV,连续5脉冲输出功率约17 GW,脉冲波形重复性较好。     

对称脉冲强磁场发生器的研制

 对称脉冲强磁场发生器是一台能够产生周期为10 μs左右的强磁场装置,由10 μF的脉冲电容作为储能系统,平板传输线、电缆和气体开关作为传输系统,单匝线圈作为负载。为了使两个对称布置的负载能同时工作,设计了一个能同时输出8路脉冲信号的同步触发系统,其时间分散性约为20 ns。在常温常压下,当储能电容和同步触发系统分别加压到28 kV和49 kV并且气体开关工作气压为80 kPa时,线圈中心最大磁感应强度约为18 T。     

“神龙二号”气体火花开关中绝缘结构的电场分析与优化

气体火花开关作为重要部件被大量地应用于直线感应加速器和Z箍缩等大型脉冲功率装置中。绝缘结构设计不合理会使得气体火花开关中出现局部电场畸变和电荷积聚等现象。在高电压脉冲下长时间或高频次运行时,火花开关中的绝缘子会发生沿面闪络现象,直接影响到脉冲功率装置的正常运行。鉴于此,对气体火花开关中的绝缘结构进行了有限元电场分析,用表面电荷的积聚定性解释了沿面闪络发生的原因。通过对绝缘子的几何结构和电极尺寸的优化设计,有效降低了绝缘子表面和电极表面的电场强度,其中阳极三结合点场强从9.4 kV/mm降至1.5 kV/mm,阴极三结合点场强从2.95 kV/mm降至0.98 kV/mm,绝缘子表面最高场强从10.8 kV/mm降至4.95 kV/mm。优化后的绝缘结构电场分布较为合理,降低了由于表面电荷的积聚而引发沿面闪络的概率。     

Hot‐electron drift velocity and hot‐phonon decay in AlInN/AlN/GaN

A nanosecond‐pulsed current–voltage technique was applied to study hot‐electron transport along the two‐dimensional electron gas channel confined at a nominally undoped AlInN/AlN/GaN heterointerface. Hot‐electron drift velocity was deduced under the assumptions of uniform longitudinal electric field and field‐independent electron sheet density. At a fixed electric field strength, a resonance‐type non‐monotonous dependence of the velocity on the electron density was found in the investigated range from 1 to When the electric field increased from 20 kV/cm to 80 kV/cm, the peak velocity increased from ～1.1 to cm/s, and the position of the resonance shifted from ～1.1 to ～1.2 respectively. The resonance position correlates with that for the fastest decay of hot phonons known from independent experiment. (© 2011 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)