阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源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(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。     

数百千伏电压下杆箍缩二极管模拟

为了探索杆箍缩二极管(RPD)在冲击加载下物质低密度区成像应用中的可行性,开展了低电压(≤500 kV)运行条件下RPD箍缩物理特性模拟研究。基于Particle-in-cell(PIC)模拟方法,从二极管加载电压幅值、阴极盘厚度、阴阳电极孔径比等方面开展了二极管模拟,从电子箍缩效率、质子流、电子利用率、电场和磁场分布等角度对箍缩物理过程进行了分析。模拟表明:低电压运行条件下普通结构二极管电流较低,不能为电子提供足够的磁场力从而导致较低的电子箍缩效率;采用组合杆结构,并优化阳极杆到轫致辐射靶区的过渡区设计,是在低电压条件下实现小焦斑、高剂量辐射光源的值得探索的技术途径。     

低阻抗强流箍缩电子束二极管的3阶段电子束流模型

 在顺位流模型与“4阶段”粒子流动模型的基础上，提出了一种用于分析100ns／MA级电子束流的低阻抗强箍缩二极管物理过程的理论模式。在这种理论分析模式中，将电子和离子的流动情况随时间的演变过程分成非箍缩电子流、弱箍缩电子流、强箍缩电子流3个不同的阶段，分别结合聚焦流和顺位流模型对各个阶段特性进行估算。利用KARAT PIC数值模拟软件并结合“强光一号”加速器的工作状态，对该类型二极管中电子束的流动过程作了数值模拟，并在“强光一号”加速器上开展了实验研究。数值模拟和实验结果的对比表明，所提出的新的理论分析模式是合理可行的 。     

Rod-pinch 二极管理论及数值模拟

 介绍了Rod-pinch二极管的基本结构和工作原理，采用Laminar模型分析了Rod-pinch二极管中的粒子运动过程及其阻抗特性。考虑背景空间离子电荷的影响，用1维Laminar方程分析Rod-pinch二极管中电子的自箍缩过程，并且利用Magic程序对其中的粒子运动进行数值模拟，求解二极管中的电压和电流，最终得出二极管的阻抗特性，在较低电压下，负极性RPD的性能明显不如正极性RPD。根据临界电流经验公式，初步验证Laminar理论模型的可行性。     

Rod-pinch 二极管理论及数值模拟

介绍了Rod-pinch二极管的基本结构和工作原理，采用Laminar模型分析了Rod-pinch二极管中的粒子运动过程及其阻抗特性。考虑背景空间离子电荷的影响，用1维Laminar方程分析Rod-pinch二极管中电子的自箍缩过程，并且利用Magic程序对其中的粒子运动进行数值模拟，求解二极管中的电压和电流，最终得出二极管的阻抗特性，在较低电压下，负极性RPD的性能明显不如正极性RPD。根据临界电流经验公式，初步验证Laminar理论模型的可行性。     

低阻抗二极管产生的强流电子束能谱分布的数值模拟

 给出了低阻抗二极管产生的电子束能谱分布及外加磁场对二极管阻抗影响的数值模拟研究结果。结果表明，即使在外加电压恒定的条件下，二极管产生的电子束也具有一定的能谱分布，这说明用二极管电压、电流波形计算脉冲电子束能谱分布是不正确的。另外,外加磁场对低阻抗二极管的阻抗特性具有较大影响，其阻抗随外加磁场的增大而减小。分析认为这是由于外加磁场强度的变化改变了二极管中束电子的运动轨迹。当没有外加磁场或外加磁场较小时，低阻抗二极管产生的电子束发生自箍缩，此时二极管电流是自箍缩饱和顺位流；当外加磁场足够强时，电子束的自箍缩被抑制，二极管电流是没有箍缩时的空间电荷限制电流。束电流小于自箍缩临界电流的二极管其阻抗将不随外加磁场的变化而变化。     

离子对Rod—pinch二极管工作特性的影响

用于X射线闪光照相的Rod—pinch二极管aRPD）具有电学性能稳定、产额高、焦斑直径小（可达到亚毫米量级）以及结构简单等优点。由于受电场和磁场的影响，二极管中带电粒子的流动方式可以分为空间电荷限制流（SCL）、弱箍缩（WP）和磁绝缘限制流阻）3种基本模式。大量实验和理论研究表明，离子对RPD的工作模式有显著影响，这里结合同轴结构二极管工作模式的半解析描述方法，利用PIC粒子模拟程序，深入研究离子对于RPD工作特性的影响。     

绝缘环厚度对200kV箍缩反射离子二极管电参数的影响

 给出了箍缩反射离子二极管中绝缘环厚度的选择原则,并从实验上给出了200kV箍缩反射离子二极管的绝缘环厚度对离子束和二极管电参数的影响,当绝缘环厚度为2～3mm时,二极管总电流峰值和离子束流峰值都较大,加速器系统工作状态较稳定。     

预充等离子体密度对杆箍缩二极管特性的影响

在杆箍缩二极管工作前预先填充一定密度的等离子体,可以改善二极管特性,从而提高二极管出射X射线的剂量率。建立了预充等离子体的杆箍缩二极管的粒子模拟模型,通过收集轰击到阳极上的电子,诊断其轴向分布,可以给出不同时刻的束流箍缩特性。利用"剑光一号"加速器低阻抗状态(1 MV/9Ω/40ns)开展了预充等离子体的杆箍缩二极管实验研究。预充适当密度的等离子体后,二极管阻抗降低到10Ω,X射线辐射剂量从0.76mGy提高到3.19mGy,侧向焦斑从9mm降到4mm。模拟结果和实验基本符合。     

阳极杆箍缩二极管产生X射线能谱的模拟计算

采用粒子模拟,得到了阳极杆箍缩二极管阳极钨针上电子的空间分布和入射角分布,分析二极管工作状态得到了电子的能量分布.在此基础上建立阳极杆箍缩二极管的蒙特卡罗模型,模拟得到了阳极杆箍缩二极管的辐射能谱和X射线的平均能量,并与实验结果进行了比较.结果表明:09006炮光子平均能量为0.441 MeV,计算该能谱射线经过不同厚度铅衰减片后的剂量衰减情况,与叠片法PIN探测器所测的实验数据基本一致. 关键词： 阳极杆箍缩二极管 粒子模拟 蒙特卡罗方法 X射线能谱     

40级串联FLTD驱动杆箍缩二极管的箍缩特性模拟

快放电直线型变压器 (FLTD)直接驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术的紧凑型闪光照相装置是当前研究的热点。采用数值模拟(PIC)方法,建立了40级串联FLTD的粒子模拟模型,研究了不同触发时序下次级分别为正、负极性时的输出特性;在此基础上,初步模拟了RPD在4 MV电压下的箍缩特性。结果为:在脉冲源参数和负载相同的情况下,次级MITL内筒为正极性时的阴极传导电流比例明显低于负极性情况;在脉冲源输出电压4 MV时,RPD电子束箍缩良好,电子束的轴向分布较为集中,38%的电子束沉积在距离针尖1.5 mm的区域。     

Role of ions in a crossed-field diode

The effect of ions in a magnetically insulated crossed-field gap is studied using a single particle orbit model, shear flow model, and particle-in-cell simulation. It is found that, in general, the presence of ions in a crossed-field gap always increases the electrons' excursion toward the anode region, regardless of the location of the ions. Thus, the rate at which the electrons migrate toward the anode, which is a measure of the diode closure rate, is related to the rate at which ions are introduced into the crossed-field gap. This anode migration of electrons is unrelated to crossed-field ambipolar diffusion. The implications of these findings are explored, such as pulse shortening in relativistic magnetrons and bipolar flows in pulsed-power systems.     

流体动力学实验用闪光X光机研究进展

闪光X光机是流体动力学等研究领域必不可少的实验诊断装置,物理需求推动其向更高剂量和更小焦斑发展。叙述了几种X光二极管研究现状和关键问题,阐述了适用于不同功率水平的闪光X光机驱动源,分析了阳极杆箍缩和磁浸没二极管的应用前景,讨论了阳极杆箍缩二极管、驱动源发展方向以及实现多幅照相涉及的关键技术。     

Nonrelativistic planar double-stream equilibria in magneticallyinsulated diodes

The study of magnetically insulated electron flow is a topic of relevance to the startup state of magnetrons, cross-field amplifiers, and magnetically insulated line oscillators, as well as to the operation of magnetically insulated transmission lines and ion diodes. In a recent paper, Christenson and Lau explored double-stream equilibria in magnetically insulated diodes analytically for the case of vanishing injection electron velocities at the cathode and numerically for the case of nonzero injection velocities. Here, the analytical results are generalized to the case of nonzero injection velocities to allow the calculation of the equilibrium current density and electron sheath thickness as functions of the voltage, magnetic field, and gap width. An interesting outcome of the analysis is that it is shown that space-charge limited electron emission from the cathode is no longer possible for equilibria in which the electrons are monoenergetic with vanishing canonical momenta. In addition, for the special case of zero injection energies, but not necessarily zero electric field at the cathode, closed-form expressions are derived for the orbital quantities of the electrons-positions and velocities-as a function of time measured from the moment of emission from the cathode. Unfortunately, a spatial variation is not apparently available in closed form; however, one can express these quantities alternatively in terms of a generalized potential with an implicit spatial variation     

Pulse intense metal-ion diode with a vacuum arc plasma anode

An intense pulsed ion beam of metal was extracted from a magnetically insulated ion diode operated in a mode of plasma prefill generated from a vacuum arc discharge, anode plasma source. With this ion diode, an intense metal-ion beam of a high melting-point metal (Ta) was obtained. A variety of operational modes appeared, depending on the amount of plasma in the diode gap at the initiation of the high-voltage pulse. The energy, current, and duration time of the ion beam were 20~100 keV, ~1 kA, and 1 μs, respectively. Measurements of ions were performed with an ion energy analyzer or a biased ion collector located at the end of a long drift tube and a Thomson parabola ion spectrometer. The Ta ions in the first to fifth states of ionization were detected accompanied by C⁺, O⁺, F⁺, and H⁺ . A Ta ion beam current of about half the total ion flux was obtained in this experiment     

Characterization of electron flow in negative- andpositive-polarity linear-induction accelerators

The operation of the linear-induction accelerators HELIA and Hermes III was studied in both negative and positive polarities. The experiments in positive polarity have provided a unique opportunity to explore the consequences of multiple-cathode electron emission in magnetically insulated transmission lines. It is maintained that an examination of the total energy-canonical momentum distribution of the electrons explains the features of the magnetically insulated flow exhibited by these systems. Simple analysis based on the basic concept of pressure balance, in conjunction with particle-in-cell numerical simulations, shows how the line voltage is related to the anode and cathode currents. Two flow designations are introduced that can apply to multiple-cathode, magnetically insulated transmission lines: full-gap flow (FGF) and locally emitted flow (LEF)     

影响阳极杆箍缩二极管窗口前向辐射剂量的因素

简介了杆箍缩二极管(RPD)基本物理过程,从轫致辐射方向性、二极管能量耦合、电子箍缩效率、二极管构型等方面综述了国内外对RPD窗口前向辐射剂量影响因素的研究进展,报道了相比于石墨阴极,采用LaB6爆炸发射阴极RPD在相同实验条件下使得距离光源1 m处辐射剂量提高12%以上的实验结果,并进一步讨论提高RPD辐射剂量的可能技术途径。