脉冲功率与等离子体应用技术的最新动态

以近期在日本举办的国际脉冲功率与等离子体应用会议(简称ISPP)为背景，较为详细地介绍了中、日、韩、俄、美等国在脉冲功率产生技术、高功率微波、辐射源、材料科学、脉冲功率系统和等离子体在工业中应用等几个方面的最新研究动态和成果。     

LIA组元的双脉冲改造

对用于单脉冲直线感应加速器（LIA）的加速组元进行了双脉冲改造的初步尝试，用铁氧体作为磁芯材料，得到了双脉冲的波形数据。结果表明，现有组元经过简单的改造，完全可以感应出两个甚至多个电压脉冲，为以后多脉冲LIA的改造和设计提供了一个方向，也提出了一些有待解决的问题。     

基于光导开关的Blumlein型PFN能量转换效率

为了驱动低能重复频率高阻抗X光管,采用低感陶瓷电容构建了一套电长度约33.5 ns、阻抗约8 的Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,在匹配负载条件下研究了采用GaAs光导开关（PCSS）作为脉冲输出开关时PCSS工作场强、激光触发能量与能量转换效率的关系。实验表明:PCSS截止场强为3.21～4.94 kV/cm,在工作场强高于20 kV/cm时,截止场强引起的能量损失对能量转换效率的影响不大;PCSS较高的导通电阻是影响PFN能量转换效率的主要因素,随着工作场强、激光触发能量的上升,能量转换效率呈指数上升趋势。     

小间隙异面电极结构的光导开关

介绍了应用于介质壁加速器的小间隙异面电极结构的光导开关。所用光导开关为异面结构的砷化镓（GaAs）光导开关,电极间隙5 mm,偏置电压为15~22 kV脉冲高压,工作在非线性（高增益）模式,由半导体激光器产生的脉冲激光触发。脉冲激光的中心波长为905 nm,脉冲宽度（FWHM）约20 ns,前沿约3.1 ns,抖动小于200 ps,峰值功率约90 W。实验结果表明:光导开关的偏置电压较低时,开关寿命较长,导通性能较差;偏置电压较高、驱动脉冲激光功率较大时,开关导通性能较好,寿命较短。     

大面积热阴极系统设计及初步实验结果

建立了能满足大面积热阴极系统需要的2MeV热阴极实验平台, 并配合研制了直径为100mm的B型储备式热阴极. 在二极管电压为1.8MV、脉宽90ns(FWHM)、阴极工作温度为1350℃情况下, 利用法拉第筒获得了1000A的发射电流, 发射电流密度约12A/cm². 实验结果表明, 利用大面极热阴极获得高亮度强流电子束在工程上是可以实现的. 实验结果也表明, 阴极发射能力强烈依靠于二极管真空和阴极工作温度.     

介质壁直线加速器加速单元间的电路耦合及解耦

中国工程物理研究院流体物理研究所研发的介质壁直线加速器是基于固态脉冲形成线、GaAs光导开关和高梯度绝缘介质壁三项关键技术的新型直线脉冲加速器。在加速器调试阶段,测量出获得加速的质子束流能量远低于预期值,在排除功率源负载能力因素之后,发现脉冲功率源因连接回路引起的电路耦合效应是导致束流能量低的主要原因。基于介质壁直线加速器加速单元放电回路结构的分析,确认了加速单元之间的电路耦合的必然性。并通过测量回路电流,研究了几种不同工作模式下的电路耦合效应。结合电路耦合的特点,给出了两种基于磁芯隔离的解耦方法,并测量了这两种方法的解耦效率。     

神龙二号多脉冲电子束束参数的时间分辨测量技术

神龙二号是一台三脉冲强流脉冲电子束直线感应加速器,就其多脉冲的电子束束参数的测量而言,基本要求是单个脉冲可分辨,进一步的要求是脉冲内时间可分辨。基于光学渡越辐射原理及瞬态发射度测量系统原理,发展了一种束斑与发散角可以分开测量的光学布局结构,结合多台高速分幅相机,成功研制了一套完整的多脉冲电子束束参数的测量系统,其特点是灵活的组合测量方式,全面满足了神龙二号复杂艰难的调试及参数测量工作要求。测量系统最高时间分辨测量能力达到约2 ns的水平,单个脉冲可以获得至少8个时间分辨的束参数测量结果。     

具有时间分辨能力的强流电子束束剖面测量系统

 高能强流电子束的束参数测量是加速器研制过程中重要的一项测量工作,由于光学渡越辐射具有时间响应快、分辨率高等特点而被用于测量电子束的具有时间分辨能力的束剖面、发散角、能量等多个参数;通过电子束束参数的时间分辨测量则能够了解电子束产生、输运中的问题,非常有利于加速器的研究与调试。一种具有时间分辨能力的、利用光学渡越辐射进行高能强流电子束束斑测量的系统在中国工程物理研究院被建立起来,并在12 MeV LIA的电子束束斑的测量中用于电子束传输研究,该系统拍摄图像的间隔时间最小为10 ns,最小的曝光时间为3 ns,具有一次可以拍摄8幅图像的能力,并获得了12 MeV LIA约100 ns内相应的时间分辨的束斑变化情况,观察到了一些过去未观察到的现象,为加速器的研究提供了又一个新测试方法。     

光学渡越辐射测量中能量分辨精度分析

 基于光学渡越辐射原理的用于高能强流电子束束流参数在线测量及诊断系统,具有时间响应快、分辨率高等特点,可以测量电子束的束剖面、发散角、能量等多个参数。分析了测量系统的结构参数（包括了透镜的焦距、成像面位置、CCD像元尺寸）对电子束能量测量精度的影响,并在理论上模拟了电子束的发散角的影响。还根据系统数据的特点,阐述了数据噪声对能量测量结果精度的影响,指出了光学渡越辐射测量中电子束能量分辨精度受到多种因素的影响,需要在数据处理时考虑修正。     

Acceleration modules in linear induction accelerators

The Linear Induction Accelerator （LIA） is a unique type of accelerator that is capable of accelerating kilo-Ampere charged particle current to tens of MeV energy. The present development of LIA in MHz bursting mode and the successful application into a synchrotron have broadened LIA＇s usage scope. Although the transformer model is widely used to explain the acceleration mechanism of LIAs, it is not appropriate to consider the induction electric field as the field which accelerates charged particles for many modern LIAs. We have examined the transition of the magnetic cores＇ functions during the LIA acceleration modules＇ evolution, distinguished transformer type and transmission line type LIA acceleration modules, and re-considered several related issues based on transmission line type LIA acceleration module. This clarified understanding should help in the further development and design of LIA acceleration modules.