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。     

200 kV/200 kA脉冲源的研制

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源,脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关,使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究,并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。     

“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。     

基于半导体开关和LTD技术的高重频快沿高压脉冲源

采用快开通功率MOSFET,通过优化驱动电路、磁芯参数以及耦合结构,设计了基于半导体开关和直线变压器驱动源（LTD）技术的高重频快沿高压脉冲源。该脉冲源由四级LTD串联而成,可实现单次脉冲和最高频率2 MHz脉冲串输出。脉冲最高幅值约2.3 kV,上升沿约7 ns,脉宽约90 ns,下降沿约20 ns,输出电压效率约95%。该脉冲源结构紧凑,输出脉冲稳定,实现了模块化设计,可作为重频电磁脉冲模拟源使用。     

大功率高压恒流充电源研制

设计制作了一台大功率高压恒流充电源。该电源采用全桥串联谐振恒流充电拓扑结构,实现了0～30 kV范围内输出可调,设计最大平均充电功率5 kW。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行了电路仿真和初步实验研究。实验中,使用该电源对18 F电容实现了30 kV,0.1 Hz重频充电,充电功率约1.35 kW,目前电源已累计充放电万余次,运行稳定可靠。     

卷绕型带状脉冲形成线的特性阻抗

设计了一种全固态、低阻抗、卷绕型零厚度带状脉冲形成线。通过保角变换将其特性阻抗的计算转化为对非对称型平板带状线特性阻抗的计算,并得出了卷绕型带状线特性阻抗的计算方法。数值模拟结果表明:带状线不对称将使带状线的特性阻抗减小,但当内导体宽与上下外导体间距之比很大时,可忽略不对称带来的影响。给出了不对称度（内导体分别到上下外导体的距离之比）对特性阻抗的影响关系,且不对称度小于3.1时,特性阻抗的变化小于5％,在实际工程设计中可忽略不对称带来的影响。     

绕制方法对卷绕型带状脉冲形成线输出特性的影响

为了优化卷绕型带状脉冲形成线的输出特性,设计了两种新型的绕制方法,并对制作的带状线进行了模拟研究。结果表明:不同的绕制方法会在一定程度上影响卷绕型带状线内部导体间的耦合特性,进而影响其内部的电磁场分布。设计带状线参数为:延时100 ns,阻抗1.1 Ω,充电电压25 kV,分别研制了不同绕制方法下的卷绕型带状脉冲形成线,并进行了实验研究。结果表明:设计的双平板绕法与传统的三平板绕法制作的带状线输出特性相似;地线间隔绕法制作的带状线上,负载上输出波形得到了明显的改善。实验结果与模拟结果基本一致。因此,根据不同的应用情况,合理选择卷绕型带状脉冲形成线的绕制方法可以改善输出特性、节约成本。     

强流电子束轫致辐射复合薄靶设计

针对目前脉冲硬X射线源能谱硬、辐照面积小、辐射场电子份额高无法开展系统电磁脉冲效应实验研究的技术难题,提出了采用复合薄靶软化脉冲硬X射线能谱、降低电子份额的方法。采用MCNP程序数值模拟了电子和光子在不同材料中的输运规律,分析了复合靶结构和材料厚度对X射线能谱、电子份额的影响。以闪光二号加速器为电子束源,设计了复合薄靶、X射线窗。实验得到的X射线参数:平均能量121 keV;均匀性2∶1情况下,700 cm2平均剂量40 rad（Si）,500 cm2平均剂量170 rad（Si）;光子数与电子数的比值大于103,可以开展系统电磁脉冲效应初步实验研究。     

重复频率脉冲磁场初级能源

为产生重复频率脉冲磁场的螺线管,研制了一种新型的初级能源,它采用半桥串联谐振恒流充电拓扑结构,可在0~2.5 kV范围内实现输出可调,最大平均充电功率达4.7 kW。该电路最大特色在于无需使用外加谐振元件,只利用变压器的漏感和半桥桥臂电容组成谐振元件。简要分析了电路的工作过程,给出了电路参数设计方法和设计实例,并进行电路仿真和初步实验研究,结果表明,该设计基本达到要求。最后,进行了带螺线管负载的实验研究,实验证明该能源在重复频率10 Hz条件下运行稳定可靠。     

串级二极管工作过程的电路分析

介绍了利用串级二极管产生大面积脉冲硬X射线的基本原理,建立了串级二极管的等效电路模型,分析了二极管串联工作过程,通过模拟计算给出了串级二极管工作过程的影响因素。串级二极管分压过程分为电容分压、阻抗和容抗分压、真空击穿后动态平衡及阻抗分压四个阶段,二极管电容和真空击穿电压是影响二极管串联初始阶段分压的主要因素,二极管的阻抗变化过程和二极管间隙的击穿时间差决定二极管分压的一致性。