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。     

X射线闪光照相杆箍缩二极管技术最新进展

综合介绍了杆箍缩二极管的应用背景、工作原理和目前的研究概况,并阐述了目前较为典型的两种二极管,即真空杆箍缩二极管和等离子体填充杆箍缩二极管的性能。详细介绍了已经用于地下实验的Cygnus装置的运行参数和实验结果。最后分析了杆箍缩二极管在X射线闪光照相领域的发展前景。     

X射线闪光照相杆箍缩二极管技术最新进展

 综合介绍了杆箍缩二极管的应用背景、工作原理和目前的研究概况,并阐述了目前较为典型的两种二极管,即真空杆箍缩二极管和等离子体填充杆箍缩二极管的性能。详细介绍了已经用于地下实验的Cygnus装置的运行参数和实验结果。最后分析了杆箍缩二极管在X射线闪光照相领域的发展前景。     

1 MV阳极杆箍缩二极管数值模型实验研究

阳极杆箍缩二极管（RPD）具有小焦斑、高亮度的特点,是闪光X光机领域的研究热点。基于Marx发生器和脉冲形成线技术路线产生1 MV高电压脉冲驱动RPD,开展了不同结构参数二极管实验研究。基于RPD物理过程的数值模型,分析了结构参数对箍缩物理过程的影响。研究表明在1 MV电压下,RPD阴极等离子体平均扩散速度、阳极等离子体平均扩散速度分别为2,0.6 cm/μs时,该模型可以较好地描述实验结果。在阳极杆直径一定的情况下,二极管数值模型表明减小阴极孔径可以使二极管更快进入强箍缩状态,但过小的阴极孔径会导致二极管间隙过早闭合。     

1.2MV“天蝎”X光机杆箍缩二极管性能模拟

为了深入研究杆箍缩二极管的物理性能,采用蒙特卡罗方法对中国工程物理研究院流体物理研究所1.2 MV"天蝎"X光机的杆箍缩二极管进行模拟研究,包括PIC模拟和光电子输运模拟。着重分析了杆箍缩二极管结构参数与阻抗及出光剂量等的关系,发现阻抗和出光剂量与阴阳极半径比正相关,而出光剂量和杆探出长度正相关。提出一种阻止阴极盘后表面发射电子的设想,有望显著提高X射线辐射剂量。     

1.2 MV“天蝎”X光机杆箍缩二极管性能模拟

为了深入研究杆箍缩二极管的物理性能,采用蒙特卡罗方法对中国工程物理研究院流体物理研究所1.2 MV天蝎X光机的杆箍缩二极管进行模拟研究,包括PIC模拟和光电子输运模拟。着重分析了杆箍缩二极管结构参数与阻抗及出光剂量等的关系,发现阻抗和出光剂量与阴阳极半径比正相关,而出光剂量和杆探出长度正相关。提出一种阻止阴极盘后表面发射电子的设想,有望显著提高X射线辐射剂量。     

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。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

 介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8 Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70 ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40 Ω变成60 Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲Ｘ射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50 kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。     

同心度对杆箍缩二极管物理特性的影响

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一,其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响,使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此,评估同心偏差对二极管物理特性的影响,对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究,分别取三种同心偏差度(小于1%,15.02%和22.92%)状态。在1 MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性,并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明,随着同心偏差度增加,磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加,同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重,降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。     

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。     

杆箍缩二极管X射线焦斑的成像法测量

X射线源的焦斑尺寸是反映杆箍缩二极管射线源成像性能的重要参数。利用针孔成像法对MeV级脉冲X射线源的焦斑进行了2维图像测量。厚针孔采用直孔段加单锥体结构,直孔段孔径为0.2 mm。对于0.5 MeV的X射线,5倍成像倍率下调制传递函数值为0.5时空间分辨达到2.0 lp·mm-1。图像采集系统由闪烁体、物镜和CCD相机组成,物镜的成像倍率约0.34。实验结果经过模糊校正后,得到了焦斑的图像和调制传递函数。根据调制传递函数值为0.5时对应的空间频率值,给出X射线源焦斑的尺寸。阳极杆直径为1.2 mm时,X射线源焦斑的高斯分布等效直径为0.86 mm。     

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     

离子对rod-pinch二极管工作特性的影响

 利用PIC粒子模拟方法,结合对同轴结构二极管工作模式的半解析描述,研究了离子存在与否对rod-pinch二极管（RPD）工作特性的影响。模拟给出了二极管的伏安特性、不同时刻电子和离子的相空间分布以及空间电流分布等。结果表明随着电流逐渐增大,其工作模式从空间电荷限制流依次向弱箍缩流和磁绝缘流转变。只有存在离子的情况下,电子才能沿着阳极杆表面运动并在其末端发生箍缩,表明RPD中离子电流的存在对于RPD工作是必需的。