直线感应加速器中束流负载对加速腔压波形的影响

在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同;由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。     

“神龙二号”直线感应加速器加速腔电路模拟

针对神龙二号直线感应加速器所采用的非晶磁芯感应加速腔，建立了能够兼顾结构参数和磁芯性能的加速腔电路模型。对与加速腔结构相关的各集总电容参数进行了计算，并通过模拟波形与实验电压电流波形的对比，确定了加速腔磁芯模块的参数设定，实现了对非晶磁芯感应加速腔脉冲励磁过程较为准确的模拟。通过电路模拟，可以得到脉冲励磁时加速腔各部分的电压电流分布，为加速腔的结构优化和故障原因分析提供了有效的手段。     

多脉冲励磁下铁氧体及非晶磁环的磁特性

感应脉冲加速器的磁芯通常为铁氧体或非晶材料,而感应腔磁芯在工作脉冲下的磁性能是决定感应加速脉冲波形好坏的重要因素。搭建了低压多脉冲实验平台对铁氧体和非晶小磁环分别进行MHz重复频率的多脉冲励磁,对励磁线圈上的电压电流波形进行监测,绘制了多脉冲励磁下磁环的磁化曲线,并结合含磁芯线圈动态电感量的递推公式计算出磁环在多脉冲励磁过程中磁导率的变化曲线;在高压三脉冲实验平台上对铁氧体磁芯和非晶磁芯实验感应腔进行了高压三脉冲实验,得到的磁芯多脉冲磁化规律与低压实验的结果一致。最后对两种磁环在多脉冲励磁下的磁性能差异进行了对比分析。     

径向馈入和轴向馈入对感应加速腔性能的影响

 感应加速腔有径向馈入和轴向馈入两种常用的脉冲功率馈入方式。在理论上分析了不同功率馈入方式对感应加速腔输出电压平顶的影响，并对分析结果进行实验论证。实验采用1B2C结构，用相同的脉冲功率源馈入径向腔和轴向腔，测量此两种加速腔的电压波形。测得轴向腔±1％电压平顶时间为61 ns，径向腔±1％电压平顶时间为62 ns，两种腔都可满足±1%电压平顶大于60 ns的要求。此外对不同功率馈入方式导致的横向阻抗的变化进行了数值模拟，分别计算了采用这两种馈入方式的加速腔模型的横向阻抗，发现轴向加速腔的横向阻抗较小。     

低压重频感应加速组元参数分析

针对脉冲源+传输线+感应腔和储能电容+固态开关+感应腔两种常见的脉冲感应组元结构,对相同感应腔的腔压波形进行了实验对比和理论分析,推导出了不同组元结构下感应腔中磁芯回路电感量、匹配电阻阻值和感应脉冲幅度间的关系表达式,分析对比了两种组元结构下感应腔电感量和电阻值变化对腔压平顶影响的程度和差异,为低压重频脉冲感应加速组元的参数选择和优化提出建议和判据。     

磁芯材料脉冲间叠加复位研究

 介绍了通过反向叠加长脉冲的方法，在双脉冲间隔小于1 μs的情况下对直线感应加速器磁芯进行的脉冲间复位实验，复位后波形幅度得到了明显改善，在最大伏秒值280 kV×100 ns的单脉冲感应腔上得到了两个伏秒值为200 kV×100 ns的感应脉冲。实验表明：当主脉冲脉宽小于100 ns，间隔大于500 ns时，采用脉冲间叠加复位的方法,将主脉冲叠加在一个反向的长脉冲上（脉宽大于10 μs，最大幅度约为主脉冲的20%）形成正负脉冲串，能有效提高感应加速腔磁芯的利用率，且对感应主脉冲没有明显影响，使单脉冲直线感应加速器的多脉冲改造成为可能。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

 在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

在原单脉冲直线感应加速器（LIA）组元的基础上，利用电缆延时和电缆反射两种方式获得了间隔500～1 000 ns的猝发双脉冲输出。在感应加速腔上进行了双脉冲实验，获得了幅度大于200 kV、前沿小于35 ns、平顶大于60 ns的双脉冲加速电压波形。两种方式中第一个脉冲的前沿和幅度都达到了原单脉冲组元的水平，表明加速腔负载的变化对波形没有明显影响，但由于电缆对波形的损耗，第二个脉冲的幅度和前沿比第一个脉冲略差。可以利用水介质传输线来代替长电缆，减小传输线的长度及其对波形的损耗。两个脉冲间的幅度差异可以通过改变长电缆的阻抗来调节。实验表明，通过这两种猝发双脉冲的产生方式并结合加速腔磁芯的改进，可简单高效地完成原单脉冲LIA的双脉冲改造。     

直线感应加速器组元的双脉冲改造

 对用于单脉冲直线感应加速器的加速组元进行了双脉冲改造的初步尝试：利用传输线延时获得了双脉冲馈入；用铁氧体作为磁芯材料，在感应腔上得到了双脉冲腔压波形。结果表明，现有组元功率系统经过简单的改造，可以获得两个甚至多个脉冲输出；在伏秒值允许的范围内，铁氧体磁芯的感应腔可以感应出双脉冲波形。为以后多脉冲直线感应加速器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。     

直线变压器驱动源感应腔电路建模方法

参照研制成功的300 kA直线变压器驱动源单级感应腔的物理设计和电气参数,在考虑气体开关火花通道电阻、放电支路间电磁耦合、磁芯磁滞及饱和特性、次级功率传输的情况下,建立了较完备的单级感应腔电路模型。实验验证了模型的有效性,感应腔正常输出和单支路开关自放电时模拟结果与实验波形均吻合较好,表明模型可以模拟腔内电气元件异常时感应腔的工作特性。     

3.5MeV注入器脉冲功率系统

用于直线感应加速器的3.5 MeV注入器脉冲功率系统采用了感应叠加原理。整个系统包含了脉冲形成系统、触发系统以及感应腔负载。脉冲形成系统主要由Marx发生器和Blumlein脉冲形成线组成,产生12个脉宽约90 ns,幅度约200 kV的高压脉冲,通过12个感应腔和变阻抗阴阳极杆,在阴阳极间隙处产生3.5 MV的二极管电压,由天鹅绒阴极发射强流电子束。触发系统主要由两级触发开关构成,严格控制12个高压脉冲的输出时间,时间分散性统计值小于1 ns(动作时间抖动)。采用该脉冲功率系统注入器能产生能量约3.5 MeV,电流2～3 kA的强流电子束。     

3 MV感应电压叠加器的磁感应腔研制

 根据脉冲驱动源和负载参数,提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70 ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求,确定了磁芯的几何尺寸;研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环,明确磁环数量不少于6只;在30 T/s时,实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当;估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3 μH,涡流损耗电阻约为139 Ω。根据临界击穿场强的经验公式,采用电场数值分析方法,确定了磁感应腔的电气结构;实验验证了磁感应腔设计有效性;建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型,阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形,与实验结果基本相符。     

固态化高功率长脉冲驱动源重频特性

基于固态化磁开关、低阻抗脉冲形成网络和感应电压叠加等关键技术, 提出并研制了一台固态化高功率长脉冲驱动源。在前期通过2 GW单次实验验证技术方案的基础上, 研制了中等电压等级的重复频率初级电源;改进了两级磁脉冲压缩系统的复位和绝缘特性;优化了系统整体电路结构, 利用感应电压叠加器完成充电磁开关和脉冲升压的双重功能;设计了合理的复位路径, 实现了各部分磁芯的在线直流复位;并开展了重频运行研究。在电阻负载上获得了输出功率2.1 GW、脉宽约170 ns、重复频率20 Hz及运行时间1 s的实验结果, 脉冲波形的重叠一致性好。     

“神龙一号”直线感应加速器物理设计

 介绍了 “神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器，由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。能产生20MeV、束流大于2.5kA，脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束，X光焦斑均方根直径为1.5mm。     

磁绝缘电压叠加器功率流的电路计算方法

以已建成的10级直线变压器驱动源系统为依托,以传输线计算方法为基础,通过引入空间电荷限制流和磁绝缘流阻抗模型,对感应电压叠加(IVA)真空功率流的电路计算方法进行了探索,开发了包含磁绝缘过程的全电路计算程序,提供了一种快速评估该IVA系统真空功率流的方法。计算结果表明:对磁绝缘状态下流阻抗的描述是该方法准确计算的关键;解决好算法的数值稳定性,避免数值振荡的发生,是将这一方法推广应用的重要前提。     

电感储能型脉冲形成线高重复频率脉冲功率发生器

利用传输线中的电感单元和电压叠加的方式来获得纳秒(ns)级矩形高压脉冲是一种全新的思路。描述了这种发生器的基本原理,并利用同轴电缆和MOSFET开关制作了两种原型脉冲发生器(单线型和双线型)来论证此方案的可行性,并进行了初步实验验证,在四模块叠加的情况下,分别实现了4 kV/20 A,20 ns和2 kV/40A,20 ns的短脉冲。实验结果表明,电感型脉冲形成线电压叠加器是一种有潜力的紧凑型高压脉冲发生器。     

基于磁开关技术的长脉冲驱动源初步研究

基于磁开关技术提出了一种高功率长脉冲驱动源方案,主要包括脉冲变压器、磁脉冲压缩、低阻抗脉冲形成网络、磁开关类型主开关,以及感应电压叠加器等关键子系统;研制了各关键子系统并开展了单独的实验调试,基于跑道型磁芯制作了闭环磁芯脉冲变压器,采用硬连接绕组方式制作了方便调节的两级磁压缩系统,利用陶瓷电容器制作了圆周对称的Blumlein型低阻抗脉冲形成网络,配合低阻抗脉冲形成网络研制了磁开关类型主开关,基于单端口馈电和角向传输线技术建立了四级IVA实验装置;在上述关键子系统调试基础上,开展了全系统的初步联合实验,验证了技术方案。     

感应电压叠加装置中角向传输线阻抗计算

在进行感应电压叠加装置设计时, 为了使初级脉冲形成与传输系统产生的快前沿高压脉冲均匀耦合到次级传输线, 需要建立感应腔的二维电路模型对电磁波在角向传输线中的传播过程进行分析, 并基于电路计算结果优化设计角向传输线阻抗分布规律,使次级传输线中电流能够均匀分布。由于角向传输线结构复杂, 没有精确求解阻抗值的解析公式, 介绍了一种基于电报方程和瞬态电磁场仿真求解复杂结构传输线阻抗值的方法, 采用该方法对等宽度和变化宽度两种结构角向传输线阻抗值进行了评估。研究结果表明,相比于三平板传输线阻抗计算公式, 采用微带传输线阻抗计算公式对角向传输线阻抗值进行求解结果更加精确。     

MHz重复频率脉冲功率技术

采用串联单传输线、并联Blumlein脉冲形成线和高重复频率固体开关等技术路线开展了MHz重复频率脉冲功率技术研究。利用串联单传输线获得了幅度约200 kV,时间间隔约500 ns的双脉冲。利用并联使用的Blumlein系统和特殊设计的汇流/隔离网络获得了幅度约275 kV,时间间隔约500 ns的三脉冲。利用并联MOSFET和感应叠加原理研制了6 kV/2.5 MHz固体调制器。结果表明:3种方式均可以猝发MHz的方式输出高品质的高压脉冲串,可根据实际的需求选择合适技术路线。     

基于场效应晶体管的高压电脉冲产生技术

 以高速MOSFET器件为基础,对超快高压电脉冲产生技术进行了实验研究。采用多路并联的高速MOSFET与感应叠加相结合的形式,得到脉冲半宽度为300 ns、上升时间约为60 ns、时间间隔600 ns的超快方波双脉冲;在负载电阻为11.5 Ω时,可以产生365 A的脉冲峰值电流,并且能够提供1.5 MW的峰值输出功率。