强流脉冲电子束加速器用Marx发生器

介绍强流脉冲电子束加速器上的Ｍａｒｘ发生器。采用低电感的脉冲电容器和带触发电极火花隙开关并选取新颖的Ω型排列电路，降低回路电感。由于全部火花隙开关逐级触发，因而发生器工作稳定、建立时间快（约２００ｎｓ）、时间分散小于１５ｎｓ、输出电压１～１．

纳秒级高压快脉冲发生器的研制

为了研究电力系统中不断产生的特快速瞬态过电压(VFTO)对电工绝缘材料的影响,设计了一台用于模拟VFTO的快脉冲发生器,其输出波形要求:上升时间<50ns、峰值电压达1000kV。该发生器由Marx发生器、负载测试腔及中间连接段组成。Marx采用正负充电电路,包括10个0.015μF/100kV的塑壳电容器、6个火花隙放电开关。负载端并联一个500Ω的大电阻,以加快输出高压脉冲的振荡衰减速度,降低设备绝缘要求,从而使Marx结构紧凑化,减小放电回路电感。同时,Marx发生器中的电容器和火花开关采用特殊的折返式布线形式,进一步减小放电回路电感。还给出了快脉冲发生器的设计方案,Pspice仿真结果表明:在负载实际变动范围内,当输出电压为1000kV时,上升时间在23～28ns之间变动,满足要求。

强流电子束泵浦百焦耳级氟化氪激光

本文介绍中国原子能科学研究院建造的强流电子束泵浦的百焦耳级氟化氪激光装置的主要性能,重点介绍脉冲功率技术和激光振荡器的一些关键技术。

紧凑型X-pinch装置探头标定

介绍了紧凑型X-pinch脉冲功率装置的电流电压测量设计方法。根据该装置的同轴传输线结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载外筒,构成回路测量负载电流的探头。在传输线末端设计电容分压器作为测量负载电压的探头,并利用电路模拟软件对此过程进行模拟,同时这两个探头需要进行在线标定。实验研究结果表明,该探头性能稳定、响应快,是测量负载电流与电压的理想工具。

0.1TW脉冲功率源电流电压测量探头的设计与标定

根据0.1TW脉冲功率源同轴型脉冲传输线的结构特点,设计了内嵌式电容分压器作为脉冲高电压测量探头,利用不锈钢金属膜连接传输线外筒和负载外筒,构成回流器作为脉冲强电流探头。用在线标定的方法对该电流电压测量探头进行了标定。结果表明:电容分压器和金属膜回流器具有性能稳定、功率负荷大等优点,是测量脉冲电压和电流较为理想的探头。

天光Ⅱ-B强流脉冲电子加速器的设计

为了驱动X箍缩负载,在天光Ⅱ-A的Marx油箱侧面建立了一条新的实验线路天光Ⅱ-B。它在保留装置原有泵浦激光能力的基础上,还可进行X-pinch相关实验研究,达到了一器两用的目的。天光Ⅱ-B主要由Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线和负载构成,形成线工作介质为去离子水,形成线特征阻抗6Ω,传输线采用变阻抗线设计,负载特征阻抗1.25Ω。本文介绍了天光Ⅱ-B新线的设计、全电路模拟及在电阻负载下的调试结果。模拟和调试结果显示,天光Ⅱ-B装置在负载电阻为1.25Ω时,负载上的电流峰值约269kA,脉宽约50ns,电流上升时间小于30ns。以上结果证实,天光Ⅱ-B具有驱动低阻抗X-pinch实验线路的能力。

天光Ⅱ-B装置的诊断刻度

设计并制作了天光Ⅱ-B脉冲功率装置的电流电压诊断设备,根据天光Ⅱ-B脉冲功率装置的同轴传输线结构特点,在传输线末端设置了用于测量负载电压的电容分压器。利用金属膜连接传输线外筒与负载外筒构成回流来测量负载的电流,并利用电路模拟软件对此过程进行模拟,两个诊断探头采取直接标定的方法,测定电容分压器的分压比和回流器的灵敏度。实验结果表明,该探头性能稳定、时间响应快、功率负荷大,是测量脉冲电流与电压的一种理想工具。

1.2MV全封闭Marx发生器的绝缘结构设计

为保证封闭在体积有限容器内的1 2 MV Marx发生器可靠运行,用ANSOFT有限元计算软件计算了容器内3维电场分布,结果表明最大场强出现在末级电容器金属外壳的尖角处,其值超过绝缘介质(SF6 气体或变压器油)的耐受场强。电容器外壳安装金属屏蔽罩后,最大场强大大下降并小于绝缘介质的击穿电场。

V/N火花间隙开关的电场和电容模拟计算

介绍了V/N间隙火花开关的工作原理。此开关被用于工作电压500 kV、工作电流400 kA、脉宽100 ns、驱动阻抗1.25Ω的脉冲功率源主开关。利用有限元计算的软件Ansoft对设计的V/N开关进行建模,计算了模型加压导通过程几个关键时刻的电场和电位的分布及开关的结构电容为15.67 pF。

天光Ⅱ-B光源的初步实验

天光Ⅱ-B是在天光Ⅱ-A的油箱侧面建立而成,利用原有的Marx发生器,以及新建的脉冲形成线、主开关、脉冲传输线、负载腔构成一条新的实验线路。在保留装置原有泵浦激光能力的基础上,可同时进行X-pinch相关实验研究。脉冲形成线内导体为同轴线结构,特征阻抗6Ω,工作介质为去离子水,研制了一种真空水压的方式对形成线进行灌注,有效消除形成线内水中的气泡。采用Rogowski线圈对流过金属丝负载的电流进行测量。本文进行了天光Ⅱ-B在真负载下的初步实验。结果表明,在对Marx电容器充电70kV时,输出电流269kA,脉宽约50ns,上升沿≤30ns,丝负载对电流利用率约80%。

用于标定分压器的高电压毫微秒脉冲发生器

研制了一台高电压毫微秒脉冲发生器,它将用于标定快响应的分压器.该发生器由直流高电压电源、50欧姆脉冲形成线、紧凑型气体火花开关、50欧姆脉冲传输线构成,可输出脉宽100ns、幅值5～10kV的准矩形电压脉冲.当开关中为1个大气压空气时,其输出脉冲的上升时间约13ns;若希望得到更短的脉冲的上升时间,可将气体开关的气压增大.

变阻抗线及预脉冲开关的设计与调整

本文介绍了变阻抗线的传输特性,电场分布及预脉冲开关的工作特性。给出了在电阻负载及二极管负载下变阻抗线及预脉冲开关性能的测试结果。

高压陡脉冲发生器的研制

对Marx发生器放电回路进行了理论分析,给出了放电回路的计算程序,并在并在理论分析的基础上设计,制作了一台输出电压幅值高于160kV,脉冲前沿小于5ns的高压陡脉冲发生器。

复杂结构沿面闪络产生发展阶段模拟研究

以天光Ⅱ-A装置X-pinch负载腔为例,采用包含场致发射、二次电子倍增模型的三维模拟软件OPAL,对复杂结构中真空绝缘体沿面闪络的产生与发展阶段进行了模拟研究。模拟结果表明,阳极产生的二次电子在平行于绝缘体表面的电场分量的作用下从阴极座向大半径的运动,是导致沿面闪络的主要原因。并提出了阻断沿面闪络的方法及其原理。采用阻断沿面闪络的措施后,后续多次X-pinch负载腔放电实验证明,正常的回流电流增加了近20%,真空绝缘体上的沿面闪络得到了抑制。

基于X-pinch丝负载的背光照相研究

以天光Ⅱ-B装置(250kA/50ns)作为实验平台,在装置负载的阴阳极和回流盘上同时安装X-pinch丝负载,利用天光Ⅱ-B驱动X-pinch丝负载,通过背光照相实验获得箍缩发展不同时刻的序列图像。在序列图像中可观察到箍缩叉点处等离子体的内爆及外爆消散。实验结果有助于进一步理解丝负载箍缩等离子体发展的物理机制。

混合式电极结构X-pinch的研究

X-pinch作为X射线源进行背光照相,具有较高的空间分辨率和时间分辨率,可用于拍摄快速变化的过程,如丝阵负载的内爆过程。为了得到同一组丝阵负载内爆过程的多幅背光成像图片,需多个X射线源对其进行背光成像,在天光Ⅱ-B（~250kA,50ns）脉冲功率装置的驱动下,通过实验选择了一种混合式电极结构X-pinch。实验结果表明：此种混合式电极结构X-pinch可箍缩产生X射线,所辐射出的X射线光子能量主要在2~4keV之间,因其固有的空间对称性及出光电流较小,可完成多路背光照相。

0.1TW级脉冲功率发生器的初步实验

为了驱动X箍缩和Z箍缩负载,构建了由Marx发生器、脉冲形成线、V/N开关、脉冲传输线、负载组成的0.1TW级脉冲功率发生器(PPG-I)并在Marx发生器充电电压为75kV时,对PPG-I进行了调试实验。实验发现:当V/N开关主间隙中SF6气压固定为0.466MPa时,改变辅助间隙中SF6气压将显著影响开关的放电及输出特性;若辅助间隙气压为0.274MPa,当脉冲形成线(PFL)充电电压接近峰值(1.1MV)时,辅助间隙首先击穿,引起主间隙中多弧道放电,1.25Ω匹配负载上电压为较理想的矩形波;若辅助间隙气压上升到0.344MPa,辅助间隙难以击穿,主间隙在PFL充电电压接近峰值时先击穿,主间隙中只有一条放电弧道,负载上电压波形缓慢上升到440kV,且无平顶部分。由此得出:V/N开关多弧道放电时,该脉冲功率发生器的输出参数满足驱动X箍缩和Z箍缩的要求。

用于强流电子束加速器的大功率匹配负载的研制

研制了一种电阻值为20Ω的用于强流电子束加速器调试的大功率匹配负载。该负载已应用于基于水介质螺旋脉冲形成线强流电子加速器的调试。在该匹配负载上获得了较好的电压和电流波形,其电压幅值为200 kV,电流为9 kA,脉冲半高宽为150 ns。根据研制的匹配负载的几何尺寸,对该匹配负载的电感、电容进行了理论计算,得到的电感和电容值分别为2.12×10-8H和4.51×10-10F;并用PSpice软件对脉冲方波加载到匹配负载进行了模拟计算,用ANSYS软件对匹配负载的电场分布进行了模拟,理论和模拟结果与实验测量值基本一致。该匹配负载具有电感小和结构简单等特点,对匹配负载温升的理论计算表明,该匹配负载也可以用于重复频率小于10 Hz的加速器调试。

大面积二极管束流诊断

本文叙述了新研制的用于测量大面积相对论性电子束流强的方形罗可夫斯基线圈、薄膜回流器及法拉第筒等三种装置的结构、特性及试验结果。

百焦耳级KrF准分子激光装置设计与调试

首先用解析方法分析了提高激光输出能量的途径。其次用分析和反应动力学模拟计算相结合方法给出激光腔设计参数。并给出二极管、电子束传输系统以及变阻抗线预脉冲开关等设计参数。根据这些参数对百焦耳准分子激光器进行了工程设计。在安装调试时,采用单元安装、逐级调试然后总调。在调试中解决了阴极边缘电子发射和沿径向有机玻璃绝缘板表面的沿面滑闪等问题。在Marx电压1.1MV,主膜为50μmTi箔,二极管电压为620kV,电子束流为160kA,束能8kJ条件下,当腔内总气压为0.25MPa、气体混合比为F_2Kr:Ar=0.4:10:89.6,谐振腔全反镜反射率为96％,输出镜透射率为75％时,获得稳定、重复100JKrF激光输出能量。