绝缘微堆质子直线加速器关键技术研究进展

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度,尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段,有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品,样品内径30 mm,外径50mm,厚度15mm,基本达到设计要求;固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式,开关直流偏置耐压达到20kV,采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1ns的抖动,输出300kV的电压脉冲,输出电压脉冲宽度10ns;进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作,模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。

层叠平板Blumlein线加载高梯度绝缘微堆耦合效应仿真分析

针对介质壁加速器中加速单元因耦合问题输出效率降低的现象,利用基于时域有限差分法的电磁场仿真软件,分别对一组和三组、单级和15级层叠平板Blumlein线加载高梯度绝缘微堆进行了分析。结果表明,较多的平行电极使层叠B线自身带有较大的耦合电容,会导致输出前沿变慢和输出幅值降低。三组层叠B线同时工作时输出效率降低,主要因为相邻组的层叠B线会作为在本组的耦合电容而严重分流,同时,相邻组对本组放电也会影响本组输出效率。将各级B线旋转一定角度呈扇形以减小平行电极有效相对面积,以此降低自身耦合电容,取得一定效果。

绝缘微堆考核实验电极的优化设计

在绝缘微堆耐压考核实验中，需要对不同形状的样品采用不同的电极。对圆环形样品，为使真空度满足考核实验的要求，设计了中心开孔的电极；进一步考察了电极中心开孔尺寸为Ф35mm和Ф10mm时，样品进行考核实验的情况，并对其电场分布做模拟计算；实验和模拟计算的结果表明，中心开Ф10mm孔的电极能够满足考核实验的要求。

绝缘微堆测试工装设计与研究

设计了用于考察绝缘微堆样品耐压性能的测试工装，利用ANsYs软件对带样品测试工装电场分布的计算得出，用于耐压测试的圆柱形绝缘微堆样品合适的开孔尺寸为φ10mm；通过UG软件对工装支撑底座的应力和形变量分析得出，支撑底座的极限应力大于实验时底座所承受的最大应力。工装装配完成后进行了多次耐压考核试验，取得了良好的测试效果。

纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络特性

为满足脉冲功率系统高性能、小型化的应用需求,设计并制作了聚酰亚胺膜为介质层、黄铜为金属层及聚全氟乙丙烯膜为介质层、不锈钢膜为金属层2种方案的微堆层绝缘子。基于Marx发生器及单同轴脉冲形成线的纳秒脉冲真空实验平台,对微堆层绝缘子的真空沿面闪络性能进行了测试。为了精确标定测量系统,利用输出脉冲幅值约20 kV的磁脉冲压缩电源对测量系统进行了标定,得到的分压比为25 133∶1。对2种方案微堆层试样的测试结果表明,闪络发生在电压上升期间,最大真空沿面闪络场强接近180 kV/cm。

微堆层绝缘子的研制与初步实验研究

为发展新型介质壁加速器技术,研制了微堆层绝缘子并开展了初步的实验研究。利用有限元及粒子模拟方法,理论计算了微堆层绝缘子的沿面电场分布及电子运动轨迹,提出微堆层绝缘子的优化设计方案;采用高温层压的方法,研制出以聚全氟乙丙烯薄膜为介质层、不锈钢膜为金属层的微堆层绝缘子试样,并初步开展了纳秒脉冲下微堆层绝缘子的真空沿面闪络实验。研究结果表明:微堆层绝缘子具有良好的真空沿面闪络性能,其闪络场强可达180 kV/cm。

微堆层绝缘子初步研制及其闪络特性研究

为满足脉冲功率设备高性能、小型化的应用需求,文中研制出以尼龙为绝缘层,铜粉导电胶和导电银胶分别为导电层的两种微堆层绝缘子,文中详细介绍了样品的制备过程和表面处理工艺。采用自主搭建的纳秒脉冲电源MPC⁃50D(上升沿50 ns,半高宽56 ns)对微堆层绝缘子的真空沿面闪络性能进行测试,并将测试结果与常规绝缘子闪络特性进行对比。结果表明,采用此工艺制备的微堆层绝缘子,最高绝缘强度至少提高了34%;具有相同导电层时,采用导电银胶制备的绝缘子,随着绝缘层对导电层比例的增加,绝缘强度逐渐提高;比例关系相近时,铜粉导电胶制备的微堆层绝缘子性能明显优于导电银胶制备的绝缘子;拍摄的闪络电弧表明,微堆层绝缘子的沿面放电是逐级逐层击穿。

亚微秒脉冲下高梯度绝缘子的沿面闪络特性

介绍了一种由聚酰亚胺和不锈钢叠加而成的高梯度绝缘子的实验研究工作。该绝缘子样品的直径60mm,厚度8mm,在脉冲宽度120ns(FWHM)的电压脉冲加载下最高获得了接近13MV/m的绝缘强度。研究了测试方法以及绝缘层厚度与金属层厚度的比例对高梯度绝缘子绝缘强度的影响,并与相同尺寸的普通材料绝缘子的绝缘强度进行了对比。结果表明,高梯度绝缘子的绝缘强度明显高于仅由聚酰亚胺构成的普通绝缘子。

新概念介质壁加速器

本文介绍了一种新型加速器概念,介质壁加速器(DWA-Dielectric Wall Accelerator),及它的发展状况和关键技术。介质壁加速器是二十世纪九十年代由美国G.Caporaso等人提出来的。它是在新型的开关技术、绝缘技术和传输线技术的基础上,提出的一种新型高效加速器概念。相对于直线感应加速器,它用介质壁代替原有的导电壁,取消了漂移段,由多个连续分布的具有高压电场间隙的介质壁组成一个连续加速腔。高沿面强度绝缘、非对称脉冲形成线和快速低抖动闭合开关是实现DWA的关键技术,文中叙述了相关的技术发展和可能的解决方案。这种新型加速器的实现,将可以推动加速器技术进入一个新水平,具有划时代的意义。