流体动力学实验用闪光X光机研究进展

闪光X光机是流体动力学等研究领域必不可少的实验诊断装置,物理需求推动其向更高剂量和更小焦斑发展。叙述了几种X光二极管研究现状和关键问题,阐述了适用于不同功率水平的闪光X光机驱动源,分析了阳极杆箍缩和磁浸没二极管的应用前景,讨论了阳极杆箍缩二极管、驱动源发展方向以及实现多幅照相涉及的关键技术。

基于光导开关的重复频率闪光X光机

采用砷化镓光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建平顶输出功率源,驱动工业X光二极管产生X射线。提出了一种轮辐状金属-陶瓷沿面阴极,并与普通金属阴极工业X光二极管重复频率实验结果进行比较。研究表明:受限于阴极重复频率下的电流发射能力,普通金属阴极工业X光二极管难以实现1kHz重复频率,采用新型阴极二极管实现了1kHz重复频率2猝发脉冲X光输出,这两个脉冲的二极管功率、X射线信号基本一致。

工业X光二极管重复频率实验研究

工业X光二极管型"单焦点"高重复频率闪光X光机在科学研究、工业检测等领域具有重要应用前景。基于光导开关脉冲驱动源开展了金属阴极工业X光二极管重复频率运行实验,采用烘烤处理方法研究阴极表面吸附特性对重复频率发射特性的影响;以二极管阻抗模型为理论基础,通过重复频率实验获得的二极管电压维持时间和阻抗特性分析等离子体扩散过程。研究表明:对于高阻抗结构工业X光二极管,金属阴极为表面吸附杂质或气体解吸附形成等离子体发射机制,一次放电后阴极表面对气体的再吸附过程限制了其在高重复频率条件下的电流发射能力,同时由于阴极等离子体扩散过程变慢使得二极管电压脉宽变长。具有高重复频率电流发射能力的阴极是发展"单焦点"重复频率X光机的基础。

驱动X光二极管的级联Blumlein型脉冲网络过电压脉冲分析

为了提高装置容许的运行电压以提高辐射剂量产额,开展了放电过程中影响脉冲形成网络过电压幅值因素的研究。在引入开关导通不同步性和导通电阻条件下,建立了适用于任意电阻性负载的级联Blumlein型脉冲形成网络电压波过程理论模型,基于波过程模型进一步分析了影响脉冲形成网络过电压幅值的因素。研究表明开关不同步是产生过电压的主要因素,过电压峰值出现在开关闭合后的3倍形成网络电长度时刻。随着网络级联级数的增加,二极管阻抗与源阻抗匹配情况下最大过电压可达到-2倍充电电压,而二极管阻抗下降使得过电压幅值得以加强,阻抗过早崩溃可使过电压幅值接近充电电压的-3倍。

X光二极管实验平台初步设计

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源,在X射线二极管负载上可产生数MV高压输出。通过电压波过程分析,给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析,给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计,二极管采用径向均压绝缘堆结构,给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明:当中储运行电压为2.6MV时,对3Ω形成线充电电压为3.3MV,并最终在40Ω负载上获得4MV电压输出,且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%,在现有条件下,该平台设计指标能够满足实验预期。

基于光导开关的全固态器件功率源实验研究

研制了一种全固态器件重频功率源，采用GaAs光导开关和Blumlein型脉冲形成网络以级联的拓扑形式构建驱动源产生平顶高压脉冲。给出了Blum—lein型脉冲形成网络设计依据，以及充电电感和支撑电感值的计算方法，并分析了开关闭合不同步在脉冲形成网络上形成的过电压幅值。其中充电电感和支撑电感是该功率源设计的关键，直接影响各级网络充电电压幅值的一致性，输出波形畸变程度、电压叠加效率、负载上的预脉冲幅值。实验表明单级脉冲形成网络阻抗约为7．8Q，电长度约为36．5ns，12级光导开关型级联Blumlein型脉冲网络在匹配负载上输出电压达到220kV，脉宽约为63ns。

影响阳极杆箍缩二极管窗口前向辐射剂量的因素

简介了杆箍缩二极管(RPD)基本物理过程,从轫致辐射方向性、二极管能量耦合、电子箍缩效率、二极管构型等方面综述了国内外对RPD窗口前向辐射剂量影响因素的研究进展,报道了相比于石墨阴极,采用LaB6爆炸发射阴极RPD在相同实验条件下使得距离光源1m处辐射剂量提高12%以上的实验结果,并进一步讨论提高RPD辐射剂量的可能技术途径。

高压径向均压绝缘堆设计

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出,是脉冲功率系统中常见的技术途径,其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制,基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计,给出了径向电阻的设计方法。研究表明:采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布,而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100ns的4.5MV加载电压下,优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25kV/cm,Martin电场约120kV/cm,低于理论击穿值。

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。