直线感应加速器组元的双脉冲改造

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猝发双脉冲直线感应加速器组元研究

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第１９卷
４期
强激光与粒子束
ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ
Ｖ０．９，Ｏ４１１Ｎ．Ａｐｒ２０７．。０
２００７年４月
文章编号：ｉ０ — ３２２０）４０９ — ５０１４２（Ｏ７Ｏ — ６５０
图１加速组元示意图
缆对称馈人。Ｂｕｅｌｍｌｎ线内筒和中筒问及中筒和外筒问的特性阻抗都是６Ｑ，条线阻抗为１每条电缆阻ｉ整２Ｑ，抗为４４条电缆并联总阻抗也为１与Ｂｕｅｎ线匹配。为了匹配电缆的脉冲输出，８Ｑ，２Ｑ，ｌｍｌｉ在馈人口和加速腔外壳（地）接间并联了２个镇流电阻。由于在脉冲情况下铁氧体磁芯电感所带来的回路阻抗非常大，而用于实
流并实现良好的聚焦成为可能。大型直线感应加速器能量一般在１～２Ｖ之间，００Ｍｅ流强为几到几十ｋ脉Ａ，宽为２～１０ｎ，００ｓ最后束流直径可聚焦到２ｍｍ左右。现有的直线感应加速器均以单次方式工作，加压一次只能加速一个束流脉冲打靶，实际应用时常希望其而能工作在高重复频率的猝发多脉冲模式下。对原单脉冲ＬＡ进行猝发双脉冲改造，疑是获得多脉冲ＬＡ最Ｉ无Ｉ经济最简单的方法。本文在原ＬＡ组元基础上，Ｉ利用电缆延时和电缆反射两种方式在实验加速腔上获得了满足要求的猝发双脉冲输出（冲半高宽１０ｎ、脉２ｓ幅度２０ｋ间隔５００ｓ，对实验结果进行了分析。２Ｖ、０～１００ｎ）并

加速器原理-直线感应加速器

三、直线感应加速器技术的主要发展
直线感应加速器40余年的发展进程中，应用需求始终推动着直线感应加速器技术不断发展和创新。前20年，主要侧重发展强流和高峰功率技术；上世纪80年代开始，发展高平均功率技术和束品质控制技术；90年代以后，主要发展MHz重复频率能力的固体开关调制器技术和高频磁芯材料技术，以及高梯度绝缘体技术，并促进了概念创新，出现了环形直线感应加速器、感应同步加速器和介质壁加速器等新概念直线感应加速器。下面分别进行介绍。
二、直线感应加速器的工作原理及基本组成
直线感应加速器利用经典的电磁感应原理工作，即利用磁通量的变化产生感生电动势来加速带电粒子。带电粒子沿直线被加速，为此直线感应加速器采用了如图1所示的感应组元（或加速组元）结构。
另一种产生加速电压的方法是采用无磁芯的感应组元。这种组元工作时，虽然磁通密度B不变化，但B所占的面积发生变化，同样导致磁通量的变化，因而感应产生加速电压。无磁芯感应组元基
感应组元本身是一个感应电压源，当用金属导体代替粒子束流将N个感应组元轴向串联起来时，可将这N个组元的电压感应叠加形成N倍高的电压，称为感应电压叠加器（IVA），如图3所示。感应电压叠加器产生的高电压可用于产生粒子束或提供给负载，它本身就是一台加速器，也常作为直线感应加速器的前级（注入器），为其提供粒子束源。通常，感应电压叠加器也看成是一种直线感应加速器。
图像。为了防止加速器和图像探测器被模型内爆产物破坏，可采取保护措施或在爆炸容器内进行试验。
2. 重离子束聚变
重离子束聚变的最终目标是要在10ns内将能量为几 MJ且动能为几GeV的重离子束聚焦到靶上，以实现靶的聚变点火。美国的重离子聚变计划选择多束直线感应加速器作为重离子聚变的驱动器，有代表性的驱动器主线设计，如图10所示。输入一台约3 GeV的多束直线感应加速器被同时并行加速（每一束都有自己的交变梯度四极子聚焦通道）；出加速器后，这些束在漂移压缩段被纵向压缩，再经末级聚焦和中性化进入靶腔，在其内传输到靶。

2024年浙江省新高考测评卷高效提分物理(第二模拟)(基础必刷)

2024年浙江省新高考测评卷高效提分物理（第二模拟）（基础必刷）学校：_______ 班级：__________姓名：_______ 考号：__________（满分：100分时间：75分钟）总分栏题号一二三四五六七总分得分评卷人得分一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。

在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26，铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为，下列说法正确的是（）A．Y是氦核B．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变第(2)题如图甲为直线加速器原理图，由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上。

序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。

交变电源两极间电势差的变化规律如图乙所示。

已知电子的质量为m、元电荷为e、电压的绝对值为u，周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。

在时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）中央有一个初速度为零的电子。

下列说法正确的是（）A．电子在圆筒中做匀加速直线运动B．本装置可采用直流电进行加速C．进入第2个金属圆筒时的速度为D．第8个金属圆筒的长度为第(3)题在一条平直公路上，甲、乙两车分别位于两条平行车道上，时刻两车车头平齐，运动过程中两车的图像如图所示，两车出发后到当两车头再次平齐需要的时间为（）A．B．C．D．第(4)题如图所示，有一矩形闭合导体线圈，在范围足够大的匀强磁场中运动、下列图中能产生感应电流的是（）A．B．C．D．第(5)题一架质量为m 的直梯斜靠在光滑的竖直墙壁上，下端放在粗糙的水平地面上，直梯处于静止状态，与水平地面夹角为。

则下列说法正确的是（）A ．直梯对地面的作用力大小为mgB．地面对直梯的作用力大小为C ．墙壁对直梯的作用力与直梯对墙壁的作用力是一对平衡力D ．减小角，若直梯仍能保持平衡，则地面对直梯的支持力不变第(6)题某收音机中的LC 振荡电路，由固定线圈和可调电容器组成，能够产生频率范围为f 到kf （）的电磁振荡。

12MeV直线感应电子加速器

3国防科技基础研究基金资助课题。

1996年11月25日收到原稿,1997年10月29日收到修改稿。

石金水,男,1964年4月出生,硕士,副研究员。

12M eV 直线感应电子加速器石金水　丁伯南　邓建军　何　毅　李　劲　戴光森　文　龙　曹国高(中物院西南流体物理研究所,成都523信箱56分箱,610003) 摘要　12M eV 直线感应电子加速器(L I A )是经10M eV L I A 能量升级和系统改进而来,该机通过在10M eV L I A 加速末端续接四个加速组元并调整脉冲功率系统,将输出的电子束的能量升级至12M eV ;同时,重新设计的输运磁场分布及聚焦系统更趋于合理,使经10M eV L I A 升级和改进后的12M eV L I A ,打靶电子束能量达到12M eV ,束流约2.6kA ,脉冲半高宽约89n s ,焦斑约4mm 。

关键词　直线感应电子加速器(L I A )　脉冲功率　束输运和聚焦直线感应电子加速器是六十年代发展起来的一种新型加速器,它能产生强流、高亮度、低能散度的高品质电子束,而部件式结构的特点使它可大量串接获得所需要的能量。

由于L I A 具备这些优越性能,因而受到许多国家的重视,美国、法国、俄罗斯、日本已先后建成多台直线感应加速器[1～6],并已广泛地应用于闪光X 射线照相、辐照效应、自由电子激光、粒子束聚变、高功率微波等研究领域。

本文所介绍的12M eV L I A 是从1994年3月开始,在10M eV L I A (1994年研制成功)[7]基础上进行能量升级和系统改造而来。

其具体的设计指标要求为:加速电压12M V ;打靶束流≥2kA ;束流脉宽约60n s ;打靶束焦斑直径≤6mm 。

1　加速器系统简介 12M eV L I A 主要由脉冲功率系统、注入器、加速段、束输运和聚焦系统、控制监测系统及真空、油、水、气等辅助系统构成,主体概貌如图1所示。

Corkscrew运动影响束流发射度的数值分析

束流损失较小（５，流脉冲的形状基本维持不变；约％）束打靶电流强度约２６ｋ脉冲宽度￣ＷＨＭ）６ｓ．Ａ，约０ａ，
束心偏移控制在约１ｉ。束流调试结果表明，该束流传输线具有较宽的动态适应范围。ｌｍｌ
２３Ｃｒｓｒｗ运动影响束流发射度的数值分析．Ｏｏｋｃｅ
核物理与等离子体物理４９
范围控制在约± ｌｍｍ。聚焦段的束流调试基本上是通过实验完成的，当末级透镜的励磁电流为６０１Ａ、透
镜离靶的距离为２．ｃ３ｍ，并采用最新研制的叠靶后，焦斑尺寸达到设计指标。在全程束流传输过程中，２
感应加速器中，为了保证带电粒子在传输过程中的正则角动量为零，必须采取 “ 非浸没 ”式阴极，即阴极面的磁场为零，因此入射点的磁场是很弱的，这样，即使微小的入射角都将对束心横向运动和积分发射度
构成很大的影响。除了螺线管线圈的设计要求其磁轴倾斜尽量小外，还需要进行高精度准直安装，注入器
的准直安装要求要比加速段的更高。显然，准直安装的目的是为了保证整条束传输线的磁轴与几何轴的合
一
精度，对控制束心横向运动起着非常重要的作用。其次，减小束流的能散，包括注入器出口束流的能散
和加速电压波动造成的能散，注入器出口束流的能散占主导地位。减小注入器出口束流能散度的措施涉及
黄子平是产生强流、高能电子束的重要装置之一。现有的直线感应加速器均以单次方式
工作，加压一次只能加速一个束流脉冲打靶，而实际应用常希望其能工作在高重复频率的猝发多脉冲模式

双脉冲感应腔磁芯自动复位

１电缆延时产生双脉冲对感应腔磁芯复位的影响
ＬＡ的单组元系统通常由Ｍａｘ发生器、ｌｍｌｎ线和感应腔组成，图１ａ所示。Ｂｕｅｎ线与感应ＩｒＢｕｅｉ如（）ｌｍｌｉ
腔问通过两根电缆连接，ａｌ１和ｃｂｅｃｂｅａｌ２的电长度分别为Ｔ和Ｔ。Ｍａｘ发生器对Ｂｕｅｎ线的充电时间，ｒｌｍｌｉ为丁通常为数肚。由于脉冲在电缆中传输会有一定损耗，，ｓ电缆延时的时间长度通常为数百ｎ，ｓ否则双脉冲
求复位脉冲伏秒值大于等于主脉冲伏秒值。对于单脉冲直线感应加速器（Ｉ，与感应腔并联的镇流电］ＬＡ）当
阻满足匹配要求时，电预脉冲将自动满足对磁芯的复位要求］这也是目前绝大多数的单脉冲ＬＡ均采用充，Ｉ该方法对磁芯复位的原因。电缆延时方法ｌ可以利用单脉冲ＩＡ的功率系统在感应腔上得到双脉冲输出，＿６Ｉ是
称之为充电预脉冲，由于其出现在主脉冲之前，极性与主脉冲相反，且因此，用充电预脉冲可以在主脉冲励磁利
前对感应腔磁芯进行自动复位ｌ］ｌ。为避免感应腔磁芯在主脉冲励磁过程中出现饱和而影响腔压波形，２通常要
第２３卷第２期
２１０１年２月
强激光与粒子束
ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮ『ＤＰＡＲＴＩＣＬＥＢＥＡＭＳ

高重复率猝发高压多脉冲加速组元

第30卷第5期强激光与粒子束V o l.30,N o.5 2018年5月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S M a y,2018高重复率猝发高压多脉冲加速组元*黄子平,李劲,李远,陈思富,高峰(中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621900)摘要:详细介绍了基于形成线并联和传输线延时两种不同技术路线的MH z重复率猝发多脉冲加速组元的工作原理㊁应用背景和技术特点,针对现有传输线延时双脉冲加速组元的主要问题提出了一种新的猝发高压双脉冲加速组元设计思路并进行了实验验证,使双脉冲加速组元在兼顾更高稳定性和更好波形品质的同时,解决了双脉冲电压独立调节㊁间隔调节及单双脉冲模式转换的问题㊂关键词:猝发高压多脉冲;感应加速组元;传输线延时;硅堆隔离网络中图分类号: T L503.3文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201830.170339直线感应加速器(L I A)是闪光X射线照相的最佳光源,用于对高速运动致密物体的瞬态透视成像㊂L I A 由多个加速组元串联而成,要满足闪光照相的要求,每个组元需产生脉宽约100n s㊁幅度约200k V的高压脉冲,以加速通过其间隙的脉冲电子束(流强数k A㊁脉宽数十n s),并在串联叠加后使其达到约20M e V的打靶能量[1]㊂L I A加速组元由高压脉冲功率源㊁感应加速腔及连接它们的高压传输线组成,受功率源高压开关能力的限制,传统加速组元只能单次或低重频运行㊂多幅闪光照相要求达到的图像间隔通常在μs量级,要实现这一要求,需要对传统L I A加速组元的设计进行改进㊂美国的D A R H TⅡ是世界上首台多幅闪光照相装置,其L I A的加速组元采用了长脉冲设计,利用感应脉冲形成网络和巨大的感应加速腔产生2μs的高压感应脉冲对1.6μs的电子束进行加速,并在加速器出口利用束流切割器将其切分为4个约50n s的短脉冲进行打靶,这一方案规避了高压开关及感应腔磁芯高重频运行的难题,但长脉冲加速在高压绝缘㊁束流输运㊁能量利用率等方面带来了极大的困难,机器造价昂贵[2]㊂神龙二号是我国自行研制的多幅闪光照相装置,是世界上首台多脉冲L I A,利用加速组元直接感应产生间隔数百n s (可调)的3个高压脉冲加速3个约50n s的电子束打靶[3-4]㊂神龙二号加速腔磁芯用量不到D A R H TⅡ加速腔的20%,在获得相同照相指标的前提下大幅降低了机器造价,并具备了照相时间间隔大幅可调的优势㊂已经通过实验验证的猝发高压多脉冲产生方法目前有三种:一是串联形成线方法,原理由美国在D A R H T Ⅱ预研时提出但未采用,可产生2~3个脉冲,我国在神龙二号预研时开展了相关功率源的实验研究[5],但未开展加速组元的研究工作,本文暂不讨论;二是并联形成线方法[6],这是神龙二号加速组元所采用的技术路线,连接加速腔后可获得3个感应高压脉冲;三是传输线延时方法[7],这是我国下一台多脉冲L I A 神龙三号加速组元将采用的技术路线,其加速组元样机已经通过了实验考核㊂本文详细介绍后两种多脉冲加速组元的工作原理和技术特点,并针对神龙三号原双脉冲加速组元进行了优化设计和实验验证㊂1基于形成线并联的三脉冲加速组元将三套传统的 M a r x+B l u m l e i n 短脉冲功率源按照一定的时序先后充电和触发,先后产生的高压脉冲在通过高压隔离硅堆后汇入同一组传输线,馈入到感应加速腔,可以在加速间隙上感应产生间隔可调的高压三脉冲串[8],如图1所示㊂硅堆隔离网络可以有效地隔断高压脉冲在三套脉冲功率源间的相互串扰,使三脉冲的汇流得以实现,硅堆的关断特性限定了多脉冲间的最小间隔,硅堆的导通特性和汇流器的结构设计决定了汇流后脉冲前后沿的增量㊂为神龙二号加速组元所研制的高压隔离硅堆,其关断时间约为100n s,远小于加速组元所需的最小脉冲间隔400n s;硅堆导通所导致的脉冲前沿增量约5n s,汇流结构所导致的前沿增量约为9n s㊂单脉冲L I A加速组元[9]通常利用M a r x对B l u m l e i n线充电时产生的正极性预脉冲对加速腔磁芯进行复位,通过对形成线等效阻抗㊁加速腔磁芯伏秒值和加速腔镇流电阻间参数的选择,可以保证加速腔磁芯在主脉冲到达前正好被预脉冲复位到最佳状态,这种复位方式称为加速腔磁芯的自动复位[1]㊂对于三脉冲组元,由于*收稿日期:2017-08-30;修订日期:2017-12-21基金项目:国家自然科学基金项目(11675159);中国工程物理研究院科学技术基金项目(2015B0402076)作者简介:黄子平(1977-),男,副研究员,从事脉冲功率技术和感应加速器磁芯研究;h z p106@c a e p.c n㊂055102-1055102-2F i g .1 S k e t c hm a p f o r t h r e e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e 图1 三脉冲感应加速组元示意图隔离硅堆的存在,正极性的复位预脉冲被隔断,因此需要为加速腔增加专门的复位系统[10],复位脉冲的接入点位于主脉冲汇流点与加速腔之间,为避免复位系统与主脉冲功率系统间的相互影响,需要增加高压切换开关来实现主脉冲㊁复位脉冲和加速腔间的隔离和连接㊂切换开关所导致的主脉冲前沿增量约为4n s㊂同样受开关能力的限制,目前还无法在数百n s 时间内实现数百k V 高压通道的切换,因此加速腔磁芯难以在脉冲间进行复位㊂三脉冲加速组元采用的是一次复位后3次励磁的技术路线,这需要磁芯的伏秒值达到传统单脉冲加速腔磁芯的3倍以上,以满足3个主脉冲的总需要;同时,由于不同主脉冲馈入加速腔时,磁芯处于不同的励磁状态,因此,要获得品质相近的3个感应脉冲,且磁芯在不同励磁阶段的磁导率不能有明显的差异㊂通过多年的努力,专门研制的铁氧体和非晶磁芯在多脉冲励磁性能上均达到了使用要求[11]㊂铁氧体磁芯本身绝缘,整体烧制而成,在传统L I A 上有大量应用,但其可用磁通量密度ΔB 较低(约0.7T ),且磁芯尺寸受烧制能力限制,要达到700mm 以上的直径非常困难;非晶磁芯为金属薄带绕制而成,封装后的ΔB >1.3T ,径向尺寸可达1m 以上,但其耐压能力和几何尺寸稳定性受绕制和封装工艺影响较大,长期工作的稳定性有待验证㊂由于采用铁氧体磁芯后三脉冲加速腔的轴向尺寸过大,不能满足L I A 物理设计的要求,综合考虑后,神龙二号加速腔选择了非晶材料作为磁芯㊂相对于D A R H T Ⅱ的加速组元,三脉冲加速组元的磁芯用量小,且脉冲间隔可以在极大的范围内自由调整(如图2所示,4条曲线分别对应4个加速腔的腔压波形,实际的脉冲间隔受照相需求和靶材烧蚀速度的限制),在建设成本和使用灵活性上具有明显的优势㊂但硅堆汇流结构所导致的前后沿增量使脉冲平顶宽度明显下降,要确保束流的能散达到要求,束流和加速脉冲间的同步性要求非常高,这对功率系统各部件的时间抖动提出了严格的限制㊂从图1可以看出,三脉冲加速组元的构成较为复杂,3套独立脉冲功率源的依次动作需要6套高压触发源的准确触发,对于整台加速器,其涉及的开关数量远大于单脉冲L I A ,而加速器整体的同步性和稳定性要求又要高于单脉冲L I A ㊂因此,要具备同样的可靠性,三脉冲L I A 对设备性能检测和实验准备的要求远高于传统的单脉冲L I A ㊂F i g .2 T h r e e -p u l s ew a v e f o r m s o f t h e i n d u c t i o nm o d u l e sw i t hd i f f e r e n t p u l s e s i n t e r v a l t i m e 图2 不同脉冲间隔下的三脉冲腔压波形强激光与粒子束055102-32 基于传输线延时的双脉冲加速组元形成线并联方式理论上可以实现更多的脉冲数量,但受系统复杂性和加速腔磁芯体积的限制,脉冲数量的增加会大幅提高加速器的建设难度和运行成本㊂若将脉冲数量减少到两个,在建设难度降低的同时,有可能使加速器的可靠性得到显著提升㊂因此,双脉冲L I A 成为某些重大实验开展多幅闪光照相的选择㊂由于硅堆隔离对脉冲前后沿的影响和开关数量的翻倍,基于形成线并联的双脉冲L I A 的可靠性仍低于单脉冲L I A ㊂因此,一种基于传输线延时的双脉冲产生方式被提出,并在神龙三号 L I A 的预研中被采用㊂双脉冲加速组元[12]示意图如图3(a )所示,同一根B l u m l e i n 线产生的高压短脉冲通过不同电长度的传输线先后馈入加速腔,可以在加速间隙上感应产生高压双脉冲串,脉冲间隔为两组传输线的电长度差㊂由于只使用了一套脉冲功率源且未增加任何开关和半导体器件,最大程度地降低了加速组元的系统复杂性,提高了双脉冲L I A的运行可靠性㊂F i g .3 S k e t c hm a p a n dv o l t a g ew a v e f o r mf o r d o u b l e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e 图3 双脉冲加速组元示意图及腔压波形由双脉冲的产生原理可知,如采用同样的B l u m l e i n 线,双脉冲加速组元首个主脉冲(脉冲A )的品质应与传统单脉冲组元相同,而对于第二个主脉冲(脉冲B ),由于高压脉冲在传输过程中会产生损耗,其品质会变差㊂通过对水介质延时线的优化设计[13],在500n s 的延时下,可以将脉冲前沿的增量控制在5n s 以内,幅度的损耗控制在1%以内,因此,传输线延时后的高压脉冲,其平顶宽度仍明显优于通过硅堆隔离后所产生的高压脉冲㊂平顶宽度的增加,放宽了对功率系统开关时间抖动的要求,进一步提高了双脉冲L I A 的运行可靠性㊂另外,随着对磁芯伏秒值需求的降低,双脉冲加速腔可以选择铁氧体作为磁芯,这也在一定程度上提高了双脉冲加速组元的可靠性㊂双脉冲加速组元所产生的典型腔压波形如图3(b)所示㊂双脉冲L I A 以牺牲脉冲数量和照相灵活性为代价,换取了可靠性的提高㊂但除此以外,双脉冲组元还有一些不足之处㊂首先,脉冲A 后总是存在一些反射脉冲会叠加到脉冲B 上,要使叠加脉冲对脉冲B 的平顶影响最小,需要选择最合适的双脉冲间隔㊂目前的双脉冲间隔是根据双脉冲组元空载实验的数据确定的,而带束运行必须在加速器整机安装完成后,如果束流负载的介入影响了脉冲A 的反射情况,则可能需要对脉冲间隔进行微调,这只能通过改变每个加速组元对应的延时传输线总长度来实现,无疑将带来巨大的工作量;其次,双脉冲加速组元在B l u m l e i n 线输出端并联合适的复位电阻后(图3(a)中R 1),能实现加速腔磁芯的自动复位[14],但复位预脉冲会叠加在主脉冲上对其幅度产生影响,且对A B 脉冲的影响程度不同㊂由于脉冲A 和B 为同一功率源产生,幅度不能独立调节,只能通过调节R 1阻值和组元工作电压来确保双脉冲幅度的一致性,这导致最佳工作电压确定后其调节范围极其有限,给加速器的调试和运行带来诸多不便;最后,在多脉冲L I A 带束调试时总是希望能先利用单脉冲进行粗调,在干扰最小的情况下确定各系统是否达到设计指标,以提高调试效率,而双脉冲组元并不具备产生单脉冲的能力,这必然会增加加速器带束调试的难度㊂3 基于传输线延时的2B 2C 双脉冲加速组元采用传输线延时方法,由于在双脉冲间隔㊁幅度一致性和脉冲数量三方面均难以进行调节,虽然在单组元上获得了满足要求的双脉冲波形,但对于双脉冲L I A 的整体调试和运行却不容乐观㊂针对双脉冲组元的不足,在不增加组元结构复杂性的前提下,仍以传输线延时为基础,设计了一种新型的双脉冲组元结构,在实现脉冲数量可选及双脉冲幅度独立可调的同时,大幅降低了预脉冲对主脉冲的影响,提高了波形质量的稳定性㊂如图4(a )所示,新的双脉冲加速组元由两根B l u m l e i n 线㊁两个加速腔㊁一根延时传输线和多根高压电缆组黄子平等:高重复率猝发高压多脉冲加速组元055102-4成,简称为2B 2C 组元,为方便区分,原双脉冲加速组元简称为1B 1C 组元㊂2B 2C 组元中,形成线和延时传输线阻抗均为12Ω,延时传输线电长度500n s ㊂B l u m l e i nA 通过高压电缆分别与两个加速腔连接,B l u m l e i nB 则通过延时传输线后再用高压电缆分别与两个加速腔连接㊂F i g .4 S k e t c hm a p a n dv o l t a g ew a v e f o r mf o r 2B 2Cd o u b l e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e 图4 2B 2C 双脉冲加速组元示意图及腔压波形2B 2C 组元中每两个加速腔共同使用一根水介质延时传输线和一个复位电阻,双脉冲幅度可以通过调节两根B 线的充电电压来独立调节㊂由于复位电阻仅安装在B l u m l e i nB 的输出端,且阻值较小,预脉冲对加速腔磁芯复位的贡献主要来自于B l u m l e i nA 的充电过程,因此磁芯复位效果与复位电阻阻值和加载电压幅度的相关程度较小㊂2B 2C 组元的典型双脉冲波形如图4(b )所示,其中脉冲A ,B 的幅度可以独立调节㊂在不同的工作电压下,两种双脉冲组元的预脉冲和主脉冲A 的波形如图5所示㊂图5(a )为1B 1C 组元的波形,当工作电压变化时,预脉冲波形发生明显变化,影响主脉冲的起始电压和平顶质量;图5(b )为2B 2C 组元的波形,工作电压的变化对预脉冲波形基本不产生影响,主脉冲平顶质量稳定㊂F i g .5 V o l t a g ew a v e f o r m s f o r t h e t w ok i n d s o f d o u b l e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e sw i t hd i f f e r e n t c h a n g e v o l t a g e 图5 不同工作电压下两种双脉冲组元的预脉冲和主脉冲波形如仅对B l u m l e i nA 加压,则延时线和B l u m l e i nB 相当于B l u m l e i nA 的匹配负载,可在加速腔上得到单脉冲腔压,因此组元可在单㊁双脉冲模式间快速转换㊂调节B l u m l e i nA 和B 的触发时间,可对双脉冲间隔进行小范围调节,当加速器整机带束调试确定了最佳脉冲间隔后,在不增加触发源的前提下,只需更换初级触发源到对应初级发散装置的触发电缆,即可完成对所有组元脉冲间隔的调节㊂4 结论本文详细介绍了采用形成线并联和传输线延时两种技术路线获得高重复率猝发高压多脉冲的两种加速组元的技术特点和应用背景㊂基于形成线并联的多脉冲组元,理论上可实现任意多个脉冲的产生,且脉冲间隔任意可调,是目前多幅闪光照相用多脉冲L I A 的最佳选择,但该路线所涉及的初级触发源和高压开关的数量与脉冲数量成正比,且硅堆隔离网络的使用对高压脉冲的平顶宽度产生了一定的影响,因此系统的复杂性和可靠性维护成本较高;基于传输线延时的多脉冲组元,只能实现双脉冲的产生,系统相对简单,可靠性维护成本较低,适用于对稳定性有特殊要求的多幅闪光照相需求,但其在脉冲幅度和间隔的调节及单双脉冲的模式转换上存在着较大的困难,不利于加速器的调试和运行㊂本文对双脉冲组元结构进行了优化设计,在传输线延时的基强激光与粒子束黄子平等:高重复率猝发高压多脉冲加速组元础上,借鉴形成线并联的思想,利用两根B l u m l e i n形成线分别产生脉冲A和B,使得新的2B2C组元结构在维持原双脉冲加速组元主要优点的同时,显著提高了双脉冲组元的自我调节和环境适应能力,降低了未来双脉冲L I A的调试和运行难度㊂参考文献:[1]邓建军.直线感应电子加速器[M].北京:国防工业出版社,2006:1-12.(D e n g J i a n j u n.L i n e a r i n d u c t i o n e l e c t r o n a c c e l e r a t o r.B e i j i n g:N a-t i o n a lD e f e n s e I n d u s t r y P r e s s,2006:1-12)[2] S c a r p e t t iR,N a t hS,B a r r a z a J,e t a l.S t a t u s o f t h eD A R H T2n d a x i s a c c e l e r a t o r a t t h eL o sA l a m o sN a t i o n a l L a b o r a t o r y[C]//P r o c e e d i n g so f P A C07.2007.[3] D e n g J i a n j u n.T h eD r a g o n-Ⅱ,at r i p l e-p u l s eh i g h p o w e r l i n e a r i n d u c t i o na c c e l e r a t o r[C]//T h e5t hE u r o-A s i a nP u l s e dP o w e rC o n f e r e n c e.2014.[4]石金水,邓建军,章林文,等.神龙二号加速器及其关技术[J].强激光与粒子束,2016,28:010201.(S h i J i n s h u i,D e n g J i a n j u n,Z h a n gL i n w e n,e t a l.D r a g o n-Ⅱa c c e l e r a t o r a n d i t s k e y t e c h n o l o g y.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m 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i p i n g, L i J i n, L iY u a n, C h e nS i f u, G a oF e n g(K e y L a b o r a t o r y o f P u l s e dP o w e r,I n s t i t u t e o f F l u i dP h y s i c s,C A E P,P.O.B o x919-106,M i a n y a n g621900,C h i n a)A b s t r a c t: A s t h e l i g h t s o u r c e t o p r o v i d em u l t i-t i m e r a d i o g r a p h y,m u l t i-p u l s e l i n e a r i n d u c t i o n a c c e l e r a t o r(L I A)n e e d s e a c h o f i t s a c c e l e r a t i n g m o d u l e t o p r o d u c e s e v e r a l i n d u c t i o n p u l s e s i n~μs,w i t h~100n s p u l s ew i d t ha n d~200k V p u l s ev o l t a g e. T w ok i n d s o fm u l t i-p u l s ea c c e l e r a t i n g m o d u l e sa r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e di nt h i s p a p e r,o n e i sb a s e do n p u l s ef o r m i n g l i n e (P F L)p a r a l l e l c o n n e c t i o n m e t h o d,t h eo t h e r i sb a s e do n p u l s et r a n s m i s s i o nl i n e(P T L)t i m e-d e l a y m e t h o d.A n e w d e s i g no f d o u b l e-p u l s e a c c e l e r a t i o nm o d u l e i s a d v a n c e d,a n d t h e p r i n c i p l e e x p e r i m e n t s r e s u l t s a r e d i s c u s s e d.K e y w o r d s: m u l t i p l e p u l s e s;a c c e l e r a t i n g m o d u l e; P F L p a r a l l e l c o n n e c t i o n; P T Lt i m e-d e l a yP A C S:29.20.E j;41.20.G z;84.30.N g;84.70.+q055102-5。

含磁芯线圈动态电感计算

式中，＝（／２，ｐ２（＝Ａ／２。线圈电感量的初始值可根据磁芯的初始磁导靴计算得到，代（
以上的推导仅适用于电流和磁通量都单向变化的情况，当出现电流或磁通量变化方向改变的情况时，说明磁芯励磁的方向发生了变化，线圈的电感量应该改变初始值重新计算。在脉冲或交流励磁的情况下判断磁芯励磁方向是个非常烦琐的过程，式（Ｎ￣常简单地解决了这一问题。２ｌ）ｌｚ对于励磁电流，单向变化意味ｄ和同号，因此只要将式（中参数的定义改变为＝Ｉ／Ｉ，即，２）／Ｉｄ可确保计算过程中电流是单向变化的。
连接加速腔的其中一根传输线延长１０ｍ，则同一根Ｂｌｍｌｎ线产生的脉冲通过两根不同长度的传输线将０ｕｅｉ间隔５０ｎ到达加速腔，实现加速腔猝发双脉冲馈入。电缆反射方式是在加速腔上并联一根末端断路的电０ｓ缆，ｕｅＢｌｍｌｎ线产生的脉冲通过馈入电缆到达感应腔后将继续进入反射电缆传输，ｉ并在断路端发生全反射，反射脉冲会重新通过反射电缆回到感应腔，从而实现对加速腔的猝发双脉冲馈入。实验结果如图１所示。在电缆延时和电缆反射两种方式下，原单脉冲组元系统都较好的实现了猝发双脉冲改造，在伏秒值足
免了烦琐的人工分段求解，非常适用于微机进行数值处理。
对于磁通量，单向变化意味ｄ号，而磁通变化量ｄ感应电压硐号，又由于电感量三必然大ｌ
于０，磁通量励磁电流Ｊ同号（电感定义），因此将式（）２中参数改变为＝ｓＩ，即可确保计算过程Ｉ／ｌｆｄ中磁通量是单向变化的。

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第15卷　第10期2003年10月强　激　光　与　粒　子　束HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Vol.15,No.10Oct.,2003文章编号:　100124322(2003)1021029204直线感应加速器组元的双脉冲改造Ξ黄子平,　邓建军,　王华岑,　李　欣(中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘　要:　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。

关键词:　直线感应加速器(L IA );　双脉冲;　铁氧体中图分类号:　TL503.3 文献标识码:　A 大型的直线感应加速器(L IA )在对爆轰产物流体力学性质的研究中有着非常重要的作用。

如果把一台只能产生单个脉冲的L IA 组元进行改造,使之能在μs 级的时间内感应出多个电压脉冲,加速多个束流脉冲打靶,在一次爆轰实验中拍摄到连续的照片,则不仅能节省大量的实验经费,更是技术上的提高与创新。

本文利用单次L IA 原有的脉冲功率源(Marx 发生器、Blumlein 线)和组元加速腔,以铁氧体大环作为感应磁芯,将Blumlein 线脉冲输出中的一路馈入100m 长电缆进行延时,靠Blumlein 线的充电电流复位磁芯,成功地获得了两个间隔500ns 的感应电压脉冲。

并通过截断延时电缆长度获得了不同时间间隔的双脉冲波形。

为多脉冲L IA 加速腔的设计积累了经验,并对铁氧体在多脉冲情况下的性能研究提供了实验数据。

1　实验设备中国工程物理研究院的L IA 加速组元1B2C 脉冲功率系统的示意图如图1所示。

Fig.1　Schematic of pulsed power system for the L IA cell 图1　加速组元脉冲功率系统示意图 Marx 对Blumlein 线充电到峰值时主开关触发,脉冲通过4条电缆线馈入两个加速组元,每个组元由2条电缆对称馈入。

Blumlein 线内筒和中筒间及中筒和外筒间的特性阻抗都是6Ω、整条线阻抗为12Ω,每条电缆阻抗为48Ω,4条电缆并联总阻抗也为12Ω,与Blumlein 线匹配。

为了匹配电缆的脉冲输出,在馈入口和加速腔外壳(接地)间加了一个镇流电阻,理论上两个镇流电阻的并联阻抗、铁氧体磁芯电感等效阻抗和束流通过间隙时的等效阻抗并联后,阻抗应为24Ω才能与两根并联的电缆匹配。

而实际在脉冲情况下,铁氧体磁芯电感所带来的回路阻抗是非常大的,而用于实验的单组元中也没有束流通过,因此,每个镇流电阻阻抗为48Ω(并联值为24Ω)时即满足匹配要求。

加速组元的具体结构如图2所示。

电流脉冲通过脉冲馈入口4进入组元,一部分通过镇流电阻2损失掉,一部分通过5馈入加速腔,成为铁氧体环6的初级功率源,感生出的电压加在间隙8(次级)上,加速通过间隙的电子束。

绝缘环9的作用是将腔中心需要抽真空的部分和外围需要注油绝缘的部分分开,同时也降低了抽真空的难度。

组元上有两路信号输出,一路从镇流电阻的分压环(RV P )1上分压得到,另一路从电容探头(CV P )10上得到,都反映的是加速间隙8处的电压波形。

加速组元感应磁芯的复位是依靠Marx 给Blumlein 线充电时流入组元的充电电流,其极性与高压脉冲相Ξ收稿日期:2003203206; 修订日期:2003206226基金项目:国防科技基础研究基金资助课题作者简介:黄子平(19772),男,硕士,从事高功率脉冲方面的研究.四川绵阳9192106信箱;E 2mail :hzp0816@Fig.2　Cutaway view of a L IA cell 1.resistor divider ;2.ballast load ;3.connecting cavity ;4.feed lines (from cable );5.feed lines (to accelerator cavity );6.ferrite core ;7.solenoid ;8.accelereator gap ;9.insulator ring ;10.portal of the capacitive probe (to measure voltage between the gap )图2　L IA 加速组元剖面图反,幅值较小但已足够将铁芯复位至-B r 处。

原系统中的两根馈入电缆均为20m 长,为产生双脉冲,将其中一根替换为120m 长电缆,两根电缆中的充电电流到达组元的时间不同,因此两个脉冲之间仍存在反向的充电电流给铁氧体复位,但是复位时间较短。

当两根电缆等长时,脉冲同时进入组元,所以从每条电缆向组元看出去,看到的电阻都是48Ω,因此是匹配的。

而将一根电缆延时后,馈入的两个脉冲先后到达,这时从任意电缆向组元看出去时,电阻是镇流电阻和另一条电缆阻抗的并联值。

因为两条电缆的阻抗是相同的(48Ω),所以并联值必定小于48Ω。

为了达到匹配,同时又要能测到馈入电压脉冲波形,决定将镇流电阻阻抗升高到2.5k Ω(两个5kΩ并联),远远大于电缆阻抗48Ω,使并联阻抗与电缆基本匹配。

2　实验结果感应腔的单脉冲典型波形如图3所示,脉冲半高宽为120ns ,幅值280kV 。

图4为在馈入电压幅值120kV 情况下不同脉冲间隔时感应腔的双脉冲感应波形。

当两根电缆传输线分别为20m 和120m 时,由于波在传输Fig.3　Representative waveform of single pulse图3　单脉冲的典型波形线中的速度为0.2m/ns ,因此在感应腔上便得到了间隔500ns 的双脉冲馈入;截短电缆的长度,分别得到了间隔400ns 和270ns 的双脉冲馈入。

图中V r 为电阻分压器测得的波形,V c 为电容分压器测得的波形。

可以看出,在此电压幅度下,加速间隙上的双脉冲波形受脉冲间隔时间影响不大。

实验中脉冲的半高宽约为120ns ,由Blumlein 脉冲形成线的几何尺寸决定。

在单脉冲情况下,感应腔的11块铁氧体磁芯饱和前所能达到的最大伏秒值约为300kV ×120ns ,即电压幅度超过300kV ,磁芯将出现明显饱和。

为了观测在双脉冲情况下利用Blumlein 线充电电流复位的方式,磁芯所能正常工作的最大电压,在脉冲间隔500ns 的情况下采集了不同馈入脉冲幅度时加速间隙的波形,如图5所示。

Fig.4　Double 2pulse voltage waveform on accelerating gap with different pulse interval图4　不同脉冲间隔时加速间隙上的双脉冲波形3　结果分析实验结果表明,利用电缆延时的方法,组元功率系统改造后能够产生双脉冲输出,含铁氧体磁芯的感应腔在伏秒值允许的范围内,可以在加速间隙上感应出较好的双脉冲波形。

但随着馈入电压幅度的增加,磁芯在第二个脉冲到达时会逐渐达到饱和。

0301 强激光与粒子束第15卷图4中,V r 和V c 的幅值有一些差别,这主要是因为两种测量方法的原理有所不同,电容分压器(CV P )一经标定,分压比将固定不变,而电阻分压器(RV P )由于水电阻阻值随温度变化,所以分压比会有一个波动范围。

在图5中,则只采用了CV P 的测量数据。

图4中两脉冲间电压的波动较大,后发现是由于Blumlein 线另外两路输出的负载失配引起的,调整后,在图5中波形有了明显改善。

Fig.5　Double 2pulse voltage waveform on accelerating gap with different input voltage图5　不同馈入电压幅值时加速间隙上的双脉冲波形第二个脉冲后面有一个较大的反射脉冲,下面对它的形成进行分析:如图1,假定传输线1的电长度为T 1,传输线2为T 2,Blumlein 线输出脉冲幅度为V ,磁芯回路呈现高阻状态。

则在Blumlein 线触发后T 1+T 2时,幅度为V 的脉冲会通过传输线1,2同时回到Blumlein 线的输出端,此时负载为Blumlein 线及另外两根传输线,阻值为传输线1,2并联值的1/3,系统失配,会反射一个-V /2的脉冲回到传输线1,2中,在2T 1+T 2和T 1+2T 2时到达感应腔,其幅值为励磁脉冲的一半。

对比实验波形,其位置和幅度都与实验符合。

当磁芯呈现饱和时,其回路逐渐变为低阻状态,能量大部分由磁芯回路泄漏,在T 1+T 2时刻回到Blumlein 线输出端的脉冲幅值会降低,反射的脉冲幅值也同样降低,因此在磁芯饱和后第二个脉冲后的反射脉冲会减弱以致消失,如图5的下面两个波形所示。

在铁氧体磁芯饱和前,也可以通过硅堆隔离的方法来有效地去除主脉冲以后的反射波形。

利用Blumlein 线的充电电流来复位磁芯,在单脉冲情况下有很好的效果(幅值达到280kV 仍未出现饱和现象),但在双脉冲时对第二个脉冲则基本不起作用(幅度达到188kV 时就已经出现饱和趋势),可见单脉冲和多脉冲间的复位要求是不同的。

定性地说,磁芯回路中的复位电流强度达到I 时就认为磁芯复位到理想值,由于回路本身有很大的电感,其中的电流强度必然有一个渐变的过程,对于约10kV 的复位电压,这一过程约需要2μs 。

对于单脉冲,主脉冲到达前有近3μs 的复位时间,因此有很好的复位效果;而对于第二个脉冲,则只有500ns 的复位时间,所以效果不明显。

要实现脉冲间复位,必须提高复位电压,以缩短磁芯回路中复位电流建立的时间。

4　结　论通过传输线延时,单组元功率系统较好地实现了双脉冲输出;在增加镇流电阻阻值以实现匹配后,在馈入脉冲电压较低的情况下,感应腔得到了较好的双脉冲腔压波形,说明在伏秒值允许的范围内铁氧体磁芯是可以正常工作在双脉冲情况下的。

当电压幅度增加时,感应腔较早出现饱和现象,说明脉冲间复位较单脉冲复位有较大的特殊性,需要进一步研究。

参考文献:[1]　程念安.单组元试验台研制总结[A ].强流直线感应加速器会议文集[C].绵阳:中国工程物理研究院流体物理所,1994.96—102.(Cheng NA.Design and test of an accelerator module for L IA.Proceedings of the cenference on 10MeV L IA.Mianyang :China Academy of Engineering Physics ,1994,96—102)[2]　戴光森.多块铁氧体组合的脉冲性能研究-单组元模拟实验[A ].强流直线感应加速器会议文集[C].绵阳:中国工程物理研究院流体物理所,1994.86—91.(Dai G S.The performance of ferrite cores combination in pulse.Proceeding of the cenference on 10MeV L IA.Mianyang :China 1301第10期黄子平等:直线感应加速器组元的双脉冲改造2301 强激光与粒子束第15卷Academy of Engineering Physics,1994.86—91)[3]　王华岑,文　龙,章文卫,等.直线感应加速器加速腔物理设计与研究[J].强激光与粒子束,1996,8(3):313—319.(Wang H C,Wen L,Zhang W W.Physical design study on linear induction accelerator cell.High Power L aser and Particle Beams,1996,8(3):313—319)[4]　Ekdahl C.Modern electron accelerators for radiography[A].Proc of the13th International Pulsed Power Conference[C].Albuquerque,USA,2001.29—34.[5]　邓建军.“神龙一号”直线感应加速器物理设计[J].强激光与粒子束,2003,15(5):502—504.(Deng J J.Physical design of the Dragon2Ⅰlineerinduction accelerator.High Power L aser and Particle Beams,2003,15(5):502—504)Double2pulse reconstruction of a single2pulse L IA moduleHUAN G Z i2ping,　DEN G Jian2jun,　WAN G Hua2cen,　L I Xin(Institute of Fluid Physics,China Academy of Engineering Physics,P.O.Box9192106,Mianyang621900,China) Abstract:　A double2pulse line induced accelerator(L IA)module is reconstructed based on a usual single2pulse L IA module.By changing the length of one of the cables between the inductive cell and the Blumleinpulse forming line,two induction pulses are generat2 ed by the ferrite cores inductive cell.The interval time of the pulses is adjustable by changing the lengths of the cable,also the input voltage is changed in different experiments.The results show that it ispossible for the existing L IA power system to generate multi2puls2 es;the ferrite cores of L IA can induct multi2pulses when their voltage2second range is enough;and the resetting effect of the cores is tied up with the resetting time and resetting voltage. K eyw ords:　Line induced accelerator(L IA);　Double2pulse;　Ferrite。