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4 MV/80 kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

魏浩 尹佳辉 张鹏飞 孙凤举 邱爱慈 梁天学 曾江涛 姜晓峰 王志国 孙江 刘文元 呼义翔

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4 MV/80 kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

    作者简介: 魏 浩(1986—),男,博士,副研究员,从事脉冲功率技术研究;weihao@nint.ac.cn.
  • 基金项目: 国家自然科学基金项目(11975186,11875224,51790524)
  • 中图分类号: TM836

Status of radiographic X-ray source driven by 4 MV, 80 kA induction voltage adder

  • CLC number: TM836

  • 摘要: 介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置(“剑光二号”)系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术,主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线(特征阻抗6 Ω、电气长度30 ns)充电,充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩,为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联,每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输,特征阻抗由30 Ω线性增大至120 Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标:输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%~90%) 21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,整机延时(从Marx触发器输出到X射线产生)约749 ns,标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),正向焦斑约1.4 mm。
  • 图 1  4 MV脉冲X射线闪光照相装置“剑光二号”

    Fig. 1  4 MV IVA facility developed for flash X-ray radiography

    图 2  水介质传输线示意图

    Fig. 2  Cutoff view of a deionized-water coaxial line

    图 3  “剑光二号”感应腔

    Fig. 3  Illustration of cavity used in Jianguang-II

    图 4  末级感应腔电势分布

    Fig. 4  Potential distribution in the last cavity

    图 5  “剑光二号”真空传输线示意图

    Fig. 5  Sketch of the vacuum transmission line for the Jianguang-II facility

    图 6  实测前级脉冲源输出波形

    Fig. 6  Measured outputs of the prime power source

    图 7  装置输出电压和二极管电流

    Fig. 7  Measured IVA output voltage and diode current

    图 8  基于电感修正方法获得二极管电压

    Fig. 8  Diode voltage based on the inductive correction

    图 9  二极管动态阻抗和X射线波形

    Fig. 9  Calculated dynamic impedance of RPD and measured X-ray waveforms

    图 10  针孔成像法测量X射线焦斑

    Fig. 10  Original image of the X-ray spot obtained by pinhole imaging technique

    表 1  装置连续10发次实验主要输出指标

    Table 1  Key output parameters of the Jianguang-II facility over a ten shot sequence

    shotoutput voltage/MVrisetime/nsdiode current/kAX-ray FWHM time/nsdose@1 m/rad(LiF)delay time/ns
    2019-0174.32285.35814.8748
    2019-0184.62484.15415.7749
    2019-0194.52085.65616.0748
    2019-0204.52080.55414.5745
    2019-0214.42486.25616.1740
    2019-0223.92084.95814.2741
    2019-0234.52184.25315.6748
    2019-0244.21987.05215.4756
    2019-0254.31788.05216.9756
    2019-0264.22182.55215.4762
    average4.3±0.221±2.184.8±2.255±2.415.5±0.8749±7
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    表 2  剑光一号和剑光二号装置输出指标的比较

    Table 2  Comparation of output parameters between the Jianguang-I and Jianguang-II facilities

    output voltage/MV diode current/kA X-ray FWHM time/ns radiated dose @1 m/rad(LiF) spot diameter/mm
    Jianguang-I facility 2.4 51 46 3.7 1
    Jianguang-II facility 4.3 85 55 15.5 1.4
    下载: 导出CSV
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出版历程
  • 收稿日期:  2019-09-03
  • 录用日期:  2019-10-30
  • 网络出版日期:  2019-11-28

4 MV/80 kA IVA型脉冲X射线照相装置研制进展

    作者简介: 魏 浩(1986—),男,博士,副研究员,从事脉冲功率技术研究;weihao@nint.ac.cn
  • 西北核技术研究院 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,西安 710024

摘要: 介绍了西北核技术研究院研制的4 MV脉冲X射线闪光照相装置(“剑光二号”)系统组成和实验结果。装置基于感应电压叠加器(IVA)驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术,主要由前级脉冲功率源、感应电压叠加器和RPD等组成。前级脉冲功率源由两台3.2 MV低电感Marx发生器和四路同轴水介质线组成。每台Marx同时给两路脉冲形成线(特征阻抗6 Ω、电气长度30 ns)充电,充电峰值时间约370 ns。每路水介质线采用两级脉冲压缩,为感应腔馈入约1 MV/160 kA/60 ns电脉冲。电触发SF6气体开关、自击穿水开关分别用作主同步开关和脉冲陡化开关。感应电压叠加器采用四级1.5 MV感应腔串联,每级感应腔采用单点馈入结构。次级采用真空绝缘传输线实现电压叠加和功率传输,特征阻抗由30 Ω线性增大至120 Ω。采用4 MV电压下综合性能较优的RPD来产生强脉冲X射线。装置目前达到技术指标:输出电压4.3 MV、脉冲前沿(10%~90%) 21 ns、半高宽约70 ns、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,整机延时(从Marx触发器输出到X射线产生)约749 ns,标准偏差约7 ns。当RPD阳极采用直径2 mm钨针时,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),正向焦斑约1.4 mm。

English Abstract

  • 高能脉冲X射线闪光照相可以透视高速运动物质的结构、状态及演化过程,是爆轰流体力学实验等快速瞬变过程的重要诊断工具,广泛用于研究冲击加载下物质内部结构的瞬态现象[1-2]。目前已建成的高能脉冲X射线照相装置主要采用直线感应加速器(LIA)和感应电压叠加器(IVA)两种技术路线[3-5]。IVA型脉冲X射线装置结构紧凑,适合空间受到限制的场合。进入新世纪以来,中、美、英等国均大力发展IVA型高能X射线照相装置[6-12]。西北核技术研究所于2007年成功研制出国内首台IVA型闪光照相装置“剑光一号”[13],输出指标与美国Cygnus装置相当。为了满足更高性能爆轰流体动力学实验研究的需要,团队研制了指标更高的4 MV闪光照相装置“剑光二号”[14],本文介绍了该装置组成、实验结果和运行情况。

    • 装置主要由前级脉冲功率源、感应腔、真空传输线和阳极杆箍缩二极管(RPD)等组成,如图1所示,装置主体尺寸约6 m×9 m×2.5 m。

      图  1  4 MV脉冲X射线闪光照相装置“剑光二号”

      Figure 1.  4 MV IVA facility developed for flash X-ray radiography

    • 前级脉冲功率源主要由两台Marx发生器和四路水介质线组成。单台Marx发生器标称输出电压3.2 MV,储能80 kJ,等效电容为15.6 nF,每台Marx同时给两路形成线充电,充电峰值时间约370 ns。每路水线如图2所示,由脉冲形成线(PFL)、脉冲传输线(PTL)、输出线(OL)组成,其特征阻抗均为6 Ω,PFL和PTL电长度约30 ns。为了便于与感应腔连接,OL采用了活套法兰结构,其电长度可在18~25 ns范围内变化。每路水线采用两级脉冲压缩,电触发SF6气体开关作为同步放电主开关,自击穿水开关用于陡化脉冲前沿和抑制预脉冲[15]

      图  2  水介质传输线示意图

      Figure 2.  Cutoff view of a deionized-water coaxial line

      前级脉冲功率源的难点是四路脉冲的精确时间同步。为了提高同步精度,采取了两方面措施:(1)减小两台Marx建立时间的分散性,提高四路PFL充电电压一致性。这主要通过增加Marx触发级数、提高触发电压幅值等方法实现。连续200余发次实验表明,两台Marx建立时间偏差小于20 ns的置信概率约95%[14]。(2)~2.6 MV电触发SF6气体开关性能提升。通过优化前级Trigatron开关结构、调整V/n开关各间隙分压比例,选取合适的触发时刻,四路馈入脉冲偏离理想IVA时序的总体方差通常小于6 ns[14]

      需要指出的是,前级脉冲源四路水线的串联叠加阻抗为6 Ω×4=24 Ω,而4 MV电压下RPD阻抗约40~60 Ω[9],因此,相对于前级脉冲源而言,负载近似为2倍过匹配。这种阻抗配置降低了装置的能量和功率传输效率,但有利于降低前级脉冲源(Marx,PFL,MV级主开关等)的工作电压,从而提高装置可靠性。

    • “剑光二号”感应腔正常工作电压约1.5 MV,较“剑光一号”提高了约50%,同时感应腔结构更加紧凑,因此难点是高电压下绝缘可靠性,特别是真空绝缘堆和非晶磁芯的绝缘安全。“剑光二号”感应腔如图3所示,与“剑光一号”相比,感应腔主要作了以下优化:(1)绝缘堆采用自行研制的交联聚苯乙烯代替有机玻璃,以提高抗电子和负载碎片的轰击性能。根据1/4.5缩比绝缘堆耐压考核结果,考虑面积效应后,估算绝缘堆耐受电压约1.9 MV。(2)感应腔内非晶磁芯数目由8只减小至6只,感应腔轴向长度进一步缩短。6只磁芯提供伏秒数约114 mV·s,满足使用要求(>90 mV·s)。(3)角向传输线采用四点均布结构[16]。该结构显著降低了感应腔特征阻抗(由“剑光一号”感应腔32.6 Ω降低至12.5 Ω),同时兼顾了双端口脉冲馈入(为今后提高输出电流预留),也便于机械加工。(4)优化了阴极体弧形段结构,缩小了真空馈入间隙距离,进一步减小了感应腔电感。上述优化措施(3)和(4)有助于感应腔输出更快脉冲前沿,从而提高二极管工作稳定性。末级感应腔电势分布如图4所示,其中阴极体电压设定为-1.5 MV、次级内筒电压设定为+4 MV,可以看到,最外侧两个磁芯(靠近接地盖板)端部场强较大。

      图  3  “剑光二号”感应腔

      Figure 3.  Illustration of cavity used in Jianguang-II

      图  4  末级感应腔电势分布

      Figure 4.  Potential distribution in the last cavity

    • “剑光二号”次级采用真空绝缘传输线(Vacuum Insulated Transmission Line, VITL)实现电压叠加和功率传输。为了避免强电场作用下金属阴极表面电子发射,VITL阴-阳间距(决定了特征阻抗)通常较大。为了确保VITL在大于4 MV电压下可靠工作,1~4级感应腔对应次级VITL阻抗分别约为30,60,90和120 Ω,如图5所示。VITL外筒(阴极)选用6061铝,表面经硬质氧化工艺处理提高电子发射阈值。VITL中心内筒(阳极杆)选用不锈钢,其总长度约5 m,为了便于运输和加工,分为前后两段。中心内筒采用悬臂梁结构,仅在接地端进行固定支撑。

      图  5  “剑光二号”真空传输线示意图

      Figure 5.  Sketch of the vacuum transmission line for the Jianguang-II facility

      VITL难点在于长距离中心内筒的变形和精确对中调节。采用静应力分析方法,中心内筒在自身重力作用下的形变如图5(b)所示,末端偏离轴线约5 mm。采用首端设计的二维调节机构,能够实现内筒末端在±20 mm偏差范围内调节,以确保RPD钨针位于阴极盘中心。

    • Marx充电±60 kV时,前级脉冲源主要参数如图6所示。图6(a)给出了单路水线脉冲压缩过程的典型波形(shot 2019-026)。PFL充电电压约2.15 MV,充电时间约330 ns;PTL电压(即主开关后电压)峰值约956 kV,脉冲前沿约25 ns(此处指前行电压波前沿,不包括反射波引起的尖峰);OL电压(即峰化开关后电压)幅值约1.5 MV,脉冲前沿约32 ns(包括前行波和反射波)。需要指出的是,由于OL电压测点靠近感应腔馈入端口(电长度约18 ns),~1 MV/15 ns的前行电压波在感应腔入口发射折反射,电压幅值增高至约1.5 MV。图6(b)给出了同一发次实验A、B、C、D四路水线OL电压,四路馈入脉冲的时间极差tspread为14.6 ns(理想IVA时序四路馈入时刻为-5.6,-2.1,+2.1、+5.6 ns),本发次实验偏离理想IVA时序的偏差为3.4 ns,小于相邻感应腔之间的电长度(τ ≈4 ns)。

      图  6  实测前级脉冲源输出波形

      Figure 6.  Measured outputs of the prime power source

    • 装置典型输出电压和二极管电流如图7所示。装置输出电压采用自积分式电容分压器在末级感应腔出口测量。装置输出电压峰值为4.3 MV,脉冲前沿约21 ns,半高宽约74 ns;二极管电流峰值约82.5 kA。由于中心内筒电感引起电压降落,导致二极管间隙电压与IVA输出电压存在差别。基于电感项修正得到二极管阴阳间隙电压如图8所示,二极管电压幅值与IVA输出电压基本相同,但脉冲前沿延缓至30 ns。

      图  7  装置输出电压和二极管电流

      Figure 7.  Measured IVA output voltage and diode current

      图  8  基于电感修正方法获得二极管电压

      Figure 8.  Diode voltage based on the inductive correction

    • Shot 2019-026发次实验二极管结构参数如下:阳极钨针半径ra=1.0 mm,钨针末端5 mm磨成锥状,锥角约30º,阴极石墨盘中心孔半径rc=10 mm。根据RPD阻抗解析公式,估算其阻抗约51 Ω。基于实测二极管电流和电感修正后得到的二极管电压,计算得到二极管动态阻抗如图9所示,RPD稳态阻抗约55 Ω。图8同时给出了X射线波形,采用康普顿探测器在偏离轴向90°位置监测,X射线半高宽约52 ns,正前方1 m处X射线辐射剂量为15.4 rad(LiF)。

      图  9  二极管动态阻抗和X射线波形

      Figure 9.  Calculated dynamic impedance of RPD and measured X-ray waveforms

    • 采用针孔成像法进行X射线焦斑诊断分析[17]。采用2.0 mm直径钨针时,测量X射线焦斑原始图像如图10(a)所示,经图像处理得到焦斑图像的点传递函数(PSF)曲线如图10(b)所示。对PSF曲线进行高斯拟合,取其半高宽dFWHM为X射线焦斑尺寸,约1.4 mm。

      图  10  针孔成像法测量X射线焦斑

      Figure 10.  Original image of the X-ray spot obtained by pinhole imaging technique

    • 目前“剑光二号”已累计运行120发次,初步开展了典型客体闪光照相实验和核探测器系统标定实验。当Marx充电±60 kV时,连续10发次实验装置主要输出指标见表1。装置输出电压4.3 MV、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,正前方1 m处剂量约15.5 rad(LiF),装置整机延时(从Marx触发器输出到X射线)的延时时间约749 ns,标准偏差为7 ns。表2给出了“剑光二号”和“剑光一号”两台脉冲X射线照相装置输出参数的对比。

      表 1  装置连续10发次实验主要输出指标

      Table 1.  Key output parameters of the Jianguang-II facility over a ten shot sequence

      shotoutput voltage/MVrisetime/nsdiode current/kAX-ray FWHM time/nsdose@1 m/rad(LiF)delay time/ns
      2019-0174.32285.35814.8748
      2019-0184.62484.15415.7749
      2019-0194.52085.65616.0748
      2019-0204.52080.55414.5745
      2019-0214.42486.25616.1740
      2019-0223.92084.95814.2741
      2019-0234.52184.25315.6748
      2019-0244.21987.05215.4756
      2019-0254.31788.05216.9756
      2019-0264.22182.55215.4762
      average4.3±0.221±2.184.8±2.255±2.415.5±0.8749±7

      表 2  剑光一号和剑光二号装置输出指标的比较

      Table 2.  Comparation of output parameters between the Jianguang-I and Jianguang-II facilities

      output voltage/MV diode current/kA X-ray FWHM time/ns radiated dose @1 m/rad(LiF) spot diameter/mm
      Jianguang-I facility 2.4 51 46 3.7 1
      Jianguang-II facility 4.3 85 55 15.5 1.4
    • 研制了一台IVA型脉冲X射线闪光照相装置(“剑光二号”),前级脉冲功率源Marx充电±60 kV时,装置输出电压4.3 MV、二极管电流85 kA,X射线半高宽约55 ns,正前方1 m处剂量约15.5 rad,正向焦斑约1.4 mm。装置整机触发延时(Marx触发器输出到X射线)约749 ns,标准偏差约7 ns。

      致 谢 衷心感谢强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室丛培天研究员、杨海亮研究员、孙剑锋副研究员、任书庆高级实验师,西安交通大学丁卫东教授等同志对本文工作的大力支持。

参考文献 (17)

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