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RSS2016年 28卷 第01期
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2016, 28: 010201.
doi: 10.11884/HPLPB201628.010201
摘要:
神龙二号加速器是一台以MHz猝发率猝发工作的三脉冲直线感应电子加速器。该加速器输出的三脉冲电子束，相邻两脉冲间最小时间间隔300 ns，而且可调，每个脉冲电子束的电子能量18~20 MeV、束流强度大于等于2 kA。当电子束与轫致辐射转换靶相互作用时，可产生三个强X光脉冲，X光斑点尺寸小于等于2 mm(FWHM)，距靶1 m处照射量大于等于7.7410-2 C/kg (300 R)。该加速器涉及的主要关键技术包括三脉冲功率源设计、三脉冲强流高品质电子束源的产生、加速场建造、束流传输线设计、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等。
神龙二号加速器是一台以MHz猝发率猝发工作的三脉冲直线感应电子加速器。该加速器输出的三脉冲电子束，相邻两脉冲间最小时间间隔300 ns，而且可调，每个脉冲电子束的电子能量18~20 MeV、束流强度大于等于2 kA。当电子束与轫致辐射转换靶相互作用时，可产生三个强X光脉冲，X光斑点尺寸小于等于2 mm(FWHM)，距靶1 m处照射量大于等于7.7410-2 C/kg (300 R)。该加速器涉及的主要关键技术包括三脉冲功率源设计、三脉冲强流高品质电子束源的产生、加速场建造、束流传输线设计、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等。
2016, 28: 014001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.014001
摘要:
介绍了一种高能闪光照相系统的光源位置重复性测量方法。相同客体不同次实验图像的位置可以反映闪光照相系统的光源位置重复性。首先从球形客体实验图像中检测出客体的钨飞层外界面,然后利用界面数据拟合得到对应的圆心位置。多次照相图像圆心位置的重复性反映了光源位置的重复性。实验测量了闪光照相系统的光源位置重复性,实验结果表明,某闪光照相系统光源位置的重复性好于0.1 mm。
介绍了一种高能闪光照相系统的光源位置重复性测量方法。相同客体不同次实验图像的位置可以反映闪光照相系统的光源位置重复性。首先从球形客体实验图像中检测出客体的钨飞层外界面,然后利用界面数据拟合得到对应的圆心位置。多次照相图像圆心位置的重复性反映了光源位置的重复性。实验测量了闪光照相系统的光源位置重复性,实验结果表明,某闪光照相系统光源位置的重复性好于0.1 mm。
2016, 28: 014002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.014002
摘要:
高能电子照相是一种新兴的无损探测技术,可以在不拆解客体的情况下对客体材料及其内部结构进行定量测量。与高能质子照相相比,其分辨能力更高,可达到亚m量级,有望成为介观现象诊断的有力工具。为研究相互作用和成像束线对成像模糊度的影响,采用Geant4模拟软件,建立12 GeV电子束从客体到像平面全过程照相模型,主要分析了成像束线引起的色差模糊、客体纵向长度引起的模糊以及次级粒子造成的模糊。研究结果表明,高能电子照相成像模糊为亚m量级,其中成像束线引起的色差模糊为主要贡献项,次级粒子和客体纵向长度引起的模糊可以忽略。
高能电子照相是一种新兴的无损探测技术,可以在不拆解客体的情况下对客体材料及其内部结构进行定量测量。与高能质子照相相比,其分辨能力更高,可达到亚m量级,有望成为介观现象诊断的有力工具。为研究相互作用和成像束线对成像模糊度的影响,采用Geant4模拟软件,建立12 GeV电子束从客体到像平面全过程照相模型,主要分析了成像束线引起的色差模糊、客体纵向长度引起的模糊以及次级粒子造成的模糊。研究结果表明,高能电子照相成像模糊为亚m量级,其中成像束线引起的色差模糊为主要贡献项,次级粒子和客体纵向长度引起的模糊可以忽略。
2016, 28: 014003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.014003
摘要:
介绍了450 kV数字化X光照相诊断系统的研制,该系统由450 kV脉冲X光机和抗辐照X光CCD相机组成。450 kV脉冲X光机输出的X射线脉冲半高宽为40 ns,1 m处剂量为5.210-6 C/kg,焦斑2~5 mm,2.5 m处可穿透20 mm的Fe。抗辐照X光CCD相机接收X光能谱范围为10~450 keV,有效成像面积最高可达100 mm100 mm,空间分辨率最高可达3 lp/mm,具有很强的抗电磁干扰能力。进行爆轰实验时在总防护为40 mm铝板的情况下,450 kV数字化X光照相诊断系统的照相视场可视范围超过70 mm,空间分辨率优于1.2 lp/mm。
介绍了450 kV数字化X光照相诊断系统的研制,该系统由450 kV脉冲X光机和抗辐照X光CCD相机组成。450 kV脉冲X光机输出的X射线脉冲半高宽为40 ns,1 m处剂量为5.210-6 C/kg,焦斑2~5 mm,2.5 m处可穿透20 mm的Fe。抗辐照X光CCD相机接收X光能谱范围为10~450 keV,有效成像面积最高可达100 mm100 mm,空间分辨率最高可达3 lp/mm,具有很强的抗电磁干扰能力。进行爆轰实验时在总防护为40 mm铝板的情况下,450 kV数字化X光照相诊断系统的照相视场可视范围超过70 mm,空间分辨率优于1.2 lp/mm。
2016, 28: 014004.
doi: 10.11884/HPLPB201628.014004
摘要:
基于衰减透射原理的高能X射线能谱测量,采用蒙特卡罗成像模拟的方法研究衰减材料选择对能谱准确稳定重建的影响。设计多孔准直模型模拟X射线穿过不同衰减材料的透射过程,并在单次成像中获得完整的衰减透射率曲线。由衰减透射率求解能谱是一种病态条件问题,采用改进的迭代扰动法进行解谱,计算时考虑透射率计算值与真实值的差异最小化要求以及高能能谱分布曲线的平滑性特点。通过计算分析了材料在能谱范围内的衰减特性变化趋势与能谱准确稳定重建的内在联系。结果表明,选用材料的质量衰减系数需满足在整个能谱分布范围内单调递减的要求。
基于衰减透射原理的高能X射线能谱测量,采用蒙特卡罗成像模拟的方法研究衰减材料选择对能谱准确稳定重建的影响。设计多孔准直模型模拟X射线穿过不同衰减材料的透射过程,并在单次成像中获得完整的衰减透射率曲线。由衰减透射率求解能谱是一种病态条件问题,采用改进的迭代扰动法进行解谱,计算时考虑透射率计算值与真实值的差异最小化要求以及高能能谱分布曲线的平滑性特点。通过计算分析了材料在能谱范围内的衰减特性变化趋势与能谱准确稳定重建的内在联系。结果表明,选用材料的质量衰减系数需满足在整个能谱分布范围内单调递减的要求。
2016, 28: 014005.
doi: 10.11884/HPLPB201628.014005
摘要:
采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象；实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 ,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。
采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象；实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 ,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。
2016, 28: 014006.
doi: 10.11884/HPLPB201628.014006
摘要:
确定了利用全吸收法测量硬X射线能注量的技术方案,阐述了能注量测量的基本原理。结合实际测量环境,选择光电管和高密度硅酸镥闪烁体作为测量系统,分析了各个测量组件参数的影响因素。利用蒙特卡罗程序模拟了硬X射线在闪烁体中能量沉积的轴向分布,并计算了光子的透射率,据此确定了硅酸镥闪烁体的厚度为20 mm。完成了准直系统和电磁屏蔽系统的设计,增加了信噪比。
确定了利用全吸收法测量硬X射线能注量的技术方案,阐述了能注量测量的基本原理。结合实际测量环境,选择光电管和高密度硅酸镥闪烁体作为测量系统,分析了各个测量组件参数的影响因素。利用蒙特卡罗程序模拟了硬X射线在闪烁体中能量沉积的轴向分布,并计算了光子的透射率,据此确定了硅酸镥闪烁体的厚度为20 mm。完成了准直系统和电磁屏蔽系统的设计,增加了信噪比。
2016, 28: 019901.
doi: 10.11884/HPLPB201628.019901
摘要:
2015年9月15日，由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW的输出测试实验，标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标，成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。神光-Ⅲ主机装置可输出48束阵列化的大口径高功率脉冲激光（分为6个束组，每个束组为一个42的光束阵列），主要由前端、预放、主放、测量与光束控制、靶场、计算机集中控制等六大系统组成。神光-Ⅲ主机装置的研制，凝集了我国在光学、激光、脉冲功率、精密机械、快电子学、自动控制、化学清洗、超精密加工等多个学科领域的顶尖技术成就，堪称中国光学工程界的奇迹。神光-Ⅲ主机装置采用腔内四程放大+变口径90翻转U型反转器+助推三程放大的总体构型，在未使用大口径隔离组件的条件下，采用焦斑控制、精密准直、锥管镜面空间滤波及杂散光管理等技术措施，实现了基频光十万倍增益、10 kJ量级输出状态下的自激振荡抑制与反激光规避，在系统具备50%以上透过率的前提下确保了装置的运行安全，大大提高了装置的性价比。神光-Ⅲ主机装置的建设过程中攻克了高精度种子光源、高品质激光束的预放大、精密同步、辐射定标损伤检测、全光路精密波前校正、甚多束光路自动准直、自动化靶瞄准定位、计算机集中控制、高效谐波转换、一搁准精密安装、超精密光学加工、缺陷控制损伤阈值提升等多项光学工程技术难关，确保了装置具备优秀的技术指标性能。神光-Ⅲ主机装置打破了激光系统串行调试的规律，基于基准体系技术，通过不同束组间的错级并行，实现总体集成工作的满负荷运转，确保了装置建设的总体进度和集成效率。装置从第一个光机模块进场到基本完成集成调试，用时仅四年半，创造了又一个中国速度。在工程建设过程中以自主研发的传输放大动力学设计软件、激光泵浦动力学软件、杂散光树叉追迹软件等为基础，融合了部分光学设计商用软件，构建了覆盖光学、结构、电气、控制等多个学科的高功率激光装置数字化设计平台，基本实现了装置设计的全面数字化。工程建设过程中形成的质量、安全、进度控制体系保证了工程顺利进行。神光-Ⅲ主机装置的全面建成，标志着我国在大型激光驱动器方面的总体设计、总体集成、精密装校、加工制造、光学检测、关键技术等核心能力实现了体系化发展与成熟，面向更大规模的激光驱动器研制的光学工程体系已基本形成。
2015年9月15日，由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180 kJ/3 ns、峰值功率60 TW的输出测试实验，标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标，成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。神光-Ⅲ主机装置可输出48束阵列化的大口径高功率脉冲激光（分为6个束组，每个束组为一个42的光束阵列），主要由前端、预放、主放、测量与光束控制、靶场、计算机集中控制等六大系统组成。神光-Ⅲ主机装置的研制，凝集了我国在光学、激光、脉冲功率、精密机械、快电子学、自动控制、化学清洗、超精密加工等多个学科领域的顶尖技术成就，堪称中国光学工程界的奇迹。神光-Ⅲ主机装置采用腔内四程放大+变口径90翻转U型反转器+助推三程放大的总体构型，在未使用大口径隔离组件的条件下，采用焦斑控制、精密准直、锥管镜面空间滤波及杂散光管理等技术措施，实现了基频光十万倍增益、10 kJ量级输出状态下的自激振荡抑制与反激光规避，在系统具备50%以上透过率的前提下确保了装置的运行安全，大大提高了装置的性价比。神光-Ⅲ主机装置的建设过程中攻克了高精度种子光源、高品质激光束的预放大、精密同步、辐射定标损伤检测、全光路精密波前校正、甚多束光路自动准直、自动化靶瞄准定位、计算机集中控制、高效谐波转换、一搁准精密安装、超精密光学加工、缺陷控制损伤阈值提升等多项光学工程技术难关，确保了装置具备优秀的技术指标性能。神光-Ⅲ主机装置打破了激光系统串行调试的规律，基于基准体系技术，通过不同束组间的错级并行，实现总体集成工作的满负荷运转，确保了装置建设的总体进度和集成效率。装置从第一个光机模块进场到基本完成集成调试，用时仅四年半，创造了又一个中国速度。在工程建设过程中以自主研发的传输放大动力学设计软件、激光泵浦动力学软件、杂散光树叉追迹软件等为基础，融合了部分光学设计商用软件，构建了覆盖光学、结构、电气、控制等多个学科的高功率激光装置数字化设计平台，基本实现了装置设计的全面数字化。工程建设过程中形成的质量、安全、进度控制体系保证了工程顺利进行。神光-Ⅲ主机装置的全面建成，标志着我国在大型激光驱动器方面的总体设计、总体集成、精密装校、加工制造、光学检测、关键技术等核心能力实现了体系化发展与成熟，面向更大规模的激光驱动器研制的光学工程体系已基本形成。
2016, 28: 015001.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015001
摘要:
雪崩三极管是一种比较理想的、同时具有快速响应和高峰值功率的器件，可以很方便地产生具有ns或亚ns上升前沿的高功率脉冲。研制了三种不同电路构型的雪崩三极管脉冲源，对比了不同级数情况下的电路输出性能，并考察了不同电缆长度对脉冲输出的影响，其中电缆储能电路的电压脉冲可以分为0.4 ns快上升以及缓慢上升的阶段，而电容储能电路的电压脉冲只有0.4 ns的快上升阶段，表明电缆中存在的波过程对雪崩导通过程的建立有较大影响，进而影响电路输出性能。
雪崩三极管是一种比较理想的、同时具有快速响应和高峰值功率的器件，可以很方便地产生具有ns或亚ns上升前沿的高功率脉冲。研制了三种不同电路构型的雪崩三极管脉冲源，对比了不同级数情况下的电路输出性能，并考察了不同电缆长度对脉冲输出的影响，其中电缆储能电路的电压脉冲可以分为0.4 ns快上升以及缓慢上升的阶段，而电容储能电路的电压脉冲只有0.4 ns的快上升阶段，表明电缆中存在的波过程对雪崩导通过程的建立有较大影响，进而影响电路输出性能。
2016, 28: 015002.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015002
摘要:
研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器，具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构，放置于铝制紧固件中；初次级绕组采用双绕组并联结构，两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出，改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路，其中谐振电容为同轴结构电容，谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明，该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV，充电时间约为650 ns，同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。
研制了一台基于双锥形绕组铁芯变压器的三谐振脉冲变压器，具有结构紧凑、小巧轻便等优点。铁芯变压器磁芯由0.08 mm的硅钢薄带绕成半月形闭合结构，放置于铝制紧固件中；初次级绕组采用双绕组并联结构，两个锥形高压绕组对称绕制在刻槽的有机玻璃骨架上并将高压从圆筒中轴线引出，改善了绕组电场分布的不均匀性并实现了高压的同轴输出。铁芯变压器、LC调谐回路和27 pF脉冲形成线组成三谐振回路，其中谐振电容为同轴结构电容，谐振电感由直径0.08 mm的漆包线不均匀绕制于刻槽的有机玻璃绝缘体上。实验结果表明，该三谐振脉冲变压器最大工作电压大于800 kV，充电时间约为650 ns，同时也验证了将双谐振铁芯脉冲变压器改造成三谐振脉冲变压器具有可行性。
2016, 28: 015003.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015003
摘要:
研制了一台200 kV/200 kA脉冲源，脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关，使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究，并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。
研制了一台200 kV/200 kA脉冲源，脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 到1 的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关，使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 二极管发射特性研究，并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。
2016, 28: 015004.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015004
摘要:
为满足HL-2A装置低杂波电流驱动等辅助加热系统的需要,分析设计了基于脉冲调制技术的大功率高压电源,为速调管提供阴极高压。高压电源采用了模块化串联的系统结构,通过控制算法的调节,电源输出连续可调,使低压低频直流脉冲电源转化为高压高频直流脉冲电源,还具有高功率、高稳定、高冗余的特点。重点对模块的器件参数、选型、工艺等进行详细设计分析,利用多绕组变压器的漏感作为模块的滤波电感，选用特性更好的金属薄膜电容、绝缘栅双极晶体管等器件,优化模块结构；设计了29个副边绕组的多绕组高压隔离变压器,设计了电源控制系统,得出适合本电源控制的控制算法,易于调整高压的幅值以及高压的上升下降时间。最后给出大量实验结果,验证电源的保护能力,两种主要的电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明,此套电源不仅满足负载提出的快速保护的要求,其电源工作的稳定度等其他参数也满足设计要求。
为满足HL-2A装置低杂波电流驱动等辅助加热系统的需要,分析设计了基于脉冲调制技术的大功率高压电源,为速调管提供阴极高压。高压电源采用了模块化串联的系统结构,通过控制算法的调节,电源输出连续可调,使低压低频直流脉冲电源转化为高压高频直流脉冲电源,还具有高功率、高稳定、高冗余的特点。重点对模块的器件参数、选型、工艺等进行详细设计分析,利用多绕组变压器的漏感作为模块的滤波电感，选用特性更好的金属薄膜电容、绝缘栅双极晶体管等器件,优化模块结构；设计了29个副边绕组的多绕组高压隔离变压器,设计了电源控制系统,得出适合本电源控制的控制算法,易于调整高压的幅值以及高压的上升下降时间。最后给出大量实验结果,验证电源的保护能力,两种主要的电源控制算法的可操作性及实用性。试验证明,此套电源不仅满足负载提出的快速保护的要求,其电源工作的稳定度等其他参数也满足设计要求。
2016, 28: 015005.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015005
摘要:
介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）能源的重复频率800 kA快上升沿的线性变压器驱动源（LTD）模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100 kV/40 nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100 ns的800 kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140 kV、25 ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10 s输出一个80 kV/800 kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2 kA、脉宽30 ??s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3 ns。
介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆（Z-FFR）能源的重复频率800 kA快上升沿的线性变压器驱动源（LTD）模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100 kV/40 nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100 ns的800 kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140 kV、25 ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10 s输出一个80 kV/800 kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2 kA、脉宽30 ??s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3 ns。
2016, 28: 015006.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015006
摘要:
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。
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。
2016, 28: 015007.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015007
摘要:
为了更高效地对电磁轨道发射进行大量的实验研究,分析改进了使用中小口径发射器作为研究对象的模型化研究方法。考虑到材料属性等实验条件的可行性,对电磁轨道发射器进行模型化,分析其电磁场、温度场等物理场以及速度、带载能力等性能指标,提出较为可行的模型化研究方案,并利用Ansoft Maxwell等软件对瞬态情况下的发射器三维模型进行仿真验证。理论推导和仿真结果表明：电磁轨道发射器的模型化研究方法有很多种,在大口径原型发射器中采用电导率相对较低的材料,即可实现与现有的、采用电导率较高材料的中小口径发射器的物理场匹配,且保证速度和单位体积带载能力相同。
为了更高效地对电磁轨道发射进行大量的实验研究,分析改进了使用中小口径发射器作为研究对象的模型化研究方法。考虑到材料属性等实验条件的可行性,对电磁轨道发射器进行模型化,分析其电磁场、温度场等物理场以及速度、带载能力等性能指标,提出较为可行的模型化研究方案,并利用Ansoft Maxwell等软件对瞬态情况下的发射器三维模型进行仿真验证。理论推导和仿真结果表明：电磁轨道发射器的模型化研究方法有很多种,在大口径原型发射器中采用电导率相对较低的材料,即可实现与现有的、采用电导率较高材料的中小口径发射器的物理场匹配,且保证速度和单位体积带载能力相同。
2016, 28: 015008.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015008
摘要:
高压电脉冲压裂技术是基于液电效应,通过水中脉冲放电产生强大的冲击波使岩石产生裂缝,近年来成为了岩石压裂领域的热点研究对象。搭建了两路电流源模块应用于水中放电,采用铜材料的针针电极,电极间距1 mm；研究了在不同放电电压下,单路和两路电流源模块电极间的电压、电流波形。实验结果表明,空载时在同一放电电压下,双路模块产生更大的放电电流,从而在放电时获得更高的瞬时功率；而在水中针针放电时,单路和双路模块水间隙的预击穿时间与放电电压之间具有很大的随机性。单路模块预击穿时间的标准差最小为0.285 ms,最大为1.481 ms；而双路模块最小为0.369 ms,最大为0.703 ms。并且随着放电电压的增加,预击穿时间减小,双路模块的预击穿平均时间从放电电压为1300 V时的2.686 ms降到1800 V时的1.036 ms。
高压电脉冲压裂技术是基于液电效应,通过水中脉冲放电产生强大的冲击波使岩石产生裂缝,近年来成为了岩石压裂领域的热点研究对象。搭建了两路电流源模块应用于水中放电,采用铜材料的针针电极,电极间距1 mm；研究了在不同放电电压下,单路和两路电流源模块电极间的电压、电流波形。实验结果表明,空载时在同一放电电压下,双路模块产生更大的放电电流,从而在放电时获得更高的瞬时功率；而在水中针针放电时,单路和双路模块水间隙的预击穿时间与放电电压之间具有很大的随机性。单路模块预击穿时间的标准差最小为0.285 ms,最大为1.481 ms；而双路模块最小为0.369 ms,最大为0.703 ms。并且随着放电电压的增加,预击穿时间减小,双路模块的预击穿平均时间从放电电压为1300 V时的2.686 ms降到1800 V时的1.036 ms。
2016, 28: 015009.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015009
摘要:
面向大型脉冲功率装置聚龙一号(PTS装置)，以电磁粒子模拟方法(PIC)为依托，围绕真空汇流区双层柱-孔盘旋(DPHC)结构区域，研究电子发射对DPHC结构在电流传输、汇聚过程中的影响。使用全三维大规模并行粒子模拟软件NEPTUNE3D，简化并建立DPHC结构的物理和几何模型，利用全电路数值模拟的方法获得PTS装置真空轴向绝缘堆处开路和短路电压波形曲线作为输入条件，计算得到DPHC结构中磁场强度分布。分别考虑是否存在电子发射过程，获得输出端电流损失随时间变化曲线，经过对比得到峰值时刻由阴极表面电子发射所导致的电流损失率为0.46%~0.48%。
面向大型脉冲功率装置聚龙一号(PTS装置)，以电磁粒子模拟方法(PIC)为依托，围绕真空汇流区双层柱-孔盘旋(DPHC)结构区域，研究电子发射对DPHC结构在电流传输、汇聚过程中的影响。使用全三维大规模并行粒子模拟软件NEPTUNE3D，简化并建立DPHC结构的物理和几何模型，利用全电路数值模拟的方法获得PTS装置真空轴向绝缘堆处开路和短路电压波形曲线作为输入条件，计算得到DPHC结构中磁场强度分布。分别考虑是否存在电子发射过程，获得输出端电流损失随时间变化曲线，经过对比得到峰值时刻由阴极表面电子发射所导致的电流损失率为0.46%~0.48%。
2016, 28: 015010.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015010
摘要:
分析了线圈杂散参数对高频下复磁导率测量的影响，指出绕组电阻、寄生电容及漏感会导致传统复磁导率测量方法在高频下误差增大。在此基础上提出了使用单匝全包结构进行复磁导率宽带测量的方法，该方法适用于400 MHz以下频率的复磁导率测量。介绍了复磁导率的常见模型，并分别使用Levy法及有理函数迭代逼近法（IRFA）进行模型参数提取，分析了两种算法的优缺点及应用范围。应用推荐复磁导率测量方法对三种磁性材料进行了复磁导率的测量和建模，结果表明，使用推荐的复磁导率测量方法及数据提取算法，可以较好地实现对磁性材料的小信号建模。
分析了线圈杂散参数对高频下复磁导率测量的影响，指出绕组电阻、寄生电容及漏感会导致传统复磁导率测量方法在高频下误差增大。在此基础上提出了使用单匝全包结构进行复磁导率宽带测量的方法，该方法适用于400 MHz以下频率的复磁导率测量。介绍了复磁导率的常见模型，并分别使用Levy法及有理函数迭代逼近法（IRFA）进行模型参数提取，分析了两种算法的优缺点及应用范围。应用推荐复磁导率测量方法对三种磁性材料进行了复磁导率的测量和建模，结果表明，使用推荐的复磁导率测量方法及数据提取算法，可以较好地实现对磁性材料的小信号建模。
2016, 28: 015011.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015011
摘要:
研究了高压大电流SF6激光触发开关在使用过程中透镜污染的问题,通过对激光触发开关中被污染透镜透过率的测量、透镜表面附着物的分析和透镜使用寿命的数据积累,总结出氟化氢的腐蚀和开关粉尘附着是造成激光开关透镜透过率降低、以致失效的主要原因。通过三种激光触发开关结构参数分析和开关运行数据的比较,认为采用氟化钙透镜、低吸水性绝缘材料、选择轴向绝缘V/N型辅助间隙多电极开关结构、铜钨合金电极、脱水处理等措施,可以降低氟化氢和粉尘的产额,从而增加开关的工作寿命。
研究了高压大电流SF6激光触发开关在使用过程中透镜污染的问题,通过对激光触发开关中被污染透镜透过率的测量、透镜表面附着物的分析和透镜使用寿命的数据积累,总结出氟化氢的腐蚀和开关粉尘附着是造成激光开关透镜透过率降低、以致失效的主要原因。通过三种激光触发开关结构参数分析和开关运行数据的比较,认为采用氟化钙透镜、低吸水性绝缘材料、选择轴向绝缘V/N型辅助间隙多电极开关结构、铜钨合金电极、脱水处理等措施,可以降低氟化氢和粉尘的产额,从而增加开关的工作寿命。
2016, 28: 015012.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015012
摘要:
真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节，对于重频运行的系统，该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构，该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式；通过采取均压、屏蔽措施，静电场模拟结果显示，陶瓷沿面电场分布均匀，总场强小于100 kV/cm，沿面分量小于70 kV/cm，阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm；在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试，陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm，运行稳定；采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析，置信度取为0.9时，陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后，还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响，实验发现，增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。
真空界面是脉冲功率装置的薄弱环节，对于重频运行的系统，该问题更为突出。介绍了一种应用于重频脉冲驱动源的陶瓷绝缘子真空界面。首先依据真空沿面闪络设计原则给出了一种改进型同轴馈电陶瓷真空界面绝缘结构，该结构采用陶瓷-金属钎焊连接形式；通过采取均压、屏蔽措施，静电场模拟结果显示，陶瓷沿面电场分布均匀，总场强小于100 kV/cm，沿面分量小于70 kV/cm，阴、阳极三结合点场强均小于40 kV/cm；在输出幅值600 kV、脉宽80 ns、重复频率1~5 Hz可调的脉冲功率驱动源上进行了实验测试，陶瓷真空界面平均绝缘场强达到44 kV/cm，运行稳定；采取(0-1)分布对实验结果进行了统计分析，置信度取为0.9时，陶瓷真空界面的可靠度大于97%。最后，还探讨了表面处理工艺对闪络电压的影响，实验发现，增加表面粗糙度可有效提高陶瓷绝缘子的闪络电压。
2016, 28: 015013.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015013
摘要:
研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器，由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离，直径为480 mm，长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法，单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术，输出电压大于50 kV，前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW，脉冲宽度100 ns，前沿10 ns，阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW，频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW，脉冲宽度70 ns，前沿10 ns，阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW，频率10 Hz，单串10个脉冲。初步的应用研究中，利用改进后的平台，在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。
研制了一台紧凑重频脉冲形成网络(PFN)-Marx脉冲发生器，由PFN-Marx发生器、脉冲充电单元、重频触发单元等组成。PFN-Marx发生器模块采用全电感隔离，直径为480 mm，长度为700 mm。脉冲充电单元采用中储电容加脉冲变压器方法，单次充电可以满足10次输出。重频触发单元采用变压器和磁开关一体化设计的全固态Marx发生器技术，输出电压大于50 kV，前沿小于100 ns。脉冲发生器早期输出电参数为单次10 GW，脉冲宽度100 ns，前沿10 ns，阻抗40 。重频工作时输出功率7 GW，频率5 Hz。后期调整后电参数更改为单次10 GW，脉冲宽度70 ns，前沿10 ns，阻抗50 。重复频率工作时稳定输出功率8 GW，频率10 Hz，单串10个脉冲。初步的应用研究中，利用改进后的平台，在5 GW条件下驱动磁控管获得了S波段约1 GW的微波输出。
2016, 28: 015014.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015014
摘要:
为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律,优化调节其运行状态,获得满足负载设计需求的电流波形,建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟,能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下,模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大的过程,驱动器充压65 kV时,大约1 MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下,模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程,模拟的0121发实验负载区电流上升时间（0~100%）为450 ns、峰值约6 MA。
为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律,优化调节其运行状态,获得满足负载设计需求的电流波形,建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟,能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下,模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大的过程,驱动器充压65 kV时,大约1 MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下,模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程,模拟的0121发实验负载区电流上升时间（0~100%）为450 ns、峰值约6 MA。
2016, 28: 015015.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015015
摘要:
准等熵压缩实验技术已用来研究材料在高压下的状态方程。基于聚龙一号装置平台，实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射，进行了一系列实验来加深对负载构型的理解。通过对负载结构的设计，研究了构设电极尺寸与电极间隙对磁应力的大小与分布的影响。基于模拟和实验结果，带状线负载结构可以很好地提高磁压和提升装置的运行水平，其电极表面磁压分布也具有良好的均匀性和平面性。目前为止，已经可以用带状线负载在聚龙一号装置上获得峰值压力高达约100 GPa的准等熵压缩，并获得速度超过10 km/s的超高速飞片。
准等熵压缩实验技术已用来研究材料在高压下的状态方程。基于聚龙一号装置平台，实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射，进行了一系列实验来加深对负载构型的理解。通过对负载结构的设计，研究了构设电极尺寸与电极间隙对磁应力的大小与分布的影响。基于模拟和实验结果，带状线负载结构可以很好地提高磁压和提升装置的运行水平，其电极表面磁压分布也具有良好的均匀性和平面性。目前为止，已经可以用带状线负载在聚龙一号装置上获得峰值压力高达约100 GPa的准等熵压缩，并获得速度超过10 km/s的超高速飞片。
2016, 28: 015016.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015016
摘要:
直流高压电源在科学实验和工业生产中有着广泛的运用,传统高压直流电源是通过工频变压器直接升压,再经整流滤波得到所需要的高压,普遍存在精度低、调整复杂、纹波系数大等诸多缺陷。本系统基于全桥逆变、倍压整流和脉宽控制技术,设计了用于电子束离子阱装置的直流高压电源,采用高频逆变、正负双向倍压整流、电压电流双环控制等方法,实现了直流高压输出。结果表明,所设计的直流高压电源具有稳定性好、纹波小、可靠性高、系统安全等特点,最终输出的电压在0~200 kV连续可调,纹波和稳定性都小于0.01%,满足实验需求。
直流高压电源在科学实验和工业生产中有着广泛的运用,传统高压直流电源是通过工频变压器直接升压,再经整流滤波得到所需要的高压,普遍存在精度低、调整复杂、纹波系数大等诸多缺陷。本系统基于全桥逆变、倍压整流和脉宽控制技术,设计了用于电子束离子阱装置的直流高压电源,采用高频逆变、正负双向倍压整流、电压电流双环控制等方法,实现了直流高压输出。结果表明,所设计的直流高压电源具有稳定性好、纹波小、可靠性高、系统安全等特点,最终输出的电压在0~200 kV连续可调,纹波和稳定性都小于0.01%,满足实验需求。
2016, 28: 015017.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015017
摘要:
针对甘油介质在形成线中的应用，总结了甘油作为储能介质已开展的相关研究工作，并在缩比的同轴电极试件中进行了电极表面、磁场、耐压极性、含气量等条件对甘油介质击穿特性影响的实验研究。搭建了基于晶闸管控制的空心脉冲变压器升压实验平台，设计了浸没于脉冲磁场中的同轴电极击穿试件，实验平台最大输出电压500 kV，上升时间26 s，最大磁场1 T，可通过控制晶闸管的先后触发使击穿过程发生于准稳衡磁场中，并制作了外形一致、表面不同的砂纸打磨、羊毛抛光、金属电镀和非金属电镀四种电极。实验结果表明：甘油的击穿是没有极性的；1 T量级磁场对甘油介质的击穿特性无影响；不同电极表面微观形貌差异较大，使甘油介质具有不同的击穿特性，说明甘油击穿在电极表面的过程具有较大影响；充分的排气能减少甘油中直径较大的气泡，减少概率性的低击穿场强，击穿后产生的大量微小气泡会整体降低甘油的击穿阈值，使甘油的平均击穿场强降低。
针对甘油介质在形成线中的应用，总结了甘油作为储能介质已开展的相关研究工作，并在缩比的同轴电极试件中进行了电极表面、磁场、耐压极性、含气量等条件对甘油介质击穿特性影响的实验研究。搭建了基于晶闸管控制的空心脉冲变压器升压实验平台，设计了浸没于脉冲磁场中的同轴电极击穿试件，实验平台最大输出电压500 kV，上升时间26 s，最大磁场1 T，可通过控制晶闸管的先后触发使击穿过程发生于准稳衡磁场中，并制作了外形一致、表面不同的砂纸打磨、羊毛抛光、金属电镀和非金属电镀四种电极。实验结果表明：甘油的击穿是没有极性的；1 T量级磁场对甘油介质的击穿特性无影响；不同电极表面微观形貌差异较大，使甘油介质具有不同的击穿特性，说明甘油击穿在电极表面的过程具有较大影响；充分的排气能减少甘油中直径较大的气泡，减少概率性的低击穿场强，击穿后产生的大量微小气泡会整体降低甘油的击穿阈值，使甘油的平均击穿场强降低。
2016, 28: 015018.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015018
摘要:
提出了一种基于Tesla变压器且带触发网络的多重火花间隙触发器设计方案。阐述了多重火花间隙在直流和脉冲信号下电压分布特性，并给出了其在脉冲电压作用下电压分布的主要影响因素。仿真分析了触发频率、分压电容和均压电阻对多重火花间隙电压分布的影响，确定了触发网络的最佳参数配置。以10级火花间隙为例，从触发器设计三要素，即脉冲陡度、输出幅值、带载能力出发，确定了Tesla型脉冲触发器的关键设计参数，当脉冲变压器的耦合系数为0.7，初级电感为2500 nH，次级电感为400 mH，初级电容为60F，初级电容充电电压为2.0 kV时，次级直接输出的触发高压可实现10级火花间隙的触发导通。结合多重火花间隙导通实验，对作用于多重火花间隙的触发器的工作过程进行实验验证。
提出了一种基于Tesla变压器且带触发网络的多重火花间隙触发器设计方案。阐述了多重火花间隙在直流和脉冲信号下电压分布特性，并给出了其在脉冲电压作用下电压分布的主要影响因素。仿真分析了触发频率、分压电容和均压电阻对多重火花间隙电压分布的影响，确定了触发网络的最佳参数配置。以10级火花间隙为例，从触发器设计三要素，即脉冲陡度、输出幅值、带载能力出发，确定了Tesla型脉冲触发器的关键设计参数，当脉冲变压器的耦合系数为0.7，初级电感为2500 nH，次级电感为400 mH，初级电容为60F，初级电容充电电压为2.0 kV时，次级直接输出的触发高压可实现10级火花间隙的触发导通。结合多重火花间隙导通实验，对作用于多重火花间隙的触发器的工作过程进行实验验证。
2016, 28: 015019.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015019
摘要:
为提高绝缘子的真空沿面闪络电压，采用氩气下辉光放电对绝缘子进行处理，研究了辉光放电频率、放电电流大小和处理时间对绝缘子真空闪络电压的影响。结果表明，辉光放电能极大提高绝缘子的真空闪络电压。未处理的绝缘子真空闪络电压为55 kV左右；经高频辉光放电预处理40 min后，绝缘子真空闪络电压达到100 kV；经工频辉光放电预处理40 min后，绝缘子真空闪络电压可达125 kV，高出高频下25 kV；同时，辉光放电电流（数十mA）越大，处理后的绝缘子真空闪络电压越高，但随着辉光放电电流的增大，闪络电压的增加幅度趋于饱和。
为提高绝缘子的真空沿面闪络电压，采用氩气下辉光放电对绝缘子进行处理，研究了辉光放电频率、放电电流大小和处理时间对绝缘子真空闪络电压的影响。结果表明，辉光放电能极大提高绝缘子的真空闪络电压。未处理的绝缘子真空闪络电压为55 kV左右；经高频辉光放电预处理40 min后，绝缘子真空闪络电压达到100 kV；经工频辉光放电预处理40 min后，绝缘子真空闪络电压可达125 kV，高出高频下25 kV；同时，辉光放电电流（数十mA）越大，处理后的绝缘子真空闪络电压越高，但随着辉光放电电流的增大，闪络电压的增加幅度趋于饱和。
2016, 28: 015020.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015020
摘要:
针对主电极间距20 mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关（TVS）,研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。
针对主电极间距20 mm以上的沿面击穿型多棒极触发真空开关（TVS）,研制了开关触发源。触发源利用脉冲变压器产生脉冲高压输出,在脉冲变压器高压侧并联小容值电容并在电容后串联陡化间隙。陡化间隙的加入可以使触发源输出不受触发沿面金属蒸气沉积的影响。通过调节间隙击穿电压也可以提高电容充电电压及储存能量,从而增加TVS触发沿面被击穿时注入到其中的触发能量。使用该触发源对TVS进行导通实验,结果表明,加入陡化间隙后的触发源输出能量大幅提高且不受触发沿面金属蒸气沉积的影响,能够实现TVS的100%可靠导通。
2016, 28: 015021.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015021
摘要:
分析了聚龙一号装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响，Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率，主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键，即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通，12台激光器可以独立调整精确的出光时间，用下方的主开关比上方的提前20 ns导通的方式来修正传输线长度上的差异，将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明，Marx发生器同步性抖动为11 ns，主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4 ns和10 ns，聚龙一号装置的同步性抖动为6 ns。在同一负载参数下，磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。
分析了聚龙一号装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响，Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率，主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键，即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通，12台激光器可以独立调整精确的出光时间，用下方的主开关比上方的提前20 ns导通的方式来修正传输线长度上的差异，将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明，Marx发生器同步性抖动为11 ns，主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4 ns和10 ns，聚龙一号装置的同步性抖动为6 ns。在同一负载参数下，磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。
2016, 28: 015022.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015022
摘要:
在工作气压和火花间隙固定的条件下，针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验，开关间隙距离为5 mm，工作气压为0.25 MPa，击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象，对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明，石墨电极质量损失速率略高于金属电极，但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体，因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关，其静态特性差异不大，但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。
在工作气压和火花间隙固定的条件下，针对稍不均匀场的圆饼形电极开关开展了不同电极材料下开关自击穿实验，开关间隙距离为5 mm，工作气压为0.25 MPa，击穿电压平均值为40 kV。分别选取了不锈钢、黄铜、钨铜合金和石墨材料作为实验对象，对比了不同电极材料下电极质量损失、电极表面形貌和开关静态特性的差异。实验结果表明，石墨电极质量损失速率略高于金属电极，但是由于石墨电极烧蚀产物多为气体，因此石墨电极绝缘子污染程度远小于金属电极。石墨电极开关在低欠压比下自击穿概率也远小于金属电极开关。三种金属电极开关，其静态特性差异不大，但钨铜电极烧蚀程度显著低于不锈钢和黄铜电极开关。
2016, 28: 015023.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015023
摘要:
利用上升沿约0.5 s、半高宽约6 s、幅值可达40 kV的微秒脉冲电源和上升沿约150 ns、半高宽约300 ns、幅值可达50 kV的纳秒脉冲电源激励大气压弥散放电，并分别采用刀型和锯齿电极放电。通过电压电流测量和发光图像拍摄，改变施加电压种类、脉冲重复频率、高压电极结构和气隙距离等参数，研究了不同条件下弥散放电特性。实验结果表明：纳秒脉冲电源和微秒脉冲电源均能在大气压空气中激励大面积的弥散放电，弥散放电面积最大达90 cm2；放电的均匀性受脉冲参数与电极形状影响显著，其中刀型电极条件下纳秒脉冲激励的弥散放电均匀性最佳；相同条件下纳秒脉冲弥散放电的瞬时功率大于微秒脉冲弥散放电，最高可达275 kW，而纳秒脉冲弥散放电的能量小于微秒脉冲弥散放电；保持其他条件不变，弥散放电传导电流幅值随着气隙距离的增加而降低，放电强度随着脉冲重复频率的增加而增强，弥散放电的工作电压范围随着脉冲重复频率的增加显著降低。因此在低频、刀型电极结构中易于获得均匀与较大工作电压范围的大气压弥散放电。
利用上升沿约0.5 s、半高宽约6 s、幅值可达40 kV的微秒脉冲电源和上升沿约150 ns、半高宽约300 ns、幅值可达50 kV的纳秒脉冲电源激励大气压弥散放电，并分别采用刀型和锯齿电极放电。通过电压电流测量和发光图像拍摄，改变施加电压种类、脉冲重复频率、高压电极结构和气隙距离等参数，研究了不同条件下弥散放电特性。实验结果表明：纳秒脉冲电源和微秒脉冲电源均能在大气压空气中激励大面积的弥散放电，弥散放电面积最大达90 cm2；放电的均匀性受脉冲参数与电极形状影响显著，其中刀型电极条件下纳秒脉冲激励的弥散放电均匀性最佳；相同条件下纳秒脉冲弥散放电的瞬时功率大于微秒脉冲弥散放电，最高可达275 kW，而纳秒脉冲弥散放电的能量小于微秒脉冲弥散放电；保持其他条件不变，弥散放电传导电流幅值随着气隙距离的增加而降低，放电强度随着脉冲重复频率的增加而增强，弥散放电的工作电压范围随着脉冲重复频率的增加显著降低。因此在低频、刀型电极结构中易于获得均匀与较大工作电压范围的大气压弥散放电。
2016, 28: 015024.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015024
摘要:
设计了一种新型的同轴三电极结构，仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向，减小对开关绝缘结构内壁的污染，可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下（40 kV/20 kA/0.1 Hz）进行了寿命考核实验，目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次，开关工作稳定，自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。
设计了一种新型的同轴三电极结构，仿真计算结果表明开关在充电及触发时电场最大值区域均匀性良好。引入循环吹气系统能够控制放电产物的流向，减小对开关绝缘结构内壁的污染，可在提高气体绝缘恢复能力的同时延长开关绝缘外壳寿命。在重频实验条件下（40 kV/20 kA/0.1 Hz）进行了寿命考核实验，目前单个开关寿命考核实验已大于17.2万发次，开关工作稳定，自击穿电压特性和触发延时抖动特性良好。
2016, 28: 015025.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015025
摘要:
介绍了利用串级二极管产生大面积脉冲硬X射线的基本原理,建立了串级二极管的等效电路模型,分析了二极管串联工作过程,通过模拟计算给出了串级二极管工作过程的影响因素。串级二极管分压过程分为电容分压、阻抗和容抗分压、真空击穿后动态平衡及阻抗分压四个阶段,二极管电容和真空击穿电压是影响二极管串联初始阶段分压的主要因素,二极管的阻抗变化过程和二极管间隙的击穿时间差决定二极管分压的一致性。
介绍了利用串级二极管产生大面积脉冲硬X射线的基本原理,建立了串级二极管的等效电路模型,分析了二极管串联工作过程,通过模拟计算给出了串级二极管工作过程的影响因素。串级二极管分压过程分为电容分压、阻抗和容抗分压、真空击穿后动态平衡及阻抗分压四个阶段,二极管电容和真空击穿电压是影响二极管串联初始阶段分压的主要因素,二极管的阻抗变化过程和二极管间隙的击穿时间差决定二极管分压的一致性。
2016, 28: 015026.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015026
摘要:
针对空腔中B-dot的频响特性开展了分析。当频率低于一定值时,安装在空腔中的B-dot探头的输出信号存在低频分量增益,可以用一个负时间常数的RC高通滤波器描述其频响特性,其本质是低频段为增益的高通滤波器。采用不同等效频率的RLC回路连接安装B-dot的传输线,开展了B-dot探头低频响应的实验研究,结果表明,被测信号等效频率不同时,标定得到的磁通穿透特征时间常数以及互感系数有所不同。因此,为得到正确的修正系数,应当使标定波形的等效频率尽量接近实测波形。
针对空腔中B-dot的频响特性开展了分析。当频率低于一定值时,安装在空腔中的B-dot探头的输出信号存在低频分量增益,可以用一个负时间常数的RC高通滤波器描述其频响特性,其本质是低频段为增益的高通滤波器。采用不同等效频率的RLC回路连接安装B-dot的传输线,开展了B-dot探头低频响应的实验研究,结果表明,被测信号等效频率不同时,标定得到的磁通穿透特征时间常数以及互感系数有所不同。因此,为得到正确的修正系数,应当使标定波形的等效频率尽量接近实测波形。
2016, 28: 015027.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015027
摘要:
利用X射线二极管、光电倍增管和B-dot探针测量了峰值220 kA,0~100%上升时间100 ns的脉冲电流驱动平行双丝产生的电磁辐射。实验结果表明，不同波段的电磁辐射具有不同的辐射机制，热辐射是产生X射线的主要机制，可见光辐射来自热辐射和特征线辐射，微波辐射由非热电磁辐射机制产生。调节丝间距可改变双丝的耦合强度，当丝间距大于临界值时双丝解耦合，电磁辐射不依赖于丝间距；当丝间隙减小至低于临界值时，双丝耦合增强。增大双丝耦合强度不利于热辐射(X射线和可见光)，而有利于非热电磁辐射(微波)。对于单丝电流约100 kA、上升时间100 ns的驱动条件，双丝解耦合的临界间距约为10 mm，双丝耦合强度对Z箍缩在不同频段的电磁辐射有影响。丝阵由多根金属丝组成，其最小的相互作用单元可分解为双丝相互作用。
利用X射线二极管、光电倍增管和B-dot探针测量了峰值220 kA,0~100%上升时间100 ns的脉冲电流驱动平行双丝产生的电磁辐射。实验结果表明，不同波段的电磁辐射具有不同的辐射机制，热辐射是产生X射线的主要机制，可见光辐射来自热辐射和特征线辐射，微波辐射由非热电磁辐射机制产生。调节丝间距可改变双丝的耦合强度，当丝间距大于临界值时双丝解耦合，电磁辐射不依赖于丝间距；当丝间隙减小至低于临界值时，双丝耦合增强。增大双丝耦合强度不利于热辐射(X射线和可见光)，而有利于非热电磁辐射(微波)。对于单丝电流约100 kA、上升时间100 ns的驱动条件，双丝解耦合的临界间距约为10 mm，双丝耦合强度对Z箍缩在不同频段的电磁辐射有影响。丝阵由多根金属丝组成，其最小的相互作用单元可分解为双丝相互作用。
2016, 28: 015101.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015101
摘要:
在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同；由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。
在神龙二号直线感应加速器的调试中,虽然电容探头和电阻分压器测到的空载加速腔电压波形基本一致,但是带束流负载时两者的波形有明显差异,针对此实验现象开展了研究。仔细模拟了束流波形和电压波形相对时间差异引起的波形差异,得到束流提前、同步和滞后条件下的腔压波形,确认相对时间差是导致波形差异的一个重要原因。建立了加速腔的分布参数电路模型,模拟结果表明束流负载效应到达两种探头的时间不同,这会导致腔压波形的不同；由于电容探头距离加速间隙更近,所以电容探头测到的波形更接近束流实际得到的加速波形。后续的调试实验获得了没有加速电压时束流产生的负载效应波形,证明束流负载到达两个探头的时刻确实不同,对加速器出口束流能谱的测量结果也表明束流的能谱分布和电容探头波形的叠加结果基本符合,上述结果表明该研究所用的模拟和分析方法是有效的,可以用于加速器的调试和性能优化。
2016, 28: 015102.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015102
摘要:
提出一种针对轴向B-dot束流偏角探测器信号的频域处理方法,从探测器本身的频域响应出发,并从探测器信号的频谱中提取有效信息,能够一定程度上消除束流横向偏移对偏角测量的干扰。该方法是对时域分析法处理轴向B-dot信号的一种补充,相比于时域法的一阶近似,对信号频谱的处理更接近对复杂真实情况的近似,但并未从根本上解决由安装误差等原因导致束流横向偏移而带来的测量不准确。从标定试验台测试结果来看,该方法的测试精度与时域法相当,约1 mrad。
提出一种针对轴向B-dot束流偏角探测器信号的频域处理方法,从探测器本身的频域响应出发,并从探测器信号的频谱中提取有效信息,能够一定程度上消除束流横向偏移对偏角测量的干扰。该方法是对时域分析法处理轴向B-dot信号的一种补充,相比于时域法的一阶近似,对信号频谱的处理更接近对复杂真实情况的近似,但并未从根本上解决由安装误差等原因导致束流横向偏移而带来的测量不准确。从标定试验台测试结果来看,该方法的测试精度与时域法相当,约1 mrad。
2016, 28: 015103.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015103
摘要:
针对系统电磁脉冲效应研究需求，项目组对闪光二号加速器进行了适应性改造，以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构，重点进行了水开关设计，并完成了实验调试。装置输出电压650 kV~1.3 MV稳定可调，脉冲宽度60 ns，前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns，在国内首次成功驱动串级二极管，产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。
针对系统电磁脉冲效应研究需求，项目组对闪光二号加速器进行了适应性改造，以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构，重点进行了水开关设计，并完成了实验调试。装置输出电压650 kV~1.3 MV稳定可调，脉冲宽度60 ns，前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns，在国内首次成功驱动串级二极管，产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。
2016, 28: 015104.
doi: 10.11884/HPLPB201628.015104
摘要:
针对脉冲源+传输线+感应腔和储能电容+固态开关+感应腔两种常见的脉冲感应组元结构，对相同感应腔的腔压波形进行了实验对比和理论分析，推导出了不同组元结构下感应腔中磁芯回路电感量、匹配电阻阻值和感应脉冲幅度间的关系表达式，分析对比了两种组元结构下感应腔电感量和电阻值变化对腔压平顶影响的程度和差异，为低压重频脉冲感应加速组元的参数选择和优化提出建议和判据。
针对脉冲源+传输线+感应腔和储能电容+固态开关+感应腔两种常见的脉冲感应组元结构，对相同感应腔的腔压波形进行了实验对比和理论分析，推导出了不同组元结构下感应腔中磁芯回路电感量、匹配电阻阻值和感应脉冲幅度间的关系表达式，分析对比了两种组元结构下感应腔电感量和电阻值变化对腔压平顶影响的程度和差异，为低压重频脉冲感应加速组元的参数选择和优化提出建议和判据。
