脉冲X光机在纳秒时间范围内提供了强度较大的X射线^[1-2]，是实现高速运动物体瞬态成像的理想工具，被广泛应用于国防工业爆轰过程诊断、电力行业架空电缆断裂状态检测、材料科学、生物和医学研究等^[3-6]。在材料微喷射研究中^[7-9]，利用X射线的强穿透性可获取爆轰冲击加载下材料表面喷射物变化情况。然而由于喷射物密度沿喷射方向具有明显的梯度特征，需要开展百keV级的低能X射线源研制，以观测高速低密度区域喷射物密度分布状态。因低能X射线源装置工作电压在数百千伏，其二极管工作机制受空间电荷限制，所以要求脉冲驱动源能够输出较快前沿的电压脉冲；同时，为保证实验数据的获取效率，要求其高可靠地输出低抖动的X射线脉冲。基于上述应用需求，本文研制了200 kV脉冲X射线源装置。驱动源采用PFN-Marx技术路线，有效减少了驱动源回路电感，提升了脉冲前沿，产生200 kV脉冲高电压，驱动“Washer-Needle”型二极管产生脉冲X射线^[10-11]。脉冲驱动源采用超前触发技术，并进行了模块化设计，降低了驱动源输出抖动以及建立时间。当采用匹配水电阻负载时，获得了前沿约20 ns，脉冲宽度约62 ns，峰值为约200 kV的电压脉冲。在二极管加载电压约210 kV、前沿约15 ns情况下，获得了1 m处X射线剂量约15 mR，X射线焦斑尺寸1.2 mm。设计的脉冲X射线装置不仅可以应用于微喷射实验研究中，还可以应用于其它工业无损检测领域。

1.   脉冲驱动源设计与实验

1.1   脉冲驱动源物理设计

脉冲驱动源采用PFN-Marx技术路线，并进行模块化设计。图1所示，整机由12个模块组成，每个模块的储能单元选用参数为50 kV/1 nF的陶瓷电容器，组成环形固态脉冲形成网络，单模块等效阻抗约为3 Ω。

图  1  驱动源示意图

Figure  1.  Schematic of the pulsed power source

下载: 全尺寸图片 幻灯片

如图2（a）所示，考虑脉冲X射线源二极管工作电压约为200 kV，设计建立12个模块的电路仿真模型。当模块充电电压为±35 kV时，在36 Ω匹配电阻性负载上输出电压210 kV，脉冲宽度68 ns，上升前沿约15 ns，如图2（b）所示。

图  2  仿真模型和结果

Figure  2.  The model and result of the simulation

下载: 全尺寸图片 幻灯片

1.2   脉冲驱动源匹配负载实验

脉冲驱动源装置实物，如图3所示。白色部分为绝缘支撑盘，材质为超高分子量聚乙烯。一方面对两个模块之间进行高压隔离，另外一方面为开关支撑结构。两个绝缘支撑盘采用三根绝缘拉杆交叉固定，使得6个绝缘支撑板成为一体。超前触发连接采用5 kΩ陶瓷电阻，且相邻两个绝缘板之间分别在开关左右两端馈入。

图  3  脉冲驱动源装置

Figure  3.  The device for pulsed power

下载: 全尺寸图片 幻灯片

在40 Ω水电阻负载上开展功率源调试实验，图4（a）所示。水电阻为有机玻璃封装氯化钾溶液，经电感测量仪测试阻值为40.5 Ω。输出电压采用电阻分压器测量，位于水电阻高压端，采用小信号标定其灵敏度为26.5 kV/V。电流测试采用20 kA标准线圈，位于水电阻与后盖板连接轴上。典型的水电负载下电压和电流实验波形如图4（b）所示。

图  4  水电负载实验结果

Figure  4.  The experimental results for the water resistance

下载: 全尺寸图片 幻灯片

典型实验数据如表1所示。实验结果表明，当充电电压为±30 kV时，在40 Ω水电阻负载上输出电压在190～225 kV，脉冲前沿19～20 ns，脉冲宽度60～65 ns。

表  1  脉冲驱动源实验

Table  1.  The experiment of the pulsed power source

shot	charge voltage/kV	load voltage/kV	rise time/ns	pulse width/ns
1	±31	205.6	21	65
2	±30	202.9	19	63
3	±30	191.7	21	61
4	±30	191.7	20	61
5	±31	224.3	20	60
6	±30	192.3	20	64
7	±31	203	19	64
8	±30	192.2	20	62

下载: 导出CSV 

| 显示表格

2.   二极管设计与脉冲X射线源实验

2.1   二极管物理设计

二极管采用“Washer-Needle”结构，图5所示。该结构的二极管物理工作机制受空间电荷效应限制，电子运动轨迹沿径向电位运动。在非相对论条件下，圆柱结构二极管空间电荷限制电流近似由Langmuir空间电子流I_SCL决定，关系为

图  5  “Washer-Needle二极管结构”

Figure  5.  Schematic of the “Washer-Needle” structure

下载: 全尺寸图片 幻灯片

式中：L为阴极发射面长度，k为与二极管结构相关的参数，r_a为阳极半径，V为二极管工作电压。事实上，由于电子在阳极杆上能量沉积产生阳极等离子体，阳极离子发射进入阴阳极间隙，增大了二极管工作电流。该增加系数在类似的同轴二极管中约为1.86倍。因此，可以用式（1）近似估算阴阳极电流^[12]，进而确定初步的二极管几何结构尺寸。阳极杆采用r_a=0.8 mm的钨杆。阴极发射体采用不锈钢材质的刀口型阴极，发射面长度L=0.8 mm，内孔r_C=1.5 mm。其1/4圆弧段为聚焦电极，使得大部分电子沉积在削尖的阳极杆段。

2.2   脉冲X射线源实验结果

脉冲X射线源实验装置如图6（a）所示，实验中二极管电压电流分别采用D-dot和B-dot测试，其小信号标定灵敏度分别为236.52 kV/V和6.68 kA/V。X射线照射剂量测试采用LiF探测器，放置在30 cm位置处。X射线脉冲宽度采用Si-Pin二极管测试，位置距离光源点2 m，Si-PIN二极管加载偏压为400 V；X射线焦斑采用小孔成像法测试，孔尺寸为0.2 mm。典型的二极管电压、二极管电流和X射线脉冲宽度如图6（b）所示。二极管输出电压约210 kV，前沿约15 ns，电流约5 kA，X射线脉冲宽度约40 ns。

图  6  200 keV脉冲X射线源装置及实验结果

Figure  6.  The experimental device and the expereimental results of soft X-ray

下载: 全尺寸图片 幻灯片

采用小孔成像法测试的X射线焦斑如图7所示。其有效直径为1.2 mm。照射剂量测试外推至1 m处为15 mR。

图  7  焦斑测试结果

Figure  7.  The result of the X-ray spot size

下载: 全尺寸图片 幻灯片

为了测试阳极杆烧蚀对输出稳定性的影响，对单个阳极杆开展了10发次实验，测试二极管稳定性及抖动。其结果图8所示。实验结果表明，二极管电压极差抖动约35 ns，此时对应的二极管电压幅值在195～210 kV之间。

图  8  抖动实验结果

Figure  8.  The exprimental result of the jitter

下载: 全尺寸图片 幻灯片

3.   结　论

本文针对材料微喷射高速低密度区域X射线成像需求，研究了200 keV脉冲X射线源脉冲功率源与二极管关键技术。脉冲驱动源采用模块化设计的PFN-Marx技术路线，并采用超前触发技术，满足了脉冲驱动源低抖动输出要求。在40 Ω负载、模块充电电压为±30 kV条件下，脉冲驱动源输出电压约200 kV，脉冲前沿约20 ns，脉冲宽度约62 ns。在此基础上，设计了200 keV二极管，并开展了X射线产生实验。在模块充电电压±30 kV下，二极管电压达210 kV，电流约5 kA，产生的X射线脉冲宽度约40 ns，X射线焦斑直径1.2 mm，在距离X射线光源点1 m处X射线剂量约15 mR。该项研究成果将为材料在冲击加载下高速低密度区域喷射物密度分布提供有效的诊断技术，在工业检测领域也有广阔的应用前景。