直线感应加速器(LIA)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^[1]。多幅闪光照相需要在μs量级的时间内获得多幅透视图像，要求LIA具备猝发MHz重复率的多脉冲产生能力。将多套脉冲形成线通过硅堆隔离网络并联后依次触发可在负载上产生MHz重复率的猝发高压多脉冲串，为多脉冲LIA的实现提供了一条有效路径^[2-3]，利用该技术路线，我国研制成功了世界首台大型三脉冲LIA神龙二号^[4]。高压硅堆是实现形成线并联产生多脉冲的关键器件，其使用寿命和对高压脉冲品质的影响与放置硅堆的汇流箱结构密切相关。结合数值模拟和高压实验，本文详细分析了不同硅堆汇流结构对汇流效果的影响，并确定了最优的结构设计。

1.   形成线并联产生高压三脉冲

将三套传统的“Marx+Blumlein”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^[5]，如图 1所示。

图  1  三脉冲感应加速组元示意图

Figure  1.  Sketch map for three-pulsed induction module

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在主脉冲励磁前，需要对加速腔磁芯进行复位^[6]。由于隔离硅堆的存在，复位用的正极性脉冲无法通过，因此复位脉冲的馈入点只能位于汇流输出端与加速腔之间，为避免复位系统与主脉冲功率系统间的相互影响，还需要增加高压切换开关来实现主脉冲、复位脉冲和加速腔间的隔离和连接。因此，放置高压硅堆的箱体及切换开关组成了多脉冲硅堆汇流结构^[7]。

三脉冲汇流时，硅堆、切换开关和汇流结构都不可避免地会带来电容和电感，对输出脉冲的前沿产生不利的影响。一方面，为了保证加速脉冲的平顶宽度，汇流后脉冲的前沿应尽量小，因此汇流系统应该尽量紧凑并采用同轴结构以减小结构电容及电感对脉冲前沿的影响；另一方面，过于紧凑的结构会影响高压下硅堆内部电场的均匀性，从而使部分二极管击穿以导致整个硅堆的损坏，为降低高压硅堆击穿的几率，则要求汇流结构要尽量宽松，保障硅堆内部电场分布的均匀。由此可见，汇流系统的稳定性与输出脉冲的品质存在矛盾，因此需要通过高压实验和理论分析相结合来确定一个最优的汇流结构。

2.   硅堆寿命影响因素的模拟

高压硅堆采用多个二极管串并联封装而成，设计反向恢复时间≤100 ns，直流反向耐压＞300 kV，正向导通电流＞2 kA。为尽量减小导通电感，串并联采用同轴多层结构，并通过在层间增加均压盘和并联均压电容的方式，来均化高压加载时不同层间二极管两端的电势差。硅堆结构如图 2(a)所示，共18层，每层20个二极管，封装后直径6 cm、长36 cm。

图  2  高压硅堆结构示意图及其层间电势差分布

Figure  2.  Series-parallel array of silicon diodes and the voltage distribution

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当硅堆加载反向高压时，受对地结构电容的影响，不同层二极管两端的电势差并不一致。图 2(b)模拟了将硅堆置于同轴接地圆筒内，加载250 kV直流高压时每层电势差的分布，不同的曲线对应不同的接地圆筒内径和层间电容量；图 2(c)模拟了层间电容200 pF时，采用帽状电极(轴向屏蔽约3 cm长的二极管区域)对层间电势差分布的影响。由模拟结果可知，在直流高压下，硅堆的最大层间电势差主要受层间电容量、硅堆离地距离和高压电极形状这三个因素的影响，层间并联200 pF电容后，当接地筒内径15 cm(离地距离4.5 cm)、加压250 kV时，最大层间电势差约28 kV，使用帽状电极后，可降至23 kV。

在实际使用中，硅堆需要耐受反向的脉冲高压，层间电容的增加会导致硅堆反向耐压时对高频部分(如脉冲前沿)的等效阻抗下降，影响脉冲的品质，因此层间电容量不能过大。高压硅堆使用的二极管标称耐压为20 kV，最高耐压约30 kV，层间电容取值200 pF，均通过了360 kV直流高压考核(离地距离＞10 cm)。但由模拟结果可知，在采用同轴结构时，硅堆的最高层间电势差已经超过了二极管的标称耐压，硅堆存在较大损坏风险。

3.   实验

模拟计算明确了影响硅堆使用寿命的因素和解决方法，但只考虑了直流高压的情况和对称的同轴结构，要了解汇流结构在真实工作环境中对硅堆的影响，还需要进行高压脉冲实验研究。为比较不同汇流结构下硅堆寿命及汇流脉冲波形的品质，先后设计了5种实验用汇流结构。最初的2种结构用于验证三脉冲汇流的可行性，未考虑切换开关的一体化设计，如图 3所示。其中Type1结构中，6根硅堆分三组放置于方形油箱中，离地距离＞15 cm；Type2结构中，3根硅堆呈“品”字形放置于金属圆筒中，圆筒内径为10 cm(离地距离2 cm)。

图  3  硅堆汇流结构

Figure  3.  Configuration of the confluence boxes

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图 4为考虑切换开关一体化设计后的三种汇流结构，其中Type3为筒状结构，6根硅堆在圆筒内呈环状均布，最小离地距离7.2 cm，切换开关所增加的总厚度20 cm；Type4为同轴结构，硅堆分两列放置于内径15 cm的金属圆筒中(离地间隔4.5 cm)，开关总厚度20 cm；Type5为方箱结构，硅堆分两列放置于长方形的油箱中，最小离地间隔12 cm，开关总厚度16 cm。

图  4  含切换开关的硅堆汇流结构

Figure  4.  Configuration of the confluence boxes with switch

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采用硅堆隔离网络汇流后，成功地在加速腔上产生了间隔数百ns的高压三脉冲串，其典型波形如图 5(a)所示。但硅堆及汇流结构的引入，对汇流后加速腔腔压脉冲的品质产生了明显影响，相应的波形对比如图 5(b)，(c)所示。其中V_orig为形成线通过电缆直接馈入加速腔所得到的腔压脉冲波形，脉冲前沿(10%~90%)约16 ns，脉冲平顶(±1%)约75 ns；经Type1结构汇流后，腔压脉冲(V_tpye1)前沿增加到45 ns，平顶减小到约35 ns；经Type2结构汇流后，前沿约30 ns，平顶约60 ns。很明显，同轴结构的汇流脉冲品质更好，但在Type2结构下硅堆极易损坏，平均使用寿命＜10次，而Type1结构下，数千次高压实验中硅堆从未发生损坏，寿命＞5000次。加入切换开关后，Type3结构下前沿约36 ns，平顶约50 ns，硅堆寿命＜500次；Type4结构下前沿约32 ns，平顶约60 ns，硅堆寿命＜200次；Type5结构下前沿约40 ns，平顶约40 ns，寿命＞5000次。

图  5  汇流后的高压脉冲波形

Figure  5.  Waveforms of the pulses after confluence point

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使用寿命是汇流系统稳定工作的前提，因此硅堆汇流最终选择了类似Type5的长方形箱体结构，但Type5结构下的脉冲品质达不到LIA的应用要求(平顶＞50 ns)，还需要进行进一步优化设计。

4.   脉冲前沿损耗测量及结构优化

汇流结构的优化，需要明确Type5结构下各因素对脉冲前沿的影响程度，实验设计如图 6所示。

图  6  脉冲前沿在汇流结构中的损耗测量

Figure  6.  Loss measurement of pulse rise time in confluence box

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将损耗因素分为以下几类：(1)硅堆导通损耗。硅堆导通时其内阻或电感所产生的损耗；(2)开关损耗。串联切换开关所增加的损耗(包括硅堆出口电极到开关入口电极间的结构损耗)；(3)结构损耗。箱体内(硅堆放置部分)结构电感电容导致的损耗；(4)硅堆关断损耗。并联硅堆在反向关断情况下其关断内阻所导致的损耗；(5)电缆损耗。箱体内电缆头所引入的结构电感导致的损耗。

通过在硅堆馈入端(图 6中端口in)、硅堆输出端(端口mid)、开关输出端(端口out)以及加速腔输入端的四个位置对脉冲波形进行测量，可以对上述损耗进行定量分析：对比硅堆馈入端的电压波形V_in和硅堆输出端的电压波形V_mid的前沿，可以得到硅堆导通损耗、关断损耗和结构损耗的综合值d_Tr1；在单脉冲实验中移除反向硅堆，再次对比得到d_Tr2，可确定硅堆关断损耗(d_Tr1-d_Tr2)；进一步用粗铜杆代替导通硅堆，则此时V_in和V_mid的前沿差(d_Tr3)即为结构损耗，同时可确定硅堆导通损耗(d_Tr2-d_Tr3)。对比V_mid和开关输出端的电压波形V_out，可以得到开关损耗d_Tr4，对比V_out和加速腔腔压V_c，可得到单位长度电缆头所对应的损耗d_Tr5(忽略该段传输电缆中的前沿损耗)。另外，在所测量的硅堆外套接地的导体圆筒(内径15 cm)，还可以得到同轴结构下的相关损耗。Type5结构下的测量结果如表 1所示(数据为多次实验的平均值)。

表  1  汇流结构所导致的脉冲前沿增量

Table  1.  Pulse risetime increment because of the confluence

pulse risetime increase factor	pulse risetime increment/ns
diode array turn-on loss	~5
diode array turn-off loss	＜1
switching loss	~7
structural loss	~10
structural loss(coaxial structure)	~4
cable loss	~3
total	~25/19 (coaxial structure)

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其中，硅堆关断损耗可以忽略，硅堆导通损耗约5 ns无法通过汇流结构进行优化，开关损耗可以通过切换开关的设计进行优化，结构损耗在使用内径15 cm同轴结构后有约6 ns的改善，电缆头损耗则可通过减少电缆头的长度进行优化。

理论上将同轴结构和帽状电极结合，可以将脉冲前沿进一步降低，但如采用帽状电极，其最大外径将大于9 cm，置于内径15 cm同轴接地筒内，可能会导致绝缘上的隐患，而如果为了绝缘安全加大接地筒内径，则对前沿的改善程度将下降。另外，实际使用中汇流结构的数量较大，采用同轴结构不利于硅堆的更换和箱体内各部分的日常检查，因此最终定型的汇流结构Type6如图 7(a)所示，仍采用了长方形箱体结构。通过将电机驱动的旋转电极更换为电磁铁驱动的平移电极，切换开关的厚度减小了6 cm，通过对电缆座形状的优化设计，将输入输出电缆头的总长度减小了10 cm，Type6汇流箱总长从Type5的870 cm减小到710 cm。Type6汇流后的腔压波形如图 7(b)所示，对比Type5，前沿从40 ns减小到33 ns，平顶增加到约60 ns，而硅堆的使用寿命与Type5相同(>5000次)，达到了多脉冲LIA对汇流系统的设计要求。

图  7  定型的汇流结构及汇流脉冲波形

Figure  7.  Configuration and waveform of the final confluence box

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5.   结论

利用高压硅堆隔离网络，将三套脉冲形成线先后产生的单脉冲汇流后，可形成MHz重复率的猝发三脉冲串，以达到多脉冲直线感应加速器的应用需求。硅堆汇流结构的设计对汇流后脉冲波形的品质有着显著的影响，总体来说，越紧凑的结构，汇流后的波形品质越好；但汇流结构对硅堆使用寿命的影响趋势则相反，越宽松的结构，硅堆使用寿命越长。通过对高压硅堆内部电势分布的模拟分析，明确了汇流结构影响硅堆使用寿命的主要原因；设计了多种汇流结构，开展了对比性的实验研究，并设计了针对性实验，测量了汇流结构各部分对汇流脉冲前沿的影响，综合对硅堆使用寿命的要求，确定了汇流结构的优化方向。最终定型的汇流结构，同时满足了硅堆使用寿命和汇流后脉冲波形品质的需求，并成功地应用在神龙二号三脉冲直线感应加速器上。