长脉冲高阻抗强流电子束二极管

介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统;分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则,给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV,电流65~85kA,电压幅值对应的工

　第15卷　第11期　2003年11月

强激光与粒子束

HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS

Vol.15,No.11　

Nov.,2003　

文章编号:　100124322(2003)1121133204

长脉冲高阻抗强流电子束二极管

蒯　斌,　邱爱慈,　曾正中,　王亮平,　丛培天,　梁天学

(西北核技术研究所,陕西西安710024)

Ξ

摘　要:　介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统;分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则,给出

了设计参数。实验研究表明:二极管电压0.75～2.6MV,电流65～85kA,电压幅值对应的工作阻抗14～44Ω,输出轫致辐射脉冲宽度100～400ns,100cm2输出窗口的轫致辐射剂量率108～2×109Gy/s。　　关键词:　长脉冲,　高阻抗,　电子束二极管,　真空磁绝缘传输线,　轫致辐射　　中图分类号:　TL503　　　　文献标识码:　A

“强光一号”加速器一个非常重要的工作是产生不同脉冲宽度的长脉冲Xγ,射线辐照环境,利用该环境可

以开展各种核探测器技术的实验研究和各种电子元器件的抗辐射性能实验。它的基本工作原理是,利用直线型脉冲变压器和相应的电感储能与爆炸导体断路开关系统产生不同脉冲宽度的电脉冲,通过高阻抗电子束二极管将该电脉冲转换成电子束,并由电子束与高原子序数靶作用产生轫致辐射,从而获得不同脉冲宽度、不同辐射剂量和不同光子平均能量的长脉冲Xγ,射线。其中,长脉冲高阻抗电子束二极管是其中的关键部件,它直接关系到脉冲电能转换为电子束能的效率,并最终决定了所要获得的Xγ,射线参数。因此,对长脉冲高阻抗电子束二极管进行细致的技术分析和研究具有重要的意义。

1　“强光一号”长脉冲功率系统[1]

“强光一号”加速器长脉冲功率系统主要由直线型脉冲变压器、储能电感器、电爆炸断路开关、油介质自击穿开关和高阻抗电子束二极管等器件组成。系统的等效电路如图1所示,其中,Ls是储能电感,fuse是电爆炸断路开关,当电爆炸断路开关断开时,储能电感器获得的高电压脉冲通过油开关放电加到电子束二极管上。而所得电脉冲的特性参数(前沿、幅值和脉冲宽度)主要取决于电爆炸断路开关系统的工作性能,同时与电子束二极管的负载状况密切相关。　　“强光一号”加速器采用的储能电感是螺线管,其值

μH。电爆炸断路开关安装在一个长4.5m的高压约为8

聚乙烯圆柱形腔体中,开关的材料是金属铜丝,铜丝的直Fig.1　Equivalentcircuitoflongpulsepower

systemonQiangGuang2Ⅰ径和数量可调。开关的工作介质是具有一定气压的空

图1　“强光一号”加速器长脉冲功率系统等效电路气,压强约为0.17MPa。脉冲功率源输出的电脉冲参

数:电压幅值2.5～3.5MV,电流幅值100kA,脉冲宽度180～300ns[2]。　　此外,还可以从上述系统中去掉电爆炸断路开关,并将油开关短路,使直线型脉冲变压器经过储能电感器直接驱动电子束二极管,产生脉冲宽度大于400ns的辐射脉冲信号。

2　长脉冲高阻抗电子束二极管

2.1　管绝缘体和真空磁绝缘传输线

由于长脉冲电子束二极管工作电压约为3MV且脉冲持续时间较长,二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线(MITL)采用轴向绝缘结构,如图2所示。其中管绝缘体采用33片聚乙烯圆环绝缘介质和32片金属铝环交替叠成的容性均匀结构,且绝缘介质的真空表面与电场成45°夹角。整个管绝缘体长1.1m,内径0.9m,放

Ξ收稿日期:2003204222;　　修订日期:2003206225

基金项目:国防科技基础研究基金资助课题

作者简介:蒯　斌(19672),男,硕士,高级工程师,从事脉冲功率技术研究;西安市69210信箱。

介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统;分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则,给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV,电流65~85kA,电压幅值对应的工

1134强激光与粒子束第15卷

置在变压器油中,工作时绝缘体内腔体真空度为10-2Pa。对于轴向绝缘结构的管绝缘体,它的绝缘性能可用J.C.Martin的真空沿面闪络场强ETM[3]表征

ETMteffD

1/6

1/10

=1831(1)

式中:ETM=VTM/l,单位为kV/cm,VTM是沿面闪络时管绝缘体两端电压幅值,l是管绝缘体长度;teff是脉冲电压有效时间,单位为ns,计算中一般取脉冲电压半值宽度(FWHM);D是管绝缘体内径,单位为cm

。

Fig.2　Longpulsehighimpedancee2beamdiodeFig.3　Electricfielddistributionofinsulator

图2　

长脉冲高阻抗电子束二极管图3　二极管管绝缘体上的电场强度分布

表1　管绝缘体的绝缘性能

Table1　InsulatingcharacteristicsofinsulatorNo.123

针对长脉冲电子束二极管管绝缘体实际结构,利用Superfish程序计算了外加电压3MV时绝缘体的工

作电场分布,如图3所示,计算结果表明最大场强位于阳极端面,幅值72.5kV/cm。根据管绝缘体上电压不同的脉冲形状,利用公式(1)并结合工作电场计算结果,计算得到管绝缘体的绝缘性能,见表1。

τFWHM

/ns140260300

ETMVTM

/(kV cm-1)

78.6270.9369.26

/MV3.782.942.87

长脉冲电子束二极管真空磁绝缘传输线的阴极内4100056.672.34

筒是圆台形,总长度120cm,与二极管阴极隔板相连的

端面直径为42.5cm,与二极管阴极相衔接的端面直径11.0cm。阳极外筒是两段圆柱体,中间用圆台过渡连接,最大直径210cm,最小直径90cm;根据几何尺寸计算所得的阻抗约126Ω。表征真空磁绝缘传输线磁绝缘性能的主要参数是满足磁绝缘的最小电流,即磁绝缘临界电流[4]

21/2

(2)Icr=8500g(γa-1)式中:Icr是磁绝缘临界电流;g是MITL的几何形状因子;γa是相对论因子。计算表明,在二极管工作电压2.

5～3.5MV下,Icr为60～70kA,而真空磁绝缘传输线的实际工作电流大于75kA,满足磁绝缘条件。2.2　二极管阻抗设计

　由于二极管磁绝缘真空传输线必须满足磁绝缘条件,这限制了二极管的阻抗Rd,即[5]

()(3)Rd<

2

γ3(γ)ln+-1ggg式中:RTM是真空同轴线的几何阻抗;γg满足γg+(γg-1)3/2ln(γg+

2

g-1)=γa。

另一方面,由于要求产生的轫致辐射辐照面积为100cm2,且具有较好的均匀性,因此,二极管应设计成强

流非箍缩型电子束二极管,以保证具有较好的辐射均匀性。相应的二极管阻抗用下列模型近似定标[6]

Rd

4266[ξ(1+1/6ξ4)-1.2]2(r/d)2

(4)

式中:V0是二极管工作电压:ξ=a+2a-1;r为阴极半径,d为阴阳极间隙。　　根据理论分析,针对脉冲功率源的输出电压参数(2.5～3.5MV),设计得到电子束二极管的阻抗值可以适当调整,最大为50Ω。2.3　二极管阴阳极设计

阴极结构设计的原则是要保证电子束发射的均匀性,实验采用了两种结构:一种是直径110mm的普通钢

μm,一簇天鹅绒纤维中有10圆盘,圆盘表面粘有同样尺寸的天鹅绒,天鹅绒绒毛长度约1.6mm,绒毛直径约25

介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统;分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则,给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV,电流65~85kA,电压幅值对应的工

根细绒毛,簇底半径为0.3mm,簇与簇之间间距约0.9mm;另一种为圆柱状环形普通钢,圆环外径和内径分别为110mm和102mm,环高为60mm。　　由于长脉冲电子束二极管的作用是产生强的轫致辐射,因此直接将阳极设计成电子束轫致辐射靶。这样,阳极设计的原则就是保证轫致辐射产额最大。针对二极管的阴阳极之间的实际电压小于3MV,利用ITS程序计算了电子能量为2～3MeV的轫致辐射产生效率与辐射转换钽靶厚度的关系,如图4所示,其中轫致辐射产生效率定义为产生的轫致辐射光子能量与入射电子能量的比值。由计算可知,在入射电子能量2～3MeV时,钽靶的最佳厚度为0.3～0.6mm,实验

Fig.4　Relationsofbremsstrahlungefficiency

andtantalumtargetthickness

中取0.5mm。另外,根据轫致辐射辐照面积的要求,

靶的直径取110mm。

图4　入射电子轫致辐射产生效率与钽靶厚度之间的关系

3　实验结果

通过对长脉冲高阻抗电子束二极管的调试,获得了4种典型的二极管工作方式。表2给出了这4种工作

表2　二极管性能参数表

Table2　Parametersofdiode

No.1234

V0

I

Rd

parametersofbremsstrahlungat100cm2radiationarea

pulseduration/ns

100150200400

doserate/(Gy s-1)

2×1092×1089

/MV2.32.42.60.75

/kA80856585

/Ω38304414

non2uniformity

3∶12.8∶12.3∶12.1∶

1

1.2×109

Fig.5　Typicalwaveformsfordiodeproducingthepulsewidthof200nsbremsstrahlung

图5　产生200ns脉宽轫致辐射二极管典型电流(a)和电压波形(b)

方式下的二极管性能参数;图5给出了典型的二极管

电流、电压波形;图6给出了典型的二极管工作阻抗曲线。

4　结　论

本文介绍了“强光一号”加速器长脉冲高阻抗电子束二极管的结构和实验结果。该二极管是一种阻抗和辐射输出脉冲宽度可调节的电子束二极管,二极管的工作电压为0.75～2.6MV,二极管电流为65～85kA,输出辐射脉冲宽度100～400ns,电压幅值对应的工作阻抗14～44Ω,100cm2输出窗口的轫致辐射剂量率

Fig.6　Typicalimpedancecurvefordiodeproducing

thepulsewidthof200nsbremsstrahlung

图6　产生200ns脉宽轫致辐射二极管典型阻抗曲线

介绍了强光一号加速器长脉冲功率系统;分析了强光一号加速器长脉冲轴向绝缘高阻抗电子束二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则,给出了设计参数。实验研究表明：二极管电压0.75~2.6MV,电流65~85kA,电压幅值对应的工

108～2×109Gy/s。实验证明所设计的二极管结构合理,操作方便,工作性能可靠,有助于提高加速器的应用效

率。参考文献:

[1]　蒯斌,曾正中,邱爱慈,等.一台变脉宽MV级脉冲发生器[J].高电压技术,2002,28(s0):28.(KuaiB,ZengZZ,QiuAC,etal.AMV2

pulsedgeneratorwithdifferentpulse2width.HighVoltageEngineering,2002,28(s0):28)

[2]　郭军,蒯斌,曾正中,等.XH21装置电爆炸断路开关阻抗特性分析[J].强激光与粒子束,2000,12(2):224(GuoJ,KuaiB,ZengZZ,etal.

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[5]　胡克松,黄孙仁,邓仁培,等.闪光2I二极管[A].全国高功率粒子束十年文集[C].绵阳:1995.482—487.(HuKS,HuangSR,DengRP,

etal.DiodeonFlash2Iaccelerator.TheDecadeSelectedWorksofHighPulsedPowerinChina.Mianyang:1995.482—487)[6]　БеспаловВИ,ПетинВК,РатахинНА.РентгеновскоеизлучениеустановкиСНОП21[J].ИзввузовФизика,1995,12:79.

Long2pulsehigh2impedanceintensee2beamdiode

KUAIBin,　QIUAi2ci,　ZENGZheng2zhong,　WANGLiang2ping,　CONGPei2tian,　LIANGTian2xue

(NorthwestInstituteofNuclearTechnology,P.O.Box69210,Xi’an710024,China.)

Abstract:　OneoftheimportantbuildingblocksonQiangguang2Iacceleratorislong2pulsehigh2impedanceintenseelectronbeam

diode,whichismainlyusedtoconvertelectricalpulsefromlongpulsepowergeneratorintoelectronbeamandintensebremsstrahlung.Inthispaper,thelongpulsepowersystemonQiangguang2Iacceleratorisintroduced.TheinsulationcharacteristicsofinsulatorandMITLoflong2pulsehigh2impedanceintenseelectronbeamdiodewereanalyzedindetail.Thedesignapproachfordiodeoperatingparametersin2cludingthediodeimpedance,cathodeandanodearedescribed.Theexperimentalresultsare:thediodevoltageis0.75～2.6MV,thebeamcurrentis65～85kA,theimpedancecorrespondingtotheamplitudeofdiodevoltageis14～44Ω,thepulsedurationofbremsstrahlungis100～400nsandthedoserateatarea100cm2is108～2×109Gy/s。

Keywords:　Longpulse;Highimpedance;Electronbeamdiode;MITL;Bremsstrahlung.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/qkm4.html