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日志

 
 

“神龙二号”直线感应加速器  

2016-04-28 13:41:09|  分类: 核武器 |  标签: |举报 |字号 订阅

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   近二十年来,精密闪光X射线照相的迫切需求极大地促进了直线感应加速器技术的发展,在此期间,相继研制成功了DARHT-I、AIRIX、神龙一号直线感应电子加速器。这三台加速器均是单脉冲工作的加速器,可对高速运动的致密客体进行精密的闪光X射线照相,获取某一指定时刻的运动图像。但若深入了解客体不同时刻的运动状态,对上述三台装置而言,则需不同的实验客体来完成。因此,从事相关研究的人员迫切希望发展一种射线照相装置,能以极短的时间间隔(约500 ns)提供多束射线(MHz级重复率)进行照相,通过同一实验客体精确了解被诊断对象在不同时刻的运动状态。为此,美国LANL实验室研发了DARHT-Ⅱ装置,该加速器产生并加速形成1.6 μs长脉冲电子束,打靶前通过踢束装置,将束流切割成一定时间间隔的四个短脉冲,再经轫致辐射转换靶,输出四个强脉冲X射线进行精密多幅闪光照相。
   中国工程物理研究院流体物理研究所近期研制成功的神龙二号装置是世界上首台以猝发方式工作的MHz重复率强流三脉冲直线感应电子加速器。该加速器产生的三脉冲电子束电子能量为18~20 MeV、束流强度≥2 kA、焦斑直径(FWHM)≤2.0 mm,靶正前方1 m处X光照射量≥7.74×10-2 C/kg。
   该加速器涉及的主要关键技术包括MHz猝发率三脉冲的产生、加速场建造、电子束源产生、束流传输线研制、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等。

  1  MHz猝发率高压三脉冲的产生

  迄今为止,世界上还没有一种高功率开关能够在MHz重复频率和百kV等级下工作。如图1所示,“神龙二号”基于并联Blumlein和脉冲隔离网络技术,实现每路负载提供3个300 kV等级的高压宽平顶脉冲输出,脉冲间隔最小约400 ns,同时,276路输出同步精度可达到ns。

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图 1  并联Blumlein获得多脉冲输出

  三套并联的Marx-Blumlein系统基于传统的技术,每套系统可独立工作,当三套系统同时工作,并向加速腔馈电时,通过脉冲汇流/隔离网络实现多个脉冲的汇合。汇流/隔离网络中最关键的部件是快恢复高压脉冲硅堆,要实现其正向导通和反向隔离功能,要求在反向耐压、恢复时间、脉冲前沿衰减、使用寿命等多个方面达到一定要求才能满足工程需要。
  通过近十年的实验研究和器件研制工作,高压隔离硅堆的性能和可靠性达到了“神龙二号”设计要求,在实验平台上获得了典型的三脉冲波形:采用三根120 ns Blulein和汇流网络,获得了幅度275 kV,脉冲间隔约为500 ns,脉宽约为120 ns(FWHM),脉冲上升时间30 ns(10%~90%)的三脉冲。该系统最高可工作在300 kV,脉冲间隔最短可达400 ns。

  2  加速场建造技术

  对于感应加速器的加速腔,高压绝缘、横向耦合阻抗、铁芯的励磁性能是其设计时需要考虑的三个主要因素。神龙二号感应加速装置具有三脉冲MHz猝发重复频率的工作能力。在本项目的立项之初,世界上还没有能满足这些要求的感应加速装置的相关报道,而且现有的直线感应加速技术路线也很难满足以上要求。究其原因,这跟直线感应加速装置中装载有磁芯这种非线性组件密切相关。磁芯作为直线感应加速装置中的非线性组件,与单脉冲工作方式相比,其在MHz猝发高压多脉冲条件下的复位方式难以解决。理论上,设想的高压MHz重复率猝发三脉冲条件下磁芯的磁化过程如图2所示。当猝发三脉冲的第一个脉冲到来时,磁芯从初始的工作状态+Br被激励到B1,在第二个脉冲到来时磁芯回复到Br1的状态(图中单箭头所示)。第二、三个脉冲到来时遵循类似的过程。磁芯能否实际按照这种方式工作,取决于两个方面:第一,磁芯的初始工作状态是否稳定;第二,猝发频率高达MHz量级(脉冲间隔短)时磁芯能否正常工作。
  从加速装置的主要作用(对束流进行加速和传输)来看,需要解决磁芯励磁、磁芯复位、高压绝缘和结构设计等一系列关键技术,对于工程应用来说,由于束输运及聚焦的磁场不能突变,因此需要被传输的多个脉冲束的能量要相同,因而在MHz猝发高压多脉冲条件下加速装置感应出的多个加速脉冲幅度的一致性也是一个需要重点考虑的问题。在工程设计中将铁芯的磁通跳变量增大至单脉冲情况下的三倍以上,铁芯被猝发三脉冲串分段激励,在下一个三脉冲串来临之前,将铁芯复位至激励前的剩磁状态。为此,项目研制组从单元技术开始攻关,联合国内相关单位开展了非晶大磁环的研制,解决了非晶铁磁材料的生产工艺和绕制技术并取得了成功,首次使用非晶大磁环实现对铁芯的励磁,获得了满足物理要求的高压三脉冲。图3为神龙二号加速腔。

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图 2  猝发三脉冲条件下磁芯的磁化过程                        图 3  神龙二号加速腔

  3  强流高品质三脉冲电子束产生技术

  单脉冲直线感应加速器一般采用天鹅绒阴极作为电子束源的发射体,一是其发射电流密度大,发射电子束流的品质也可满足使用要求;二是采用这种阴极形成束源,在工程上易于实现。神龙二号需提供三个强脉冲X射线,因此,其注入器必须能够提供束流强度、品质均满足使用要求的猝发三脉冲电子束。天鹅绒阴极属场致发射阴极,在发射电子束的过程中,阴极面将形成向阳极快速扩张的等离子体,扩张速度达到1~3 cm/μs。向阳极快速扩张的等离子体,一方面使二极管区电场分布变坏,另一方面使二极管的有效间距变短,同时,向阳极快速扩张的等离子体,使得阴极发射时的布里渊流条件难以得到保证。因此,天鹅绒阴极以猝发方式(约2 MHz重复率)发射电子束,不能保证猝发脉冲电子束的一致性和后续脉冲电子束的品质。
  神龙二号前期的大量研究结果表明,热阴极是可以以猝发方式产生多脉冲的,经过项目组近十年的攻关,掌握了大尺寸热阴极研制关键技术,成功研制了直径达135 mm的钪酸盐热阴极组件,并对大尺寸热阴极激活过程、发射规律有了全新的认识。在国内首次获得电流强度2 kA以上的热发射电子束。
  图4所示波形是f135 mm热阴极的发射结果,图4(a)是电子枪加载电压波形,加载电压幅度约为3 MV,两脉冲间隔500 ns,图4(b)是二极管输出的束流波形,束流幅值不小于2.3 kA。从图中可以看出,电流波形对加载电压的响应很好。

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      (a) 电子枪加载电压波形                            (b) 二极管输出的束流波形
图 4  热阴极的多脉冲发射特性

  将热阴极作为猝发三脉冲直线感应加速器的电子束源,解决了诸多关键技术问题:制作大面积(发射面直径最大约15 cm)热阴极的工艺问题;装配至注入器能否可靠工作的问题,诸如解决热辐射屏蔽、绝缘、支撑等;大直径热阴极激活与工作特性等。如图5所示。
   
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图 5  直径135 mm钪酸盐热阴极

  4  三脉冲电子束传输与聚焦

  直线感应加速器对电子的加速是将注入器产生的电子束通过磁场匹配的方式注入到由螺线管线圈和加速间隙交替组成的直线型加速段中。电子由加速间隙处提供的加速电压而不断地获得能量增益,同时受到螺线管线圈提供的轴向磁场的约束,使其沿设计的轨道以一定的束半径传输。

  多脉冲在传输过程中呈现出一些不同的特点,主要表现在两个方面:一方面,束腔相互作用产生尾场。由于尾场的存在导致束流传输的电磁环境发生变化,多脉冲序列中前后不同的脉冲感受到的这种变化各有不同。对于多脉冲而言,其中的一个脉冲(脉冲序列中的第一个脉冲除外)不仅感受到其本身头对尾的尾场作用,还要感受到其前面所有脉冲的尾场作用;另一方面就是由于种种原因导致多脉冲序列中的每一个脉冲的性能参数不可能完全一致,这种不一致给多脉冲束流传输线的设计建造、尤其是末级聚焦透镜的设计建造带来很大的挑战。

  如图6所示,多脉冲束流传输系统的设计要达到上述性能以及为达到上述性能能采取了一系列新设计、新技术、新工艺,如高性能螺线管线圈设计技术和工艺、磁轴测量技术、准直技术、束参数测量技术等,最终实现了从注入器到靶传输束流的损失低于5%,归一化发射度的增长量≤1 000 p×mm×mrad,束线磁轴与几何轴的统计倾斜≤0.5 mrad,靶面焦斑直径≤2.0 mm。

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 图 6  神龙二号螺线管线圈结构示意图

  5  多脉冲靶研制

  电子束轰击高原子序数材料靶,电子能量部分被转换为X射线能,X射线斑点大小和产额决定了成像质量。由于靶内能量沉积密度高,靶被轰击后,着靶点均被烧蚀成孔,如图7所示。 

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(a)500 ns                                            (b) 1 000 ns
  图 7   6.0 mm(空隙度80%)叠靶的动力学膨胀

  “神龙二号”产生的猝发三脉冲电子束需在数μs的时间间隔内相继轰击转换靶产生满足使用要求的三脉冲X射线。解决第二和第三个脉冲电子束与靶相互作用的靶材,并确保第二和第三个X射线脉冲斑点足够小(与第一个脉冲相差不大)是转换靶设计面临的难题。唯一可行的技术途径是,通过一切可能的技术手段,降低靶体内能量沉积的密度,使靶不被烧蚀或延缓被烧蚀成孔的时间,即保证在数μs的时间间隔内,电子束有足够作用的靶材。“神龙二号”的轫致辐射转换靶需要产生满足剂量要求(不小于0.077 4 C/kg (300 R))的三个脉冲X光,并且三个脉冲X光的焦斑都不大于2.0 mm(FWHM)。轫致辐射靶的设计包括靶材料的选择、靶材料厚度的计算以及靶结构设计。
  在大量的理论分析和实验诊断的基础上,通过采取降低靶体内能量沉积的密度,延缓烧蚀成孔的时间等技术手段,成功了研制了满足三脉冲聚焦的轫致辐射转换靶。

  6  测量与诊断技术

  对单脉冲电子束或X射线参数的诊断,如不具备时间分辨的能力,大多也能对电子束或X射线的性能进行评估。对猝发多脉冲或X射线则不然,其性能的诊断必须具备时间分辨的能力。
  “神龙二号”利用一些物理方法(切伦科夫辐射法、光学渡越辐射法、修正三梯度法、反磁回路法等)与高速分幅相机或扫描相机相结合,实现了使这种在极短的时间间隔内实现束流参数或X射线参数时间分辨的测量与诊断。

  7  运行结果

  “神龙二号”运行中,在同一出光轴上可稳定输出3个强X光脉冲,相邻两脉冲间的时间间隔可根据需要通过脉冲功率系统的触发系统进行调节,最短可到300 ns,最长可到任意长度(实际上,最长长度主要受束靶相互作用的时间长度制约),通常工作约为500 ns。

  7.1  束流及其质心位置

  图8给出了利用电阻环测试方法获得的束线上不同位置处的典型束流波形及束流质心位置处理结果。图9给出的是束流在束线上不同位置处的质心偏移变化情况。

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图 8  实验束流波形图              

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图 9  实验束线上三脉冲束流质心偏移情况

      在全程的束流传输过程中,束流损失较少,小于5%,束流脉冲形状基本维持不变;打靶束流强度不小于2.0 kA,脉冲宽度约60 ns(FWHM);加速器出口束心偏移控制在3 mm以内。

  7.2  打靶电子束的发射度

  基于光学渡越辐射原理的电子束发射度测量系统,在加速器出口至靶室的漂移段的中间部位测量了束流的发射度,图10给出了A脉冲发散角的拟合曲线,其发散角为3.9 mrad,归一化发射度为2 300 p×mm×mrad。B、C脉冲发射度分别为2 206 p×mm×mrad,2 310 p×mm×mrad。

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 图 10  A脉冲电子束发散角拟合图

     7.3  打靶电子束的电子能量及其能散度

  采用90°偏转磁铁对神龙二号加速器的电子束能量和能散度进行了测量。偏转后的电子束与OTR靶相互作用,将电子束分布图像转换为光学图像并经高速扫描和分幅相机记录,实现电子束能散度测量。测试结果表明:三脉冲电子束电子能量18~20 MeV,束脉冲期间平顶部分(50 ns)电子能量散度不大于2%,其中,A脉冲能散度最小,C脉冲能散度最大。

  7.4  打靶电子束的焦斑尺寸、1 m处X光照射量、出光定时精度

  实验中,利用小孔成像法测得的连续三发实验三脉冲电子束打靶后X射线焦斑尺寸,每发实验,每个束脉冲打靶焦斑半高宽均小于2 mm,三发实验的X光照射量均大于300 R。在连续4发实验X光出光定时精度的测量中,定时偏差最大3 ns。

  图11分别给出了三脉冲打靶电子束焦斑的原始图像、三维立体图和光强二维分布图。
  
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(a)“神龙二号”三脉冲X光焦斑(A脉冲)

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(b)“神龙二号”三脉冲X光焦斑(B脉冲)

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(c)“神龙二号”三脉冲X光焦斑(C脉冲)

图 11  三脉冲打靶电子束束斑和光强三维、二维拟合图

  8  总  结

  “神龙二号”加速器是一个庞大而复杂的系统。其加速器主体由注入器(12个腔感应叠加供能)、加速段(80个加速腔)、聚焦段和靶室组成,总长近80 m。其脉冲功率源平台包括159根脉冲形成线、92个汇流箱(含558个高压硅堆)、23套复位电路及精密的激光触发系统等。

  表1给出了“神龙二号”和DARHT-II多幅X光照相能力的详细比较。从表1的比较可以看出,神龙二号与DARHT-II同为当今世界最先进的同轴多幅X光照相设施。

表 1  “神龙二号”和DARHT-II多幅X光照相能力的比较
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  【科学意义】

  “神龙二号”的研制成功使我国直线感应加速器的发展上了一个新台阶,也极大带动了我国的光电子技术、半导体技术、磁性材料开发、图像处理技术和高功率脉冲技术的迅速发展。

  【展望】

  利用“神龙二号”实验装置,进一步开展束腔相互作用、强流束传输、偏转与聚焦等技术研究工作。

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