直线感应加速器组元的双脉冲改造

2024年浙江省新高考测评卷高效提分物理（第二模拟）（基础必刷）学校：_______ 班级：__________姓名：_______ 考号：__________（满分：100分时间：75分钟）总分栏题号一二三四五六七总分得分评卷人得分一、单项选择题（本题包含8小题，每小题4分，共32分。

在每小题给出的四个选项中，只有一项是符合题目要求的）(共8题)第(1)题科学家发现银河系中存在大量的放射性同位素铝26，铝26的半衰期为72万年，其衰变方程为，下列说法正确的是（ ）A．Y是氦核B．改变压力、温度或浓度，将改变放射性元素的半衰期C．再经过72万年，现有的铝26衰变一半D．再经过144万年，现有的铝26全部衰变第(2)题如图甲为直线加速器原理图，由多个横截面积相同的金属圆筒依次排列，其中心轴线在同一直线上。

序号为奇数的圆筒和交变电源的一个极相连，序号为偶数的圆筒和该电源的另一个极相连。

交变电源两极间电势差的变化规律如图乙所示。

已知电子的质量为m、元电荷为e、电压的绝对值为u，周期为T，电子通过圆筒间隙的时间可以忽略不计。

在时，奇数圆筒相对偶数圆筒的电势差为正值，此时位于和偶数圆筒相连的金属圆板（序号为0）中央有一个初速度为零的电子。

下列说法正确的是（）A．电子在圆筒中做匀加速直线运动B．本装置可采用直流电进行加速C．进入第2个金属圆筒时的速度为D．第8个金属圆筒的长度为第(3)题在一条平直公路上，甲、乙两车分别位于两条平行车道上，时刻两车车头平齐，运动过程中两车的图像如图所示，两车出发后到当两车头再次平齐需要的时间为（）A．B．C．D．第(4)题如图所示，有一矩形闭合导体线圈，在范围足够大的匀强磁场中运动、下列图中能产生感应电流的是（）A．B．C．D．第(5)题一架质量为m 的直梯斜靠在光滑的竖直墙壁上，下端放在粗糙的水平地面上，直梯处于静止状态，与水平地面夹角为。

则下列说法正确的是（ ）A ．直梯对地面的作用力大小为mgB．地面对直梯的作用力大小为C ．墙壁对直梯的作用力与直梯对墙壁的作用力是一对平衡力D ．减小角，若直梯仍能保持平衡，则地面对直梯的支持力不变第(6)题某收音机中的LC 振荡电路，由固定线圈和可调电容器组成，能够产生频率范围为f 到kf （）的电磁振荡。

3国防科技基础研究基金资助课题。

1996年11月25日收到原稿,1997年10月29日收到修改稿。

石金水,男,1964年4月出生,硕士,副研究员。

12M eV 直线感应电子加速器石金水　丁伯南　邓建军　何　毅　李　劲　戴光森　文　龙　曹国高(中物院西南流体物理研究所,成都523信箱56分箱,610003) 摘要　12M eV 直线感应电子加速器(L I A )是经10M eV L I A 能量升级和系统改进而来,该机通过在10M eV L I A 加速末端续接四个加速组元并调整脉冲功率系统,将输出的电子束的能量升级至12M eV ;同时,重新设计的输运磁场分布及聚焦系统更趋于合理,使经10M eV L I A 升级和改进后的12M eV L I A ,打靶电子束能量达到12M eV ,束流约2.6kA ,脉冲半高宽约89n s ,焦斑约4mm 。

关键词　直线感应电子加速器(L I A )　脉冲功率　束输运和聚焦 直线感应电子加速器是六十年代发展起来的一种新型加速器,它能产生强流、高亮度、低能散度的高品质电子束,而部件式结构的特点使它可大量串接获得所需要的能量。

由于L I A 具备这些优越性能,因而受到许多国家的重视,美国、法国、俄罗斯、日本已先后建成多台直线感应加速器[1～6],并已广泛地应用于闪光X 射线照相、辐照效应、自由电子激光、粒子束聚变、高功率微波等研究领域。

本文所介绍的12M eV L I A 是从1994年3月开始,在10M eV L I A (1994年研制成功)[7]基础上进行能量升级和系统改造而来。

其具体的设计指标要求为:加速电压12M V ;打靶束流≥2kA ;束流脉宽约60n s ;打靶束焦斑直径≤6mm 。

1　加速器系统简介 12M eV L I A 主要由脉冲功率系统、注入器、加速段、束输运和聚焦系统、控制监测系统及真空、油、水、气等辅助系统构成,主体概貌如图1所示。

第30卷第5期强激光与粒子束V o l.30,N o.5 2018年5月H I G H P OW E R L A S E R A N D P A R T I C L E B E AM S M a y,2018高重复率猝发高压多脉冲加速组元*黄子平,李劲,李远,陈思富,高峰(中国工程物理研究院流体物理研究所,脉冲功率科学与技术重点实验室,四川绵阳621900)摘要:详细介绍了基于形成线并联和传输线延时两种不同技术路线的MH z重复率猝发多脉冲加速组元的工作原理㊁应用背景和技术特点,针对现有传输线延时双脉冲加速组元的主要问题提出了一种新的猝发高压双脉冲加速组元设计思路并进行了实验验证,使双脉冲加速组元在兼顾更高稳定性和更好波形品质的同时,解决了双脉冲电压独立调节㊁间隔调节及单双脉冲模式转换的问题㊂关键词:猝发高压多脉冲;感应加速组元;传输线延时;硅堆隔离网络中图分类号: T L503.3文献标志码: A d o i:10.11884/H P L P B201830.170339直线感应加速器(L I A)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㊂L I A 由多个加速组元串联而成,要满足闪光照相的要求,每个组元需产生脉宽约100n s㊁幅度约200k V的高压脉冲,以加速通过其间隙的脉冲电子束(流强数k A㊁脉宽数十n s),并在串联叠加后使其达到约20M e V的打靶能量[1]㊂L I A加速组元由高压脉冲功率源㊁感应加速腔及连接它们的高压传输线组成,受功率源高压开关能力的限制,传统加速组元只能单次或低重频运行㊂多幅闪光照相要求达到的图像间隔通常在μs量级,要实现这一要求,需要对传统L I A加速组元的设计进行改进㊂美国的D A R H TⅡ是世界上首台多幅闪光照相装置,其L I A的加速组元采用了长脉冲设计,利用感应脉冲形成网络和巨大的感应加速腔产生2μs的高压感应脉冲对1.6μs的电子束进行加速,并在加速器出口利用束流切割器将其切分为4个约50n s的短脉冲进行打靶,这一方案规避了高压开关及感应腔磁芯高重频运行的难题,但长脉冲加速在高压绝缘㊁束流输运㊁能量利用率等方面带来了极大的困难,机器造价昂贵[2]㊂神龙二号是我国自行研制的多幅闪光照相装置,是世界上首台多脉冲L I A,利用加速组元直接感应产生间隔数百n s (可调)的3个高压脉冲加速3个约50n s的电子束打靶[3-4]㊂神龙二号加速腔磁芯用量不到D A R H TⅡ加速腔的20%,在获得相同照相指标的前提下大幅降低了机器造价,并具备了照相时间间隔大幅可调的优势㊂已经通过实验验证的猝发高压多脉冲产生方法目前有三种:一是串联形成线方法,原理由美国在D A R H T Ⅱ预研时提出但未采用,可产生2~3个脉冲,我国在神龙二号预研时开展了相关功率源的实验研究[5],但未开展加速组元的研究工作,本文暂不讨论;二是并联形成线方法[6],这是神龙二号加速组元所采用的技术路线,连接加速腔后可获得3个感应高压脉冲;三是传输线延时方法[7],这是我国下一台多脉冲L I A 神龙三号 加速组元将采用的技术路线,其加速组元样机已经通过了实验考核㊂本文详细介绍后两种多脉冲加速组元的工作原理和技术特点,并针对 神龙三号 原双脉冲加速组元进行了优化设计和实验验证㊂1基于形成线并联的三脉冲加速组元将三套传统的 M a r x+B l u m l e i n 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[8],如图1所示㊂硅堆隔离网络可以有效地隔断高压脉冲在三套脉冲功率源间的相互串扰,使三脉冲的汇流得以实现,硅堆的关断特性限定了多脉冲间的最小间隔,硅堆的导通特性和汇流器的结构设计决定了汇流后脉冲前后沿的增量㊂为神龙二号加速组元所研制的高压隔离硅堆,其关断时间约为100n s,远小于加速组元所需的最小脉冲间隔400n s;硅堆导通所导致的脉冲前沿增量约5n s,汇流结构所导致的前沿增量约为9n s㊂单脉冲L I A加速组元[9]通常利用M a r x对B l u m l e i n线充电时产生的正极性预脉冲对加速腔磁芯进行复位,通过对形成线等效阻抗㊁加速腔磁芯伏秒值和加速腔镇流电阻间参数的选择,可以保证加速腔磁芯在主脉冲到达前正好被预脉冲复位到最佳状态,这种复位方式称为加速腔磁芯的自动复位[1]㊂对于三脉冲组元,由于*收稿日期:2017-08-30;修订日期:2017-12-21基金项目:国家自然科学基金项目(11675159);中国工程物理研究院科学技术基金项目(2015B0402076)作者简介:黄子平(1977-),男,副研究员,从事脉冲功率技术和感应加速器磁芯研究;h z p106@c a e p.c n㊂055102-1055102-2F i g .1 S k e t c hm a p f o r t h r e e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e 图1 三脉冲感应加速组元示意图隔离硅堆的存在,正极性的复位预脉冲被隔断,因此需要为加速腔增加专门的复位系统[10],复位脉冲的接入点位于主脉冲汇流点与加速腔之间,为避免复位系统与主脉冲功率系统间的相互影响,需要增加高压切换开关来实现主脉冲㊁复位脉冲和加速腔间的隔离和连接㊂切换开关所导致的主脉冲前沿增量约为4n s㊂ 同样受开关能力的限制,目前还无法在数百n s 时间内实现数百k V 高压通道的切换,因此加速腔磁芯难以在脉冲间进行复位㊂三脉冲加速组元采用的是一次复位后3次励磁的技术路线,这需要磁芯的伏秒值达到传统单脉冲加速腔磁芯的3倍以上,以满足3个主脉冲的总需要;同时,由于不同主脉冲馈入加速腔时,磁芯处于不同的励磁状态,因此,要获得品质相近的3个感应脉冲,且磁芯在不同励磁阶段的磁导率不能有明显的差异㊂通过多年的努力,专门研制的铁氧体和非晶磁芯在多脉冲励磁性能上均达到了使用要求[11]㊂铁氧体磁芯本身绝缘,整体烧制而成,在传统L I A 上有大量应用,但其可用磁通量密度ΔB 较低(约0.7T ),且磁芯尺寸受烧制能力限制,要达到700mm 以上的直径非常困难;非晶磁芯为金属薄带绕制而成,封装后的ΔB >1.3T ,径向尺寸可达1m 以上,但其耐压能力和几何尺寸稳定性受绕制和封装工艺影响较大,长期工作的稳定性有待验证㊂由于采用铁氧体磁芯后三脉冲加速腔的轴向尺寸过大,不能满足L I A 物理设计的要求,综合考虑后,神龙二号加速腔选择了非晶材料作为磁芯㊂相对于D A R H T Ⅱ的加速组元,三脉冲加速组元的磁芯用量小,且脉冲间隔可以在极大的范围内自由调整(如图2所示,4条曲线分别对应4个加速腔的腔压波形,实际的脉冲间隔受照相需求和靶材烧蚀速度的限制),在建设成本和使用灵活性上具有明显的优势㊂但硅堆汇流结构所导致的前后沿增量使脉冲平顶宽度明显下降,要确保束流的能散达到要求,束流和加速脉冲间的同步性要求非常高,这对功率系统各部件的时间抖动提出了严格的限制㊂从图1可以看出,三脉冲加速组元的构成较为复杂,3套独立脉冲功率源的依次动作需要6套高压触发源的准确触发,对于整台加速器,其涉及的开关数量远大于单脉冲L I A ,而加速器整体的同步性和稳定性要求又要高于单脉冲L I A ㊂因此,要具备同样的可靠性,三脉冲L I A 对设备性能检测和实验准备的要求远高于传统的单脉冲L I A ㊂F i g .2 T h r e e -p u l s ew a v e f o r m s o f t h e i n d u c t i o nm o d u l e sw i t hd i f f e r e n t p u l s e s i n t e r v a l t i m e 图2 不同脉冲间隔下的三脉冲腔压波形强激光与粒子束055102-32 基于传输线延时的双脉冲加速组元形成线并联方式理论上可以实现更多的脉冲数量,但受系统复杂性和加速腔磁芯体积的限制,脉冲数量的增加会大幅提高加速器的建设难度和运行成本㊂若将脉冲数量减少到两个,在建设难度降低的同时,有可能使加速器的可靠性得到显著提升㊂因此,双脉冲L I A 成为某些重大实验开展多幅闪光照相的选择㊂由于硅堆隔离对脉冲前后沿的影响和开关数量的翻倍,基于形成线并联的双脉冲L I A 的可靠性仍低于单脉冲L I A ㊂因此,一种基于传输线延时的双脉冲产生方式被提出,并在 神龙三号 L I A 的预研中被采用㊂双脉冲加速组元[12]示意图如图3(a )所示,同一根B l u m l e i n 线产生的高压短脉冲通过不同电长度的传输线先后馈入加速腔,可以在加速间隙上感应产生高压双脉冲串,脉冲间隔为两组传输线的电长度差㊂由于只使用了一套脉冲功率源且未增加任何开关和半导体器件,最大程度地降低了加速组元的系统复杂性,提高了双脉冲L I A的运行可靠性㊂F i g .3 S k e t c hm a p a n dv o l t a g ew a v e f o r mf o r d o u b l e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e 图3 双脉冲加速组元示意图及腔压波形由双脉冲的产生原理可知,如采用同样的B l u m l e i n 线,双脉冲加速组元首个主脉冲(脉冲A )的品质应与传统单脉冲组元相同,而对于第二个主脉冲(脉冲B ),由于高压脉冲在传输过程中会产生损耗,其品质会变差㊂通过对水介质延时线的优化设计[13],在500n s 的延时下,可以将脉冲前沿的增量控制在5n s 以内,幅度的损耗控制在1%以内,因此,传输线延时后的高压脉冲,其平顶宽度仍明显优于通过硅堆隔离后所产生的高压脉冲㊂平顶宽度的增加,放宽了对功率系统开关时间抖动的要求,进一步提高了双脉冲L I A 的运行可靠性㊂另外,随着对磁芯伏秒值需求的降低,双脉冲加速腔可以选择铁氧体作为磁芯,这也在一定程度上提高了双脉冲加速组元的可靠性㊂双脉冲加速组元所产生的典型腔压波形如图3(b)所示㊂ 双脉冲L I A 以牺牲脉冲数量和照相灵活性为代价,换取了可靠性的提高㊂但除此以外,双脉冲组元还有一些不足之处㊂首先,脉冲A 后总是存在一些反射脉冲会叠加到脉冲B 上,要使叠加脉冲对脉冲B 的平顶影响最小,需要选择最合适的双脉冲间隔㊂目前的双脉冲间隔是根据双脉冲组元空载实验的数据确定的,而带束运行必须在加速器整机安装完成后,如果束流负载的介入影响了脉冲A 的反射情况,则可能需要对脉冲间隔进行微调,这只能通过改变每个加速组元对应的延时传输线总长度来实现,无疑将带来巨大的工作量;其次,双脉冲加速组元在B l u m l e i n 线输出端并联合适的复位电阻后(图3(a)中R 1),能实现加速腔磁芯的自动复位[14],但复位预脉冲会叠加在主脉冲上对其幅度产生影响,且对A B 脉冲的影响程度不同㊂由于脉冲A 和B 为同一功率源产生,幅度不能独立调节,只能通过调节R 1阻值和组元工作电压来确保双脉冲幅度的一致性,这导致最佳工作电压确定后其调节范围极其有限,给加速器的调试和运行带来诸多不便;最后,在多脉冲L I A 带束调试时总是希望能先利用单脉冲进行粗调,在干扰最小的情况下确定各系统是否达到设计指标,以提高调试效率,而双脉冲组元并不具备产生单脉冲的能力,这必然会增加加速器带束调试的难度㊂3 基于传输线延时的2B 2C 双脉冲加速组元采用传输线延时方法,由于在双脉冲间隔㊁幅度一致性和脉冲数量三方面均难以进行调节,虽然在单组元上获得了满足要求的双脉冲波形,但对于双脉冲L I A 的整体调试和运行却不容乐观㊂针对双脉冲组元的不足,在不增加组元结构复杂性的前提下,仍以传输线延时为基础,设计了一种新型的双脉冲组元结构,在实现脉冲数量可选及双脉冲幅度独立可调的同时,大幅降低了预脉冲对主脉冲的影响,提高了波形质量的稳定性㊂如图4(a )所示,新的双脉冲加速组元由两根B l u m l e i n 线㊁两个加速腔㊁一根延时传输线和多根高压电缆组黄子平等:高重复率猝发高压多脉冲加速组元055102-4成,简称为2B 2C 组元,为方便区分,原双脉冲加速组元简称为1B 1C 组元㊂2B 2C 组元中,形成线和延时传输线阻抗均为12Ω,延时传输线电长度500n s ㊂B l u m l e i nA 通过高压电缆分别与两个加速腔连接,B l u m l e i nB 则通过延时传输线后再用高压电缆分别与两个加速腔连接㊂F i g .4 S k e t c hm a p a n dv o l t a g ew a v e f o r mf o r 2B 2Cd o u b l e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e 图4 2B 2C 双脉冲加速组元示意图及腔压波形2B 2C 组元中每两个加速腔共同使用一根水介质延时传输线和一个复位电阻,双脉冲幅度可以通过调节两根B 线的充电电压来独立调节㊂由于复位电阻仅安装在B l u m l e i nB 的输出端,且阻值较小,预脉冲对加速腔磁芯复位的贡献主要来自于B l u m l e i nA 的充电过程,因此磁芯复位效果与复位电阻阻值和加载电压幅度的相关程度较小㊂2B 2C 组元的典型双脉冲波形如图4(b )所示,其中脉冲A ,B 的幅度可以独立调节㊂在不同的工作电压下,两种双脉冲组元的预脉冲和主脉冲A 的波形如图5所示㊂图5(a )为1B 1C 组元的波形,当工作电压变化时,预脉冲波形发生明显变化,影响主脉冲的起始电压和平顶质量;图5(b )为2B 2C 组元的波形,工作电压的变化对预脉冲波形基本不产生影响,主脉冲平顶质量稳定㊂F i g .5 V o l t a g ew a v e f o r m s f o r t h e t w ok i n d s o f d o u b l e -p u l s e i n d u c t i o nm o d u l e sw i t hd i f f e r e n t c h a n g e v o l t a g e 图5 不同工作电压下两种双脉冲组元的预脉冲和主脉冲波形如仅对B l u m l e i nA 加压,则延时线和B l u m l e i nB 相当于B l u m l e i nA 的匹配负载,可在加速腔上得到单脉冲腔压,因此组元可在单㊁双脉冲模式间快速转换㊂调节B l u m l e i nA 和B 的触发时间,可对双脉冲间隔进行小范围调节,当加速器整机带束调试确定了最佳脉冲间隔后,在不增加触发源的前提下,只需更换初级触发源到对应初级发散装置的触发电缆,即可完成对所有组元脉冲间隔的调节㊂4 结 论本文详细介绍了采用形成线并联和传输线延时两种技术路线获得高重复率猝发高压多脉冲的两种加速组元的技术特点和应用背景㊂基于形成线并联的多脉冲组元,理论上可实现任意多个脉冲的产生,且脉冲间隔任意可调,是目前多幅闪光照相用多脉冲L I A 的最佳选择,但该路线所涉及的初级触发源和高压开关的数量与脉冲数量成正比,且硅堆隔离网络的使用对高压脉冲的平顶宽度产生了一定的影响,因此系统的复杂性和可靠性维护成本较高;基于传输线延时的多脉冲组元,只能实现双脉冲的产生,系统相对简单,可靠性维护成本较低,适用于对稳定性有特殊要求的多幅闪光照相需求,但其在脉冲幅度和间隔的调节及单双脉冲的模式转换上存在着较大的困难,不利于加速器的调试和运行㊂本文对双脉冲组元结构进行了优化设计,在传输线延时的基强激光与粒子束黄子平等:高重复率猝发高压多脉冲加速组元础上,借鉴形成线并联的思想,利用两根B l u m l e i n形成线分别产生脉冲A和B,使得新的2B2C组元结构在维持原双脉冲加速组元主要优点的同时,显著提高了双脉冲组元的自我调节和环境适应能力,降低了未来双脉冲L I A的调试和运行难度㊂参考文献:[1]邓建军.直线感应电子加速器[M].北京:国防工业出版社,2006:1-12.(D e n g J i a n j u n.L i n e a r i n d u c t i o n e l e c t r o n a c c e l e r a t o r.B e i j i n g:N a-t i o n a lD e f e n s e I n d u s t r y P r e s s,2006:1-12)[2] S c a r p e t t iR,N a t hS,B a r r a z a J,e t a l.S t a t u s o f t h eD A R H T2n d a x i s a c c e l e r a t o r a t t h eL o sA l a m o sN a t i o n a l L a b o r a t o r y[C]//P r o c e e d i n g so f P A C07.2007.[3] D e n g J i a n j u n.T h eD r a g o n-Ⅱ,at r i p l e-p u l s eh i g h p o w e r l i n e a r i n d u c t i o na c c e l e r a t o r[C]//T h e5t hE u r o-A s i a nP u l s e dP o w e rC o n f e r e n c e.2014.[4]石金水,邓建军,章林文,等.神龙二号加速器及其关技术[J].强激光与粒子束,2016,28:010201.(S h i J i n s h u i,D e n g J i a n j u n,Z h a n gL i n w e n,e t a l.D r a g o n-Ⅱa c c e l e r a t o r a n d i t s k e y t e c h n o l o g y.H i g hP o w e rL a s e r a n dP a r t i c l eB e a m 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i p i n g, L i J i n, L iY u a n, C h e nS i f u, G a oF e n g(K e y L a b o r a t o r y o f P u l s e dP o w e r,I n s t i t u t e o f F l u i dP h y s i c s,C A E P,P.O.B o x919-106,M i a n y a n g621900,C h i n a)A b s t r a c t: A s t h e l i g h t s o u r c e t o p r o v i d em u l t i-t i m e r a d i o g r a p h y,m u l t i-p u l s e l i n e a r i n d u c t i o n a c c e l e r a t o r(L I A)n e e d s e a c h o f i t s a c c e l e r a t i n g m o d u l e t o p r o d u c e s e v e r a l i n d u c t i o n p u l s e s i n~μs,w i t h~100n s p u l s ew i d t ha n d~200k V p u l s ev o l t a g e. T w ok i n d s o fm u l t i-p u l s ea c c e l e r a t i n g m o d u l e sa r e i n t r o d u c e da n dc o m p a r e di nt h i s p a p e r,o n e i sb a s e do n p u l s ef o r m i n g l i n e (P F L)p a r a l l e l c o n n e c t i o n m e t h o d,t h eo t h e r i sb a s e do n p u l s et r a n s m i s s i o nl i n e(P T L)t i m e-d e l a y m e t h o d.A n e w d e s i g no f d o u b l e-p u l s e a c c e l e r a t i o nm o d u l e i s a d v a n c e d,a n d t h e p r i n c i p l e e x p e r i m e n t s r e s u l t s a r e d i s c u s s e d.K e y w o r d s: m u l t i p l e p u l s e s;a c c e l e r a t i n g m o d u l e; P F L p a r a l l e l c o n n e c t i o n; P T Lt i m e-d e l a yP A C S:29.20.E j;41.20.G z;84.30.N g;84.70.+q055102-5。

第15卷　第5期强激光与粒子束Vol.15,No.5 2003年5月HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS May,2003　文章编号:　100124322(2003)0520502203“神龙一号”直线感应加速器物理设计Ξ邓建军1,2,　丁伯南2,　王华岑2,　戴光森2,　程念安2,　章林文2,　张开志2,　戴志勇2,　石金水2(1.清华大学工程物理系,北京100084;　2.中国工程物理研究院流体物理研究所,四川绵阳621900) 摘　要:　介绍了“神龙一号”直线感应加速器物理设计的主要考虑。

“神龙一号”加速器是一台电子直线感应加速器,由3.6MeV感应迭加型注入器、72个感应加速腔、脉冲功率系统、束流输运和聚焦系统、控制系统和真空、绝缘油、绝缘气体以及去离子水系统组成。

能产生20MeV、束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns的强流脉冲电子束,X光焦斑均方根直径为1.5mm。

关键词:　直线感应加速器;　脉冲功率;　束流输运和聚焦;　物理设计 中图分类号:　TL53 文献标识码:　A 近年来随着闪光照相对分辨率的要求不断提高,为获得更小的焦斑,对电子束品质的要求也越来越高,促进了直线感应加速器(L IA)技术的快速发展;1999年底法国和美国相继建成了直线感应加速器A IRIX[1]和双轴流体动力学试验设备的第一轴DARHT2I[2],美国还正在建造能进行四幅照相的第二轴DARHT2II,预计2004年完成,届时DARHT2II能在2μs内进行四个时刻的闪光照相实验[3]。

英国原子武器研究中心(AWE)也计划建造能进行五个方向照相的五台感应叠加器,并正在建造其中的一台[4]。

本文主要介绍正在中国工程物理研究院流体物理研究所研制的“神龙一号”直线感应加速器的物理设计。

1　“神龙一号”直线感应加速器主要技术指标 “神龙一号”(Dragon2I)L IA是一台能量为20MeV,束流大于2.5kA,脉冲宽度为60ns,焦斑均方根直径为1.5mm的强流脉冲电子直线感应加速器,它利用的是电磁感应原理[5],由一台3.6MeV注入器、72个加速腔组成的加速段、脉冲功率系统、束流输运系统、控制系统及辅助系统组成,表1给出了其总体设计指标及与国内外同类装置指标的对比,括号内为实际达到的束流。

第三章作业及答案1、 如何对高压加速器进行分类。

答：高压型加速器分为高压倍加器和静电加速器两种。

高压倍加器：1串激倍压加速器2并激倍压加速器（高频高压加速器）3 绝缘磁芯加速器4 强脉冲加速器静电加速器：1 单级加速器2 串列加速器2、 解释以下名词：电压降、纹波 、临界气压现象、剥离器。

电压降：高压发生器中倍压线路主电容器通过负载放电而导致输出电压的下降。

纹波：高压发生器中倍压线路主电容器通过负载放电后，实际输出电压围绕平均输出电压的波动。

临界气压现象：对于正离子静电加速器，气压增大到一定值时会出现临界气压现象。

此时，在针尖对平板的电晕喷电系统中，间隙的火花放电击穿电压会突然下降，变得与电晕放电的起始电压相等，因此击穿前不再出现电晕放电。

这使得利用电晕放电实现喷电的输电系统无法工作。

临界气压的大小与气体种类和喷电装置电极的几何形状有关。

剥离器：串列加速器中，将离子源所产生的（高电荷态）负离子中的电子剥离并转变为正离子的装置。

3、 一台倍加器，给定级数为N=5，V a =110kV , C=0.02μF ，f=50Hz ，I=2mA 。

求V max ，V ，ΔV ，δV 和 δV/V 各为多大？ 解：32max 43V 2()6a N N N i NV fC+-=-=9.1*105 V (1)4N N i V fCδ+==1.5*104 V max V V V δ=-=8.95*104 VV 2a NV V ∆=-=2.05*105 VV Vδ=1.7%4、下图1中虚线框内是串列加速器的原理示意图，其中加速管的中部b 处有很高的正电势U ，a 、c 两端均有电极接地(电势为零)。

现将速度很低的负一价碳离子从a 端输入．当离子到达b 处时．可被设在b 处的特殊装置将其电子剥离，成为n 价正离子，而不改变其速度大小，这些正n 价碳离子从c 端飞出后进入一个与其速度方向垂直的、磁感应强度为B 的匀强磁场中．在磁场中做半径为R 的圆周运动．已知碳离子的质量m=2.0×10-26kg ，U=7.5× 105 V ，B =0.50T ，n=2，基元电荷e= l.6×l0-19 C ，求R 。