“闪光二号”加速器运行状态分析及维护

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第24卷第3期 2012年3月 强 激 光 与 粒 子 束 HIGH POWER LASER AND PARTICI E BEAMS Vo1.24,No.3 Mar.,2012 

文章编号: 1001—4322(2012)03—0703—03 

“闪光二号"加速器运行状态分析及维护 

任书庆, 黄建军, 张永民, 张玉英, 杨 莉, 程 亮, 来定国, 姚伟博 

(西北核技术研究所,西安710024) 

摘要:介绍了“闪光二号”加速器在实验运行过程中,Marx发生器、水介质同轴线和二极管的常见故 障。Marx发生器200 kV气体开关、水介质同轴线的主开关和预脉冲开关、二极管阴极表面电场和阴阳极间隙 等是各部分出现故障的主要原因,针对故障采取相应的维护措施和注意事项,可实现“闪光二号”加速器正常稳 

定的运行。 关键词: 闪光二号加速器;运行维护;故障分析;表面电场; 间隙 中图分类号:TM836 文献标志码: A doi:10.3788/HPLPB20122403.0703 

“闪光二号”加速器是国内束流最强的低能强流相对论电子束加速器。加速器建成使用以来,在核测试技 

术研究、抗辐射加固技术研究和高新技术研究等方面发挥了重要作用。近年来,为了拓宽“闪光二号”的应用范 围,在“闪光二号”加速器上又先后开展了高能注量电子束二极管系统的研制_1]、离子束产生和应用技术研 究 、多路并联和同步触发技术研究 等多项科研实验工作。“闪光二号”加速器运行和维护是其稳定工作的 

一个主要方面。“闪光二号”加速器是一台环节较多、单元部件复杂的机器,其主体主要由Marx发生器、水介 

质同轴线(包括3根并联形成线,3个并联气体主开关、传输线、预脉冲开关和输出线)和二极管组成。总结分 析加速器的运行状态和出现故障的原因,对装置的稳定运行和实验任务的完成具有重要意义。本文针对加速 器运行过程中,Marx发生器、水介质同轴线和二极管的典型故障及问题进行分析研究,并给出了解决方法。 

1 Marx发生器故障分析 

Marx发生器是“闪光二号”加速器的初级储能单元,它采用电容器并联充电、串联放电的原理产生高压脉 冲,对形成线进行谐振充电。发生器包括36个电容、18个200 kV三电极气体火花开关、充电电阻、触发电阻 

和接地电阻。发生器的不稳定性主要原因就是200 kV火花开关工作不稳定。 Marx发生器运行期间常见故障是发生器自放、发生器不能完全建立或不能正常升压,这些都是由于发生 器内的开关性能不稳定引起的。发生器火花开关是充SF。气体带中间触发盘的三电极气体开关 ],当18个三 

电极气体火花开关的自击穿特性不稳定,特别是由于个别开关分散性变大时,会发生个别开关耐受电压降低, 

提前导通或因耐受电压过高不能正常外触发。要提高发生器的工作稳定性、可靠性,减小自放率,就要提高单 个开关的直流耐受电压,减小它的击穿电压偏差,使得每个开关的击穿电压接近,并且击穿分散性小。只有保 证了所有开关的同步工作,发生器才能正常稳定地运行[4 ]。在开关工作中,造成开关工作的不稳定性主要有 

两点:一是绝缘筒壁滑闪;二是击穿电压分散性变大。检修发生器时,一定要保证绝缘筒壁的洁净和干燥,安装 

开关时要使内部各部件保持固定距离,开关充气接头处保证不能漏油。通过多年的维护检修和实验数据分析, 我们得到了气体开关的寿命一般在500发左右,当运行寿命到达 500发时,需要对发生器内的开关进行彻底的维护。另外,开关充气 

气压也要根据单级充电电压不同进行调整,避免主机发生自放。表 1给出了一般情况下,发生器开关单级充电电压与充气气压的关系, 

实验运行中,根据实际情况可以进行微调。 ・ 

2水介质同轴线故障分析 

“闪光二号”加速器水介质同轴线包括3根并联的形成线、3个 

并联的气体主开关、传输线、预脉冲开关和输出线,其中常出现故障 表1开关在不同电压等级下的气压 Table 1 Pressure of Marx switch under different charging voltages single-stage charging voltage/kV pressure /MPa 40 5O 60 70 0.04 O.O6 O.O9 O.11 

*收稿日期:201卜l1—01; 修订日期:201卜1卜29 作者简介:任书庆(1969 ),男,主要从事脉冲功率技术研究和应用;751759438@qq.corn。

 704 强 激 光 与 粒 子 束 第24卷 

的主要是3个并联的3 MV气体主开关和预脉冲气 

体开关。 2.1气体主开关 

“闪光二号”加速器脉冲形成主开关采用了图1 所示的3 MV多级多通道气体开关l6],且3个开关并 

联运行,开关的稳定运行直接影响到装置的正常运 行。影响主开关稳定运行的因素除了同步触发系 

统[7]的原因外,主开关自身的静、动态特性是关键因 

素,其加工处理工艺是影响自身特性的主要原因。通 过实验数据分析,结合开关运行维护情况,得出影响 

开关性能的因素主要有:一是开关绝缘筒沿面绝缘性 能;二是开关触发隔离电阻;三是开关电极加工处理 

工艺以及装配。为此,制定了严格的安装处理工艺。 6 

1.nylon brace;2.PMMA insulator envelope: 3.electrode self-breakdown gaps;4.insulator supporting bracket 5.trigger gap;6.trigger—input separation resistance; 7.inner supporting bracket insulator Fig.1 Schematic of 3 MV multi-gap multi-channel gas switch 图1 3 MV多级多通道气体开关结构示意图 

安装前,所有电极要在200℃的高温下烘烤6 h,待自然降温后开始安装。安装过程中要保证各关键部件的尺 

寸;对于触发引入的隔离电阻要采用热缩管予以封装,以提高其寿命;绝缘筒保证沿面的清洁,不能有任何杂质 与气泡。此外需要注意的是,开关紧固拉杆的加工不能用尼龙杆,必须采用板料。经过严格步骤的安装,3个 

开关在触发脉冲的作用下,可以同步工作。 2.2预脉冲开关 预脉冲开关为4个并联的气体自击穿开关,开关镶嵌在预脉冲有机玻璃隔板上。开关的作用是抑制预脉 冲电压,陡化主脉冲前沿[】]。预脉冲开关的工作稳定性直接关系到二极管工作的稳定。要抑制不同的预脉冲 

就要改变所充气体气压,对于不同电压必然存在最佳气压,只有当气压调节到开关的耐受电压附近时,才能够 

真正起到抑制预脉冲的作用,气压过高或过低都将影 响主脉冲的输出。表2给出了发生器单级几种充电电 压下的预脉冲开关气压范围。 要使4个并联的预脉冲开关工作稳定,必须提高 

4个开关击穿电压的一致性,降低单个开关击穿电压 

标准偏差,使单个开关击穿电压分散性尽量降低。这 就要求预脉冲开关在每次拆下处理时,必须严格要求 

处理开关的每一道工序,使开关电极球头表面尽可能 保持一致、绝对避免灰尘及杂质附着开关电极球头,还 

要精确确定4个开关电极间距,使其保持一致。 此外由于开关内所充SF。气体的纯净度等问题, 机器运行一段时间后,由于放电所产生的杂质会附着 

在绝缘筒内壁,导致开关绝缘性能下降,开关内壁发生 滑闪现象,开关分散性明显增大;特别是若气体当中含 

有少量水蒸气时对开关的稳定影响更大。表3给出了 单个预脉冲开关在运行前的10次自击穿电压数据和 

运行后的1O次自击穿电压数据。可以看出,经一段时 间运行后,开关分散性由运行前的0.32 kV增大到1. 

34 kV,并且运行后的开关内表面明显附着一层杂质 且表面有滑闪痕迹。为延长预脉冲开关的寿命,有必 表2预脉冲开关各电压等级下的气压设定 Table 2 Pressure of pre-pulse switch under different charging voltages single—stage charging voltage/kV pressure/MPa 5O 6O 6O 7O 0.2O~0.35 O.25~0.30 0.32~0.38 0.45~0.5O 表3预脉冲开关运行前后自击穿电压比较 Table 3 Self-breakdown voltage comparson of pre-pulse switch before and after running 

要给预脉冲开关气路中增加气体干燥净化装置,增大SF。气体的纯度。 

3二极管故障分析 

对于“闪光二号”加速器二极管,常见问题是二极管发生短路、断路或沿面滑闪。影响其工作状态稳定的因 

1第3期 任书庆等:“闪光二号”加速器运行状态分析及维护 705 

素主要有阴极表面状态、横纵比(阴极半径比阴阳极间隙)、阳极材料、有机玻璃绝缘大板的处理等。“闪光二 

号”加速器阴极采用 ̄180-- 220 mln平板型石墨,根据二极管阴极发射的特点,尽可能使阴极表面电场均匀。 在处理阴极时,要保证阴极表面的表面粗糙度和洁净度,对阴极周围要进行导角处理,避免阴极强点发射;选择 

合适的阴阳极间隙对二极管工作的稳定性也很重要,在2 Q二极管中阴阳极间隙应保持在(11±0.2)mm,每 次运行,都要采用深度游标卡尺对阴阳极间隙准确测量;二极管阳极膜采用镀铝聚酯薄膜,安装时要尽量避免 

阳极膜的褶皱和破裂,以免导致二极管短路。 

4 结 论 “闪光二号”加速器是一台环节多、结构复杂的大型设备。运行期间出现的故障也是多样的,所涉及到的面 也相当广,本文只是就“闪光二号”运行维护过程中,Marx发生器、水介质同轴线、二极管三部分的运行与故障 

维护进行介绍,针对每部分出现故障的原因分析其维护措施和注意事项,这些结果对于大型设备的运行维护有 

一定的参考意义。 

参考文献: [1]邱爱慈,张永民,罗志宏,等.新的高能注量电子束二极管系统[J].强激光与粒子束,2003,15(4):377 381.(Qiu Aici,Zhang Yongmin,Luo Zhihong,et a1.A new diode system for high fluence electron beam.High Power Laser and Particle Beams,2003,15(4):377—381) [2]杨海亮,邱爱慈,张嘉生,等.“闪光二号”加速器HPIM的产生及应用初步结果[J].强激光与粒子束,2004,53(2):406—412.(Yang Hailiang。 Qiu Aici,Zhang Jiasheng,et a1.Preliminary research results for generation and application of high power ion beams on FlashⅡaccelerator. High Power Laser and Particle Beams,2004,53(2):406—412) [3]张永民,邱爱慈,黄建军,等.几项新技术在“闪光二号”加速器上的应用EJ].强激光与粒子束,2008,20(5):876—880.(Zhang Yongmin,Qiu