针对系统电磁脉冲效应研究需求, 项目组对“闪光二号”加速器进行了适应性改造, 以便于产生脉冲硬X射线。主要采用二次成形的水线结构, 重点进行了水开关设计, 并完成了实验调试。装置输出电压650 kV~1.3 MV稳定可调, 脉冲宽度60 ns, 前沿由改造前的80 ns缩短至改造后的30 ns, 在国内首次成功驱动串级二极管, 产生前沿29 ns、射线宽度约53 ns的脉冲硬X射线。

介绍了利用串级二极管产生大面积脉冲硬X射线的基本原理,建立了串级二极管的等效电路模型,分析了二极管串联工作过程,通过模拟计算给出了串级二极管工作过程的影响因素。串级二极管分压过程分为电容分压、阻抗和容抗分压、真空击穿后动态平衡及阻抗分压四个阶段,二极管电容和真空击穿电压是影响二极管串联初始阶段分压的主要因素,二极管的阻抗变化过程和二极管间隙的击穿时间差决定二极管分压的一致性。

研制了一台200 kV/200 kA脉冲源, 脉冲源由初级储能单元、水介质整形与传输单元、气体开关和负载组成。通过优化设计由2 Ω到1 Ω的水介质变阻抗线、高压气体主开关和陡化开关, 使得脉冲功率源在匹配负载下产生输出电压200 kV、电流200 kA、前沿40 ns、脉宽40 ns的高压脉冲。在此脉冲源平台上已开展了低阻抗1 Ω二极管发射特性研究, 并且将在高压气体开关、同步触发、二极管等离子体发射诊断等方面发挥作用。

确定了利用全吸收法测量硬X射线能注量的技术方案,阐述了能注量测量的基本原理。结合实际测量环境,选择光电管和高密度硅酸镥闪烁体作为测量系统,分析了各个测量组件参数的影响因素。利用蒙特卡罗程序模拟了硬X射线在闪烁体中能量沉积的轴向分布,并计算了光子的透射率,据此确定了硅酸镥闪烁体的厚度为20 mm。完成了准直系统和电磁屏蔽系统的设计,增加了信噪比。

采用高纯石墨环状阴极和有机玻璃绝缘子,研制了一套低阻抗大面积二极管系统。使用理论计算和数值模拟方法对二极管进行优化设计,在保证绝缘要求的同时,尽量优化二极管轴向长度和内外筒距离以减小二极管的回路电感。实验结果表明,优化后的二极管能在200 kV左右的电压上稳定工作,绝缘结构未发生击穿现象; 实验中最高输出电压为213 kV,电流为221 kA,特性阻抗约为1 Ω,电流密度为8 kA/cm2,脉宽(FWHM)为50 ns。

强流电子束二极管是强脉冲辐射环境模拟装置和高功率微波技术中的重要研究方向, 通过时间分辨光谱诊断研究阴极等离子体的特性是分析强流脉冲电子束二极管工作性能的可靠方法之一。 介绍了具有纳秒级时间分辨能力的光谱诊断系统及其工作原理、 系统组成和性能参数, 并阐述了低抖动同步触发系统的实现方法和时序关系。 同时, 针对强脉冲辐射模拟装置产生的强脉冲电磁辐射和强X、 γ射线辐射对光谱诊断系统造成严重干扰的情况, 设计了电磁屏蔽室和铅屏蔽室对诊断系统进行保护。 对黄铜阴极的等离子体进行时间分辨光谱测量, 实验结果表明, 随着二极管脉冲电压和电流的上升, 参与形成阴极等离子体的元素和物质成分明显增多。 该光谱诊断系统的时间分辨能力为10 ns, 最小可达2 ns, 同步触发系统的抖动小于4.0 ns, 为深入研究二极管的阴极发射机理开辟了新的技术途径。

利用Mach-Zehnder干涉仪测量了空气开关中等离子体电子密度分布, 使用高速分幅相机拍摄记录不同时延下的干涉条纹图像。针对实验获得的干涉条纹图像的特点, 提出了一种首先进行频域FFT滤波去噪, 然后进行空域二值化、细化的处理方法。该方法能够很好的消除图像噪声的影响, 提取出单像素的亮条纹中心线, 从而能够准确读取条纹坐标信息, 再通过对干涉条纹偏移量进行Abel逆变换, 得到等离子体电子密度分布。

模拟了强流电子束源阴极表面附近区域数密度约1014 cm-3的等离子体的膨胀过程，观察到等离子体膨胀速度约为1 cm/μs。通过观察不同时刻阴极附近电子和离子的相空间分布、数密度分布和轴向电场分布，分析了等离子体膨胀过程。结果表明:等离子体的产生使得阴极表面电场增强，进而增大阴极的电流发射密度，电流密度增加使得空间电荷效应增强，并使等离子体前沿处的电场减小，当等离子体前沿处的电场减小到零时等离子体向阳极膨胀。讨论了等离子体温度、离子质量、束流密度和离子产生率对等离子体膨胀速度的影响。结果表明:等离子体的膨胀速度随着等离子体温度升高而增大，随离子质量增大而减小，但膨胀速度不等于离子声速；等离子体产生率越小，等离子体膨胀速度越小。