神龙二号加速器是一台以MHz猝发率猝发工作的三脉冲直线感应电子加速器。该加速器输出的三脉冲电子束, 相邻两脉冲间最小时间间隔300 ns, 而且可调, 每个脉冲电子束的电子能量18~20 MeV、束流强度大于等于2 kA。当电子束与轫致辐射转换靶相互作用时, 可产生三个强X光脉冲, X光斑点尺寸小于等于2 mm(FWHM), 距靶1 m处照射量大于等于7.74×10-2 C/kg (300 R)。该加速器涉及的主要关键技术包括三脉冲功率源设计、三脉冲强流高品质电子束源的产生、加速场建造、束流传输线设计、轫致辐射转换靶设计、测量与诊断技术等。

基于绝缘微堆技术的直线加速器由于其能够实现较高的粒子加速梯度, 尤其在质子加速及肿瘤治疗领域的优势得到高度关注。目前该种加速器处于研发阶段, 有一系列技术和工程问题有待解决。介绍了课题组在过去的两年里围绕建立一台1 MeV质子注入器原型样机在固态脉冲功率系统、绝缘微堆及质子束源等方面取得的研究进展。实现了耐压梯度接近20 MV/m的环形绝缘微堆样品, 样品内径30 mm, 外径50 mm, 厚度15 mm, 基本达到设计要求；固态脉冲功率系统实现了光导开关多路稳定工作模式, 开关直流偏置耐压达到20 kV, 采用激光二极管触发同步系统在15路同步时实现了低于1 ns的抖动, 输出300 kV的电压脉冲, 输出电压脉冲宽度10 ns；进行了低能质子加速束流动力学的初步分析和模拟工作, 模拟结果表明采用微堆结构可以实现质子束的有效加速和传输。

设计和研制了一种CaO-TiO2-Al2O3复合陶瓷平板固态脉冲形成线,以期用于介质壁加速器。该脉冲形成线的几何参数为：陶瓷介质长度300 mm,宽度15 mm,厚度1 mm；银电极长度280 mm,宽度2 mm。电性能参数为：相对介电常数约23.5,特征阻抗约26 Ω,电长度约4.5 ns,直流耐压场强大于20 kV/mm,在μs量级上升时间的脉冲电压下绝缘强度大于25 kV/mm。该固态脉冲形成线设计兼顾了光导开关的使用要求、高梯度绝缘子的设计指标、带电粒子束的输运及加速器的结构设计要求。结合GaAs光导开关,开展了固态Blumlein脉冲形成线实验研究工作,在脉冲充电电压约25 kV的条件下,固态Blumlein脉冲形成线实现脉冲电压输出约23 kV。

研究了一种结构紧凑型的多级层叠Blumlein纳秒脉冲形成线，从理论上分析了放电时回路各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出电压的影响，并利用PSpice模拟验证了各分布参数对层叠Blumlein脉冲形成线输出结果的影响，发现开关的导通电阻是制约输出电压幅值的主要因素，开关的分布电感对输出波形的影响大于负载分布电感的影响，基于时域有限差分法原理，利用XFDTD软件模拟了两级层叠Blumlein线的电磁耦合效应。开展了多级层叠Blumlein脉冲形成线实验，结果表明，基于陶瓷固态传输线和GaAs光导开关的层叠Blumlein脉冲形成线能够实现输出电压叠加，可用于产生ns量级脉宽的脉冲高压。

利用六波长瞬态光学高温计测量了“神龙一号”加速器发射的高能电子束与靶材作用后靶受作用区的温度变化过程。获得了厚度为0.1~0.25 mm的Ta, Al和Cu片靶与强流电子束作用后的温度变化过程, 最高温度接近9000 K, 达到了温密物质区域。实验结果表明, 利用“神龙一号”加速器发射的强流电子束与特定靶材作用可以获得可供观测的温密物质, 而多波长瞬态光学高温计是测量这种温密物质的温度变化的有效手段。

与普通绝缘子相比，高梯度绝缘子(HGI)的金属层与绝缘介质层交替排列结构可以抑制真空沿面闪络过程，从而提高沿面闪络场强。使用不同绝缘介质材料和金属材料采用不同加工制备工艺制备的HGI样品其沿面闪络场强差别较大。对所制备的绝缘介质层分别为聚酰亚胺、交联聚苯乙烯和尼龙，金属层为不锈钢箔，形状分别为圆柱与圆环型的HGI样品进行了真空沿面耐压测试，并对相同尺寸的纯绝缘介质样品进行了对照实验，得到了不同材料不同制备工艺HGI样品的耐压性能差异。结合样品表面显微照片观察得到的样品表面状况，分析了影响样品沿面闪络场强的因素。

电子回旋共振(ECR)质子源产生的脉冲质子束脉宽通常在ms或亚ms量级，高梯度加速结构要求注入的质子束脉宽为100 ns或更短，需要一个脉冲踢束器将大部分不需要的束流踢开，留下所需的短脉冲质子束。设计的踢束器采用静电偏转方法，针对在研ECR质子源的束流参数，设计了脉冲踢束器的结构尺寸，使用ANSYS软件计算了踢束器的静电场分布情况，利用软件内置的CMATRIX宏提取了结构电容的数据，给出了对脉冲踢束电源的参数要求，讨论了踢束脉冲上升沿和产生的束流脉冲上升沿的对应关系。

多脉冲强流电子束轰击轫致辐射靶，在靶面形成等离子体层,将对后续电子束脉冲的稳定性产生影响。从基本等离子理论出发，利用成熟的等离子体粒子模拟程序计算在不同等离子条件下电子束流的稳定性。模拟显示在无外场情况下，当等离子体与电子束的密度比小于1时，能量20 MeV、束流强度2.5 kA、焦斑1.5 mm的电子束出现腊肠不稳定性，但相对靶面焦点区而言，束流稳定；当密度比在1~100时，箍缩不稳定性能够改善电子束的聚焦；当密度比在100~1000时，扭曲不稳定性起主导作用，靶面焦点区电子束流仍然稳定；当密度比大于1000后，成丝不稳定性破坏束流，电子束无法在靶面聚焦。

计算了多脉冲相对论强流电子束入射钽-石墨叠靶的能量沉积和轫致辐射谱。能量沉积采用Geant4程序计算，轫致辐射谱根据基本的辐射理论和蒙特卡罗方法计算。结果显示，各层的热区能量沉积呈由大到小的递减分布，截面轫致辐射分布和电子束径向分布主要受钽层的影响。石墨层的低能量沉积率和高热容能改善叠靶的性能。对于单脉冲，钽-石墨层厚比为1∶1时，石墨能全部吸收相邻钽层的热沉积，轫致辐射效率为35.4%；4脉冲情况下，钽-石墨层厚比应为1∶13，总轫致辐射效率降到19.9%。考虑轫致辐射剂量和质量，钽-石墨两者的厚度比为1∶5时，钽层的总厚度应为1.2 mm；当钽-石墨层厚比为1∶10时，钽层的总厚应降到0.7 mm。

能量20 MeV、流强2.5 kA的电子束脉冲可以在数十ns的时间内将靶材料加载至温密物质状态，进而可以开展材料状态方程、电导率以及不透明度等的实验研究工作。介绍了在“神龙一号”加速器上开展温密物质实验研究的束靶作用方式以及相应的测试技术。对电子束在直径0.3 mm、长1 mm的金属靶丝内的能量沉积和流体动力学响应进行了数值模拟。结果表明:靶丝的温度随着靶材料原子序数的增加而上升，而靶丝内温度分布的均匀性随着原子序数的增加而降低；在电子束加载后40 ns时刻Ta丝内的最高温度可以达到约1.6 eV。