This paper provides a review of the compact intense electron-beam accelerators (IEBAs) based on liquid pulse forming lines (PFLs) that have been developed at the National University of Defense Technology (NUDT) in China. The history and roadmap of the compact IEBAs used to drive high-power microwave (HPM) devices at NUDT are reviewed. The properties of both de-ionized water and glycerin as energy storage media are presented. Research into the breakdown properties of liquid dielectrics and the desire to maximize energy storage have resulted in the invention of several coaxial PFLs with different electromagnetic structures, which are detailed in this paper. These high energy density liquid PFLs have been used to increase the performance of IEBA subsystems, based on which the SPARK (Single Pulse Accelerator with spark gaps) and HEART (High Energy-density Accelerator with Repetitive Transformer) series of IEBAs were constructed. This paper also discusses how these compact IEBAs have been used to drive typical HPM devices and concludes by summarizing the associated achievements and the conclusions that can be drawn from the results.

以强流脉冲电子束为研究对象, 提出了一种基于离散时间、限定靶面位置, 通过测量靶面不同时刻入射角分布, 利用蒙卡程序计算得到电子束的能量(r,z)二维分布沉积值的方法。给出了典型弱箍缩平板二极管(电压峰值700 kV、阻抗7 Ω)阳极靶面不同位置时域的能量沉积值, 分析了(0,0°), (25 mm,135°), (36 mm, 270°)三个位置纵切剖面的能量沉积特性, 结果表明: 在各个时间段内电子束入射能量确定的情况下, 能量沉积特性与入射角呈现相关性, 仿真结果与实验结果符合较好, 偏差均小于10%; 距阳极靶心25 mm以外的靶面位置, 受束流箍缩影响, 入射角分布变化较大; 当入射角较小时(小于40°), 强流电子束能量沉积峰值深度约0.2 mm; 当入射角超过40°时, 能量沉积峰值深度减小到0.1 mm左右; 而阳极靶心位置附近, 受束流箍缩影响较小, 这些位置的能量沉积特性更接近于小角度入射角情形。

针对电容储能型重频强流电子加速器对自动控制的要求, 研制了一套基于LabVIEW和PIC单片机的远程触发控制系统。本系统用普通的数据采集卡和单片机硬件实现了复杂的电路控制和时序控制, 具有信号采集、调用表格数据、控制晶闸管触发等功能, 以实现储能电容对变压器原边电容的稳定谐振充电。将该控制系统应用在重频强流电子加速器平台, 重复频率运行时, 能够保持原边电容充电的一致性和稳定性, 系统长时间运行可靠、稳定、抗干扰能力强。

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。

通过在强磁场条件下,利用环形刀口石墨阴极(刀口尺寸38~39 mm)开展电子束轰击收集极内表面铜箔和垂直轰击金属靶片实验,对无箔二极管中电子束的空间密度分布进行了初步研究,并对其产生原因进行了分析。研究结果表明,电子束径向分布在37.2~40.2 mm,存在密度较高区域(38.8~39.4 mm)和密度最大值点(39.2 mm),且均偏向于阴极外侧。无箔二极管环形阴极爆炸发射产生电子束的径向密度分布可用偏态分布近似。

对触发开关和主开关产生电磁辐射的机理进行了详细的分析, 将气体开关导电通道等效为电偶极子, 理论分析了其辐射电磁波的空间分布, 以同轴电缆为实验对象, 研究了电磁辐射的干扰。实验测量了触发开关和主开关的电磁辐射信号, 结果表明, 运用偶极辐射等效可以很好地描述二者的辐射特性。在强流电子束加速器产生电磁辐射的时刻, 同轴电缆中感应出了一定强度的电流, 幅值达3 V, 已经足以对其他信号的准确测量产生影响。

研制了一种结构简单、拆装方便的自积分电容分压器，用于测量强流电子加速器二极管输出电压。介绍了电容分压器的结构,计算了其电容量，并通过仿真的方法分析了前端电阻及其杂散参数对测量波形的影响,结果表明：当前端电阻杂散电容较大时，测量波形出现过冲现象; 而前端电阻对地电容较大时，会影响测量波形的前沿。将电容分压器用于测量强流电子加速器二极管输出电压，并运用水电阻分压器对其进行了标定，所测得波形与电阻分压器基本一致，分压比为563 007，可以用于测量半高宽为100 ns的高压脉冲。

采用粒子模拟(PIC)方法模拟了强流电子束在薄磁透镜中的聚焦。建立了强流电子束的聚焦模型，模拟了“神龙一号”加速器某次实验的结果，得到的模拟结果非常接近实验值，证明采用建立的PIC模型模拟强流束经过磁透镜时的聚焦是可信的。应用此模型模拟了电子束参数(入射半径、发射度、能散度、相位角等)对焦斑直径的影响,结果表明：在模拟条件下，电子束平行入射时最佳束包络半径位于20.0~22.5 mm；发射度和能散度对焦斑直径的影响和理论公式吻合得较好；只有入射电子束包络半径和相位角匹配时才能得到小的焦斑直径。

强流电子束加速器运行时，临近的计算机和示波器会发生黑屏，这是由于在该过程中产生了较强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法，对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和分析。结果表明：强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程。其中，初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大，其强度最大处在与开关相同高度的位置。此外，强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射，主频为21 MHz。