采用自主研发的三维粒子模拟软件对三腔介质壁加速器进行系统仿真,在此基础上,计算三个腔质子的渡越时间并实现腔体间的时序优化设计。外加电压峰值100 kV,顶宽1 ns,半高宽10 ns,绝缘微堆厚度2.0 cm,质子初始束能40 keV,加速电极添加钨网,模拟结果显示: 当电压持续6.5 ns时, 进入高梯度绝缘微堆的H+通过第一腔能得到最大加速效率90.84%,相应的渡越时间为5.668 ns; 当第二腔电压触发落后第一腔4.5 ns时, H+通过第二腔获得最大加速效率94.77%,相应的渡越时间为3.545 ns; 当第三腔电压触发落后第二腔3.0 ns时, H+通过第三腔获得最大加速效率97.30%,相应的渡越时间为3.018 ns; 最大能量H+渡越三个腔体的总时间为12.231 ns,H+总体加速效率94.31%; 当质子束中心进入第一腔时刻落后脉冲电压触发6.5 ns,且一二腔和二三腔电压触发延时分别为4.5 ns和3.0 ns情形下,能将2.5 ns长度的质子束中的H+实现90%以上的加速,4.0 ns长度的质子束中的H+实现80%以上的加速。

为了在介质壁加速器中增大轴向加速电场,提高加速梯度的同时抑制径向电场对束包络的扩张,提出了在每个加速电极上添加金属栅网结构。采用基于粒子云网格方法的电磁粒子模拟软件对不加栅网与添加栅网的电极结构进行了数值仿真,分析了不同结构下加速管道中的电场分布和束包络变化。通过实验对比了两种不同结构下经过相同的加速长度获得的粒子能量。结果表明: 添加金属栅网结构相对于不加栅网的金属小孔式结构,轴向加速电场强度提高20%,同时径向电场得到有效抑制; 栅网结构下,被加速的粒子束在自由漂移空间中的径向发散基本得到抑制; 在相同的加速长度下加速H+3粒子,栅网结构得到的能量增益提高了一倍。

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。

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。

介绍了应用于介质壁加速器的小间隙异面电极结构的光导开关。所用光导开关为异面结构的砷化镓(GaAs)光导开关, 电极间隙5 mm, 偏置电压为15~22 kV脉冲高压, 工作在非线性(高增益)模式, 由半导体激光器产生的脉冲激光触发。脉冲激光的中心波长为905 nm, 脉冲宽度(FWHM)约20 ns, 前沿约3.1 ns, 抖动小于200 ps, 峰值功率约90 W。实验结果表明: 光导开关的偏置电压较低时, 开关寿命较长, 导通性能较差; 偏置电压较高、驱动脉冲激光功率较大时, 开关导通性能较好, 寿命较短。

介绍了介质壁加速器(DWA)的原理和几种可能实现的结构。通过对多层介质圆柱的平面波电磁散射的研究，用FORTRAN语言编写程序计算和分析了DWA加速管三层介质柱体结构的平面波电磁散射的散射宽度与几何结构参数、材料参数的关系，用以优化设计介质壁加速管结构。计算结果表明：当加速管材料和等势环介电常数一定时，平面波电磁散射宽度随半径增大而增大；当加速管内外径一定时，加速管材料和等势环介电常数增大时散射宽度变化不明显，但最小散射宽度显著减小。当加速管半径和材料一定时，总能找到使散射宽度达到最小的等势环介质厚度。

为了研究尾场效应引起的束流不稳定性,建立了由非对称Blumlein脉冲形成线、导体层和微堆层构成的介质壁加速器单元模块模型,用有限积分法对强流电子束在此结构中产生的尾场进行了计算,分别计算单组元和2组单元加速模块中的尾场势和尾场阻抗。从模拟的结果来看,x,y方向的尾场势和尾场阻抗都很小,束流尾场对横向的影响比较小。z方向的尾场势和尾场阻抗影响较大,尾场阻抗达到100 Ω量级。证明了由于介质壁加速器结构在加速腔长度和束流通过路径的连续性方面都具有很大的优势,横向阻抗小,束流尾场效应在束流不稳定性方面的影响相对较小,束流传输时的要求也会降低。