介绍了一种传输线脉冲变压器(TLT)的最优化设计理论,在此基础上,研制了一台四级传输线脉冲变压器。所研制的TLT所使用的磁芯基本符合级间无耦合结构TLT最优化设计的要求。采用了柔韧性好的同轴电缆,绕制完成后各级次级线电感值大小分别为1.83,3.52和5.41 mH,符合预定目标。利用Blumlein作为脉冲源,对所研制的TLT进行了测试,测试结果表明:输入脉冲宽度150 ns,幅值10 kV,上升前沿20 ns,输出脉冲宽度150 ns,幅值约40 kV,上升前沿约20 ns,基本波形保持较好,但下降沿和尾部波形不理想,初步分析可能的原因是TLT输出端杂散电容电感引起的阻抗不匹配。此变压器可用于低阻抗陶瓷脉冲形成线输出端的阻抗变换。

提出了新型筒状双层闪络板等离子体枪及其驱动电路的设计方案。枪内层接脉冲高压,均布160个电弧点,每个电弧点由中心焊盘及填充TiH2粉末的外围凹槽组成,TiH2粉末用硅酸钠粘接于凹槽中;通过100 Ω电阻连接每个高压焊盘与接地端,电极间隙中产生等离子体。通过放电实验得出:当由3 kV,20 μF电容器驱动时,脉宽为1.5 μs、幅值约150 A的电流通过枪,产生的等离子体密度为1013~1014 cm-3,存在时间0.5 μs,等离子体定向速率达到5 cm/μs。实验证明:该闪络板等离子体枪可靠性强,可重复产生均匀等离子体。

介绍了输出电流幅值为1 MA,电流上升时间为100 ns的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)模块的设计。模块由48个子块并联组成,每个子块由2个电容器和一个多级气体开关串联组成。48个开关由8路高压脉冲触发,每路高压脉冲(100 kV/50 ns)触发6个开关。电路模拟显示,在充电 90 kV条件下,输出电流幅值为1.04 MA,电流上升时间为84.5 ns(0~100%)和52 ns(10%~90%)。电路模拟时的参数设置以实验数据为基础,开关的工作条件与已研制成功的100 kA-LTD模块中的开关工作条件近似,模块设计工作于腔体注油状态以保证高压运行安全,能够保证模块达到设计要求。

用磁开关取代传统冲击电压发生器的放电球隙,利用磁开关可高重复频率工作和磁压缩陡化的特点和冲击电压发生器“并联充电,串联放电”的特点,可形成重复频率快前沿高压脉冲。建造了基于磁开关的冲击电压发生器,试验表明:其重复频率可达1 kHz,在1 nF的电容负载上可形成17 kV,上升时间小于80 ns的高压脉冲。

依据电压脉冲在传输线中的传播特性,分析了将形成线和传输线构成封闭回路,使电脉冲在其中反复循环,从而在高阻负载上得到高压多脉冲输出的可能性,并进行了电路模拟研究。利用Blumlein脉冲形成线系统和400 kV高压电缆组成封闭回路,进行了高压实验研究,在高阻约1 kΩ负载上得到了大于200 kV的多个脉冲输出,脉冲宽度120 ns、间隔不超过400 ns。研究表明,利用脉冲循环方法可以在较高阻抗的负载上产生MHz重复频率的高压多脉冲串,其脉冲质量与形成线开关状态密切相关。

实验研究了聚四氟乙烯薄膜在重复频率纳秒脉冲下的击穿特性,选用脉冲上升时间约15 ns,脉宽30~40 ns,重复频率1~1 000 Hz。测量并计算了击穿前后的电压电流波形、重复频率耐受时间和施加脉冲个数与击穿特性密切相关的参数。结果表明,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿场强为MV/cm量级,重复频率耐受时间随施加场强和重复频率的增大而减小。薄膜本身性质及油浸时间使实验数据具有分散性,重复频率纳秒脉冲下聚四氟乙烯薄膜击穿应考虑重复频率条件下的热积累效应和材料缺陷。

使气体开关形成多通道放电是减小开关电感、通道电阻、电极熔蚀,提高开关寿命和稳定性的有效措施。设计了一种同轴场畸变气体火花开关,研究了开关在纳秒脉冲电压下的多通道放电现象。研究了脉冲电压上升速率与多通道放电特性的关系,比较了两种体积比的SF6/Ar混合气体多通道放电特性。实验结果表明:一定气压下,平均通道数随着脉冲电压上升率增加而增多,电流分布趋向均匀;相同脉冲峰值与气压比值,不同气压下,高气压下的通道数较多;SF6/Ar混合气体中,氩气含量较高情况下多通道放电特性较好。最后,结合J.C.Martin的多通道放电理论对实验结果作出了初步解释。

介绍了采用C-P组合开关产生双极脉冲和采用Blumlein线产生双极脉冲两种高功率双极脉冲产生技术,理想情况下,这两种双极脉冲形成线产生的双极脉冲电压峰-峰值均等于入射脉冲峰值电压的2倍。设计了相应的高功率双极脉冲形成线,并采用Pspice软件对形成线进行了模拟计算。在同一台高功率超宽带单极脉冲源上,分别对这两种双极脉冲形成线进行高压实验研究,结果为:C-P组合开关双极脉冲形成线在入射脉冲电压为855.5 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为812.0 kV、正峰电压为603.2 kV、半周期为720 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.65倍。Blumlein双极脉冲形成线在入射脉冲电压为652.0 kV、脉宽为2.1 ns的情况下,可以产生负峰电压为571.9 kV、正峰电压为550.4 kV、半周期为740 ps的双极脉冲,峰-峰值电压是入射脉冲峰值电压的1.72倍。

对应用在Tesla型强流加速器中的电子束二极管绝缘子进行了仿真,发现电场增强区域与实际发生击穿区域基本一致。从绝缘子沿面电场分布、电力线和绝缘子表面所成角度分布以及材料缺陷等方面分析了击穿发生的原因。认为材料中存在缺陷是导致绝缘子发生击穿的主要原因,局部场增强和非最优化结构设计促成了击穿的发生。对影响绝缘子沿面电场分布的同轴线关键位置进行了设计,得出了阳极倒角半径和阴极屏蔽环半径两个参量的最佳取值范围。

对“多铁性”脉冲形成线输出特性进行了研究。利用镍锌铁氧体-钛酸钡陶瓷复合多铁性材料制作了脉冲形成线。在不同的磁回路条件下得到了不同脉冲宽度的电脉冲方波,其中以高磁导率材料组合成的闭合磁回路得到了脉冲宽度约201 ns的方波输出。推算出脉冲形成线的相对介电常数接近2 000,相对磁导率大于1.4。基于有效磁导率的概念,分析了多铁性脉冲形成线几何构型对脉冲输出特性的影响。分析表明:平板状“多铁性脉冲形成线”的有效磁导率不仅取决于平板介质的磁导率,还取决于周围介质的磁导率,因而有效磁导率通常较小,其输出表现出明显的铁电性而只有“弱”的铁磁性;相比之下,同轴结构的“多铁性脉冲形成线”具有更高的有效磁导率,其输出可同时表现出强的铁电性和铁磁性,即更明显的“多铁性”。“多铁性脉冲形成线”有可能在紧凑型脉冲功率系统中获得应用。

设计了一种结构紧凑的陶瓷电容器型脉冲调制器,对其电路进行了理论计算,分析了主要参数对调制器输出波形的影响,并用PSpice软件建立电路模型进行验证,模拟结果与理论计算结果相符较好。该调制器能够产生上升前沿小于10 ns、脉宽30～40 ns、幅度为100～200 kV的可调高电压脉冲。该调制器用陶瓷电容器作为储能器件,用SF6作为绝缘介质,是一种无液体的脉冲调制器,具有结构紧凑、体积小、重量轻等特点。

对薄膜介质层绕式Blumlein线的特性参数进行了理论分析。采用Pspice软件对电路模型进行了计算,分析了开关电感、寄生电阻对负载输出波形的影响。结果表明:开关电感的存在使得负载波形前沿变缓,后延波形扭曲变差,寄生电阻会影响负载的电压输出效率。采用模拟软件对传输线中的电磁场分布进行了计算,结果表明薄电极边缘场畸变以及折叠弯曲部分的场变化是绝缘介质耐压必须考虑的因素。基于此理论分析,设计制作了一种新型薄膜介质Blumlein线,绝缘材料为聚酯薄膜,单层薄膜厚100 μm,电极为厚50 μm的铜皮,单元模块设计耐压50 kV。进行了三级模块串联叠加实验,充电25 kV,匹配负载输出60 kV,脉冲上升沿80 ns,脉冲宽度200 ns。

采用高质量半绝缘碳化硅(SiC)单晶材料制作了超快高耐压大功率SiC光电导开关。应用氟化氪准分子脉冲激光器作为激发光源,得到了脉宽为40 ns,上升沿为9.6 ns 的超快响应的电脉冲,开关的上升沿存在两个不同阶段。测试开关两端电压从1 kV到10 kV时开关导通的电压波形表明,开关的导通电阻随电压的增加不发生明显变化,开关在导通态时导通电阻在12 Ω左右。采用92 Ω精密电阻作为负载,计算得到开关两端外加11 kV电压时通过其电流峰值高达159 A,此时峰值功率达到1.4 MW,在此范围内未出现载流子饱和现象。

采用无感陶瓷电容器作为储能介质,相邻电容器采用宽度为2 cm、厚度为0.2 cm的金属铝条相连接,设计了2.5 Ω,200 ns低阻抗Blumlein型脉冲形成网络。理论计算表明,当频率等于2.5 MHz时,相邻电容器之间导线的高频电阻约为3.2 mΩ;基于Pspice仿真软件的模拟结果表明,设计的脉冲形成网络能量传递效率可以达到9492%;实验研究结果表明,在2.6 Ω负载条件下,该脉冲形成网络的电压传递效率约为93.53%,能量传递效率约为93.22%。实验结果与理论分析结果基本吻合。

设计了Z箍缩实验装置中单路模块样机的低阻抗水介质三平板结构的传输线。根据三平板传输线的结构参数及相关计算公式,得到所设计的三平板传输线实际阻抗为4.08 Ω(设计阻抗为4.00 Ω)。在考虑传输线内板边缘与水箱耦合电容影响的条件下,采用有限元方法精确计算得到三平板传输线阻抗为3.77 Ω。根据实验得到的传输线入口、出口电压电流测量结果,计算得到三平板传输线的实际运行阻抗为3.83 Ω,与计算结果基本一致。另外,还对三平板传输线进行了静电场计算和分析,耐压实验表明,当三平板传输线出口电压达到3.1 MV时,未出现绝缘闪络,绝缘设计满足指标要求。

实验发现线绕的螺旋形脉冲变压器在充电期间存在击穿的现象,有时甚至在原边刚导通的时刻就发生击穿,而此时副边并无电压输出。为解释这种实验结果和避免击穿,提高耐压水平,利用简化的多导体传输线方法,在忽略了充电过程中的位移电流情况下,给出了变压器在不同时刻次级绕组层间电压分布。结果表明:变压器层间电压分布随时间变化,且与电路外部参数如失谐、原边电容电压等存在关系。失谐系数较小时,可能在充电的初始时刻就发生变压器击穿。可以利用这些特性来改进螺旋形线绕变压器的设计,使电压分布尽可能均匀,提高耐压强度。

为了产生100~500 ps,200~500 kV,1~10 kA数量级的皮秒放电脉冲,建立了一个皮秒脉冲发生器理论模型,并提出利用增益系数极值法,确定其最大兼容工作点,相对于纳秒脉冲成形线,皮秒脉冲成形线实现了90%,70%,85%的归一化电压增益、能量增益和放电功率增益。为了最大限度地降低皮秒脉冲成形线的载压时间,提高系统的绝缘安全因子,利用华罗庚0.618优算法,设计了电压传输系数。在纳秒脉冲成形线与皮秒脉冲成形线阻抗比值等于1.63条件下,在4倍和6倍皮秒脉冲成形线时间之内,归一化电压增益、能量增益和放电功率增益就可以分别达到94%,72%,89%与99%,53%,97%。

针对分布馈电式(DES)轨道型电磁驱动系统,建立了基于PSpice的电路模型;采用最常见的电容储能方式构成脉冲成形网络(PFN);负载模型充分考虑电枢运动时的滑动摩擦,以及导轨电感、电阻等非线性因素。由仿真结果得到的电流值可以计算出电枢所承受的电磁力,从而得到电枢的加速度、速度,以及动能。分别选取不同电容器组的电容量或初始电压,脉冲成形电感器的电感量,主放电开关的闭合时间间隔,以及PFN模块参数(包括模块的数量、结构等),进行仿真分析,得出在各种参数下的系统效率,并加以比较,确定了几种可以有效提高轨道型电磁驱动系统效率的方法或者最优化的参数。仿真结果表明:在电枢质量与加速距离不变的条件下,电容器组的电容量或初始电压越高,电枢初速度越大,而系统效率随着电压的升高先增大后减小;脉冲成形电感器的电感量越大,电感器中的剩余能量越大,系统效率越低;主放电开关的闭合时间间隔越短,系统的效率越高;在初始能量一定的前提下,电源的模块数越多,电枢的出膛速度越大,系统效率也越高,可以通过采用多组小电容值的电容,来提高系统的效率;优化的PFN模块参数设计能够提高系统的效率。

介绍了0.1 MPa下的纳秒脉冲介质阻挡放电(DBD)对聚对苯二甲酸乙二酯(PET)材料表面进行的亲水性改善。分别采用均匀和丝状放电模式对PET表面改性处理,并采用水接触角测量、原子力显微镜观察、X射线光电子能谱分析对改性材料进行表面分析。实验发现介质阻挡放电处理后PET表面水接触角明显减小,接触角从78°下降到25°,但随处理时间的增加有饱和效应;PET表面粗糙程度增加,亲水性含氧基团被引入,从而改善了材料表面亲水性;纳秒脉冲下的均匀DBD比丝状DBD处理效果更为显著。

设计了一款可用于触发和自触发的针板型电晕稳定开关,其中针电极直径为2 mm,主间隙距离为10 mm,触发间隙为5 mm。通过静电场的模拟得知其场强的不均匀系数大于7,并且通过大量实验数据得出:开关起晕电压和击穿电压分别为6.8 kV和19.3 kV,由此得知电晕稳定开关的电晕稳定因子为0.55,这说明开关具有较好的电晕稳定性。

介绍了1.2 MV脉冲变压器的设计方法,采用螺旋渐开式绕组逐渐增大绕组对磁芯的绝缘距离,用ANSYS程序模拟脉冲变压器中的场强分布情况,最大场强不超过18 kV/mm。通过实验研究有效解决了绕组对绝缘支撑的局部放电现象,得到了1.2 MV的高压脉冲输出,单次运行时间达到1 min,重复频率100 Hz,验证了所采用的设计方法的可行性。

针对直线感应加速器校正线圈的供电需求,用悬浮负载法和接地负载法研究了基于功率运算放大器的电压控制型恒流源。从理论计算、数值模拟和实验方面研究和对比了两种压控恒流源的工作原理、工作特性和输出结果。试验结果表明,在两种恒流源上都能够得到预定的电流输出,悬浮负载恒流源的输出更加稳定,能够满足将来的工程运用要求。

为研究使用不同形状光斑触发光导开关对光电导特性的影响,研制了12 mm间隙的半绝缘砷化镓光导开关,在不同的偏置电压下,使用波长为1 064 nm的不同能量的激光触发光导开关并进行了光电导测试。使用了不同形状的光斑(包括面状、线状和点状光斑)触发光导开关并进行了光电导特性的比较,讨论了触发光参数对光导开关特性的影响。对处于开关电极间不同位置的线状光斑触发特性进行了比较,结果显示,本征光电导和非本征光电导情况下光斑位置对光电流的影响正好相反。

从电磁能量形态的相似性观点出发,探讨了基于固态开关器件的脉冲产生方法。针对小型化高重频脉冲功率发生器的需求,提倡采用电感储能型脉冲形成线和可饱和电容器的脉冲压缩方法,并进行了简单的实验验证。实验结果初步证实了这些脉冲产生方法的可行性,并通过与传统脉冲产生方法的比较,揭示了新方法的技术特征和适用范围。

给出了一种基于半导体开关的脉冲功率源的设计原理和方法。与标准的Marx发生器相比,用金属氧化物半导体场效应管(MOSFET)替代气体火花隙开关,用二极管替代电阻,由于可重复频率运行,所以能够有效地减少电路损耗。由于电路器件特性差异不同,在实验中采取对每一级的开关驱动信号进行单独调节,以补偿器件差异对同步性带来的影响。另外,实验对开关进行光纤隔离,而对强弱电的隔离采用DC-DC转换器,这不仅有利于保护实验设备,而且对Marx多级电路的同步性也有很大的贡献。设计的Marx发生器级数为16级,并给出了单次脉冲和重复频率两种情况下的实验结果。

设计了一种Trigatron开关,以Tesla型GW级纳秒脉冲源为实验平台,实验研究了不同电压极性组合、触发电压、触发间隙、触发极直径和触发脉冲宽度对开关触发特性的影响。实验研究结果表明:开关电压极性组合、触发电压、触发间隙对开关触发特性影响较大,在各欠压比条件下差异均十分明显,触发极直径和触发脉冲宽度对开关的触发特性影响较小。根据实验结果优化了开关结构和工作参数,获得的开关抖动最低可达0-1 ns。

采用光学诊断和电磁测量相结合的方法对“强光一号”不同结构的水开关的放电特性进行研究,其中包括环-板结构、球-板结构及局部场增强球-板结构。通过理论模拟开关电场分布及“强光一号”加速器水开关击穿电压的实际测量可以分析不同结构的开关工作稳定性,结果表明:环-板结构的水开关具有最稳定的击穿特性,15发放电的时间抖动只有30 ns;局部场增强球-板结构水开关抖动60 ns;球-板结构水开关稳定性最差,抖动达到140 ns。利用纳秒时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对环-板型及局部场增强球-板结构水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,其发展速度为几十cm/s。

根据“神龙一号”和“神龙二号”两台直线感应加速器的直线性偏差不超过±0.2 mm、角度误差不超过±2″和高程误差不超过±0.2 mm的总体精度要求,分析了影响准直安装精度的主要因素和误差限定值;确定了采用激光跟踪仪、全站仪和水准仪相结合,建立包括大六边形网和小四边形网两个层次的高精度控制测量网;再通过专门设计的串并联精密调节机构,依据合理的准直安装工艺达到准直安装的精度要求。经过在“神龙一号”直线加速器准直安装的验证,此方法满足精度要求。

通过适当地改造2 MeV注入器实验平台,使系统具备了开展光阴极研究的能力,主要的改动有:将观察窗材料改为石英,增加266 nm固体激光器,对原有的时序控制方式进行修改以满足同步触发方面的要求。研究的阴极材料为含钪储备式热阴极,实验中最高加热到了740 ℃,观测到了光电发射和光致等离子体发射现象,最大的激光功率密度为1.3 MW/cm2,最大发射电流密度约为16 A/cm2,光电发射的量子效率约为0.05‰。

研制了一种碳纤维天鹅绒阴极,并对碳纤维天鹅绒阴极和化纤天鹅绒阴极进行了初步的比较研究。比较结果表明:碳纤维天鹅绒阴极比化纤天鹅绒阴极启动稍慢。在相同的驱动电压条件下,碳纤维天鹅绒阴极产生的微波输出功率有可能优于化纤天鹅绒阴极。但是,由于纤维脱落导致碳纤维天鹅绒产生微波的性能显著下降。在高电压运行中,化纤天鹅绒的纤维尖端由于高温烧蚀而膨胀、弯曲,从而影响了其运行寿命;但碳纤维天鹅绒的纤维尖端在实验运行后没有出现因高温烧蚀而膨胀、弯曲的现象。因此,碳纤维天鹅绒阴极的运行寿命应优于化纤天鹅绒。

介绍了非均匀绕线技术和匀场环技术在螺线管线圈设计中的应用。分析表明这两种技术的采用可以减小线圈间隙的磁场波动、屏蔽线圈磁场的横向分量,从而设计出宽平顶低横向场分量的螺线管线圈。针对中国工程物理研究院12 MeV直线感应加速器螺旋管线圈的设计结果表明,非均匀绕线技术可以使线圈间隙处的轴向磁场波动减小约70%,匀场环的采用则能使线圈磁场的横向分量减小96.5%。

为获得天鹅绒阴极加电运行时的放气信息,在加速器Torch-02(电压约300 kV、脉宽约6 ns、电阻约100 Ω、频率1~300 Hz)上开展了单次及重复频率下的真空兼容性实验研究。对于发射面积为28 cm2、阴阳极间距50 mm、有效抽速62 L/s、容积为4.6 L的真空二极管-天鹅绒阴极系统,根据不同电流发射密度时的气压历史曲线,确定了单位面积上天鹅绒表面中性气体释放数目与脉冲能量的关系。通过实时记录不同频率下的气压演化,在本底气压约5×10-3 Pa、单脉冲能量约6 J条件下,得到了平衡压强与重复频率的变化关系:10~100 Hz时,平衡压强与重复频率近似呈线性递增;超过100 Hz时,真空恶化明显,气压随频率呈超线性增长,300 Hz时平衡压强已升至Pa量级。最后,针对重复频率运行时的放气特点,讨论了一种“分布式”抽气思想以改善系统有效抽速。

利用SUPERFISH软件设计了一种兼具大间隙速调管及三轴速调管优势的C波段大间隙三轴速调管,对所设计大间隙三轴速调管的束流传输及调制情况进行了2维粒子模拟研究。模拟结果表明,三轴速调管设计需要特别关注“模式泄露”问题以及谨慎选择内导体接地支撑杆的位置,以获得稳定传输的电子束。综合考虑上述两个条件,在440 kV的二极管电压下,5.0 GHz,200 MW的强注入功率可以获得11.8 kA的基频调制积分电流,束流调制深度88%,调制电流峰峰值大于40 kA,且调制电流具有良好的频率及相位稳定性。在此基础上,初步模拟得到了大于2.0 GW的平均微波功率,平均效率约33.8%。

依据数值模拟结果研制了一套X波段多模微波喇叭,采用3次变张角喇叭结构,设计要求辐射功率大于3 GW,E面和H面方向图在10 dB范围内等化度良好,10 dB波束宽度为40°。近场冷测结果表明,H面10 dB波束宽度为43°,E面10 dB波束宽度为40°。远场热测结果表明,H面10 dB波束宽度为40°,E面10 dB波束宽度为41°,在初步测试中,通过对比在线测量结果和辐射场测量结果,证明研制的喇叭输出功率达1.3 GW时不会出现击穿现象。

设计了一个紧凑型L波段相对论返波振荡器 (RBWO),利用Karat 2.5维全电磁粒子模拟程序研究了器件内部束-波作用的物理过程。模拟结果表明:在二极管电压700 kV、电子束流10 kA、导引磁场为10 T时,能实现L波段2.23 GW高功率微波输出,平均效率约为31.8%。为验证模拟结果,在高阻加速器平台上进行了初步实验:当二极管电压为703 kV、电流10.6 kA、导引磁场为0.8 T时,实验获得了峰值功率105 GW、频率1.61 GHz、脉宽38 ns的高功率微波输出,其功率效率为14.4%。

采用高频场软件对输入腔、中间腔和输出腔的高频特性进行冷腔分析。利用3维粒子模拟软件对L波段强流相对论速调管进行整体建模,模拟分析了整管工作情况,并讨论了3维模型中输入、输出耦合结构的引入对结果的影响。模拟参数为:电子束电压500 kV,电流5 kA,微波频率1.3 GHz,输出平均功率600 MW,效率约25%。

提出一种新型的低阻抗同轴慢波器件,它利用阳极金属网将二极管区与波束互作用区分开,并在波束互作用区采用内外双盘荷波导慢波结构以提高波束互作用效率。利用全电磁粒子模拟软件进行优化设计,结果表明:在输入电功率100 GW、电流95.4 kA的条件下,同轴慢波器件可在L波段获得23 GW的平均输出功率,功率转换效率达到23%。该器件无需外加磁场,结构简单,小型轻便。同时还对阳极金属网的温升状况进行了简单的估算。

分析了微波混沌腔体系统中关键部位感应电压的统计问题,介绍了随机耦合模型在高功率微波效应研究中的计算方法和应用,并以计算机机箱为实验系统,开展了电磁波耦合入计算机机箱腔体的电磁干扰问题研究,对其电路板上关键部位感应电压的统计计算和实验结果进行了比较,其结果基本一致。随机耦合模型在波混沌系统中感应电压的统计探讨为高功率微波效应、电磁兼容等研究提供了一种新的思路。

对新型同轴单程超辐射相对论返波管振荡器进行了进一步的研究。该振荡器的互作用区为同轴结构,外导体为一波纹波导,内导体为一光滑圆波导;辐射场从左端耦合到圆波导后输出,不需要截止颈。通过增加波纹周期数并调整互作用区末端波纹深度,器件的功率转换效率得到进一步的提高。当电子束电压为360 kV,电流为9.15 kA,外加磁场强度为2.7 T时,通过参数优化,模拟获得了瞬时峰值功率超过18 GW、脉冲宽度约400 ps,中心频率为8.1 GHz的微波输出,平均功率转换效率达到了275%。

康普顿探测器可以获得脉冲X射线照射量随时间变化的波形,探测器特性主要由收集体、介质和金属外壳的材料、尺寸决定。针对神龙一号加速器产生的X射线的能谱结构,应用蒙特卡罗模拟方法,进行探测器结构尺寸设计,获得最佳的有机玻璃介质厚度为30 mm。探测器灵敏度系数随X光能量变化的曲线表明其能量响应较差,分析与计算结果表明在收集体前加低Z金属可有效改善能量响应特性并提高灵敏度系数。计算得到用于测量神龙一号加速器的X射线照射量的康普顿探测器的灵敏度系数为6.86×1011 (C/kg)-1。

介绍了“神龙一号”直线感应加速器电子束时间分辨能谱测量新方案--用螺线管磁场旋转束流法测量其出口电子束能谱,阐述了旋转束流法基本原理及测量方案设计,并且讨论了测量误差。此方案所测能谱为时间分辨离散型束流能谱,其误差与所测离散束流能谱相关。通过测量“神龙一号”加速器末端的电子束流在螺线管磁场中的旋转角度及角度展宽,从而得到脉冲电子束流能谱。

“神龙一号”数据库系统采用B/S体系架构,位于服务器的动态Web应用软件采用ASP.NET技术开发,并根据Web应用程序和ASP.NET技术的特点,把Web应用程序划分为用户界面层、业务逻辑层和数据访问层3个基本的层次;加速器状态以及实验过程中产生数据采用数据库管理系统SQL Server管理;同时应用ADO.NET技术实现服务器应用软件对数据库的访问。“神龙一号”数据库系统设计了依据实验号和试验时间对机器状态、控制的参数、测试信号波形等数据的查询引擎,以B/S架构为基础开发的“神龙一号”数据库应用系统满足了实验人员对数据存储、管理、浏览、查询以及离线分析和利用数据进行二次开发的要求。

将门控分幅相机与快闪烁晶体结合,构成时间分辨X射线诊断系统,对神龙一号直线感应加速器产生的高能脉冲X射线源焦斑进行了测量,在时间间隔为10 ns的情况下,获得了焦斑尺寸随时间的变化曲线。在此基础上,设计了单像素尺寸为0.78 mm×0.78 mm的LYSO闪烁晶体阵列,并进行了X射线照射晶体阵列发光的初步实验,结果表明该阵列可用于高能X射线源焦斑的时间分辨诊断,并能显著提高成像的空间分辨力。

设计了用于高能X光测量的小面积PIN硅光电二极管线列探测器,通过理论计算和EGSnrc蒙卡软件模拟分析了Si-PIN的探测灵敏度、线性电流和时间响应。根据理论研究可知,该探测器适用于大注量率、高能轫致辐射光的空间分辨力(3 mm)和时间分辨力(8 ns)的测量。并在理论设计的基础上进行了部分实验,采用小面积PIN硅光电二极管和放大电路,在“神龙一号”直线感应加速器上进行高能X光的测量,初步得到了PIN硅光电单元的响应结果,为线列小面积PIN光电管阵列的实用设计提供优化基础。

在高能闪光照相技术中,提高图像接收平面上直穿与散射的比值有利于有效信息的提取。利用蒙特卡罗方法对法国实验客体的照相过程进行模拟,得到图像接收区域直穿分量与散射分量的能谱分布,依据其分布的特点提出了利用能谱优化来提高接收区域直散比的方法,指出添加衰减屏可以达到能谱优化的效果。依据线吸收系数的变化趋势以及实际加工的难度选择钽作为优化能谱的材料,并根据最小照射量的限制得到了最大的衰减屏厚度。最后通过蒙特卡罗模拟,指出添加9 mm的衰减屏能够对照相结果的优化程度最好,照射量满足要求,而直散比上升到原来的3倍左右。

为深入了解轨道型电磁推进装置工作时由脉冲电流形成的冲击力的特点,以探索改善轨道支撑结构的有效方法,设计了一套冲击力试验系统,并运用数值模拟技术计算了相关试验情况。试验系统利用C型单体电枢作为冲击力源测试得到了不同脉冲电流作用下的冲击力波形,对两条波形曲线进行了比较分析;利用ANSYS/Multiphysics对处于电、磁、力耦合场环境中的电枢进行了数值计算,着重对电枢的耦合力场环境进行了模拟,计算出了电枢的电磁驱动力和电磁压紧力,分析了电枢在力场中的结构应力和形变。结果显示,数值计算方法和试验方法得到的电磁驱动力曲线和冲击力曲线前半部分的波形基本一致,而峰值点则随着脉冲电流的增加差值有所增大,但仍具有一定的跟随性,证明了试验方法对冲击力捕获具有一定的指导意义,也同时验证了计算方法的可行性和有效性。

根据盘荷加载慢波结构的色散关系,设计了C波段高功率行波结构放大器,器件采用轴向微波功率提取降低输出端的反射,并在隔离段中加入微波吸收体切断放大器中自激振荡的正反馈过程,输出腔采用锥形过渡以降低Q值,减少电子注回流,有效抑制了放大器中自激振荡。在2.5维PIC模拟中得到功率890 MW、频率5.64 GHz的微波输出,增益35.6 dB,效率32%。

介绍了3维全电磁粒子模拟软件NEPTUNE中常用外加磁场加载模块的设计思路和方法,包括简单的磁场分布方程和离散数值加载、螺线管磁场加载、直线及螺旋线磁场分布加载、摇摆器磁场加载以及永磁体磁场加载等方式。每一类磁场加载模式都进行了实际算例的计算和验证,计算结果表明各类磁场加载模块设计的正确性和可靠性。最后针对具体应用,结合二极管电子束在不同外加引导磁场作用下的各种分布状态,间接验证了磁场模块设计的可行性。

搭建了真空中脉冲电压下激光触发沿面闪络试验平台,在试验平台上进行常用开关绝缘介质尼龙、聚碳酸酯和Al2O3陶瓷的激光触发沿面闪络特性试验,探讨了真空中激光触发沿面闪络的机理。试验结果表明:聚碳酸酯试品的自闪络电压最高;在真空中脉冲电压下的激光触发沿面闪络试验中,随着激光能量密度的增大,3种材料的时延和抖动均减小;532 nm和1 064 nm波长激光触发的条件下,3种材料的抖动均在1 ns左右,聚碳酸酯抖动较小;532 nm波长激光触发的时延小于1 064 nm波长激光触发的时延。

采用介质涂覆的球-筒电极结构,用以脉冲电压条件下在水中产生放电,通过比色法检测放电产生的过氧化氢,研究了不同电压脉冲幅值、脉冲宽度(储能电容的大小)、水的电导率以及脉冲频率对过氧化氢产生速率的影响,实验结果表明过氧化氢的产率随电压脉冲幅值的增大而增大。当电压脉冲幅值足够高时,水中放电由流注放电形式转换为电弧放电形式,此时过氧化氢产率也大幅提高,而在相同电压条件下,随水的电导率的增大,过氧化氢的产率减小。在相同电压下,脉冲频率的增大,导致放电平均功率增大,水中放电产生过氧化氢的浓度提高。在3.3 W功率时,120 min后水中过氧化氢浓度达到0.2 mmol/L,从而证明了所用电极结构的优越性。

以“阳”加速器(1 MA,80 ns)驱动的Z箍缩等离子体为X射线源研究X射线加载下金属表面出现的电荷分离现象,Z箍缩负载为16根直径5 μm的钨丝组成的丝阵,丝阵半径3 mm。强度107 W/cm2、半高宽30 ns的软X射线脉冲通过直径5 mm的限光孔辐照半径30 mm、厚3 mm的铜盘中心,在金属表面产生了脉宽相近,幅值kV的电势。测量了该电势沿金属表面的分布,观测到微弱的调制现象。电势的极性表明电子主要沿金属表面运动而不是垂直表面运动,这表明热电效应是造成电荷分离的主要机制。入射X射线强度较弱时,电子的个体行为--光电效应、康普顿效应占主导;当入射强度较大时,弱关联的集体行为--热效应占主导;进一步增大入射X射线强度将出现强关联的集体行为--电荷密度调制状态。

研制的透射光栅谱仪配备了高线密度金透射光栅作为分光元件,使用X光CCD记录时间积分光谱图像。在谱仪结构中引入了两个相互垂直的狭缝,一个用于实现光谱图像的1维空间分辨;另一个与光栅相配合后具有准直入射X光的作用,用来提高谱仪的分辨力。使用该谱仪对“阳”加速器Z箍缩实验的X光辐射进行了测量。当使用铝丝阵作为负载时,测得了铝的K壳层辐射和类锂离子的线谱辐射,并且通过将光谱图像与X光针孔相机的测量结果相比较,观察到了“热点”区域放出的较强的K壳层辐射。

介绍了一种用于“阳”加速器的超音速单壳层喷气Z箍缩负载。利用快响应压力探针对喷气负载产生的超音速流场进行了测量,获得了流场中各个位置的冲击压力以及超音速喷嘴前端的驻室压力,结合流体力学公式,给出了流场中的压力和密度分布。气流的径向密度剖面显示,气体壳层的位置随轴向位置的变化而存在差异,并且随着到喷嘴距离的增加,轴心处的气流密度不断增加。对密度分布的径向积分结果表明,气流在靠近喷嘴处的线质量密度最大,距喷嘴越远,线质量密度越小。利用单壳层超音速喷气负载,在“阳”加速器上进行了喷气Z箍缩内爆实验,对内爆过程进行了初步分析,并利用雪耙模型计算了等离子体壳层的内爆轨迹,计算结果与实验测量较好地符合。

建立了一台用于纳米粉体制备的电爆炸金属丝装置,它可以在不打开放电腔体情况下,依次电爆炸8根金属丝。对电爆炸金属丝进行了电路模拟,电路模拟结果表明,减小放电回路电感,或在保持电容器初始储能不变条件下,提高充电电压的同时减小储能电容可提高能量注入速率。为了理解金属蒸气形成纳米粉体的物理过程,利用马赫-曾德激光干涉方法,研究了丝爆后金属蒸气及等离子体的演化过程,得到了电爆丝的典型物理图像,观察到电爆丝中金属蒸气喷发的“热滞后”现象及金属蒸气的多次喷发现象。并利用电爆丝法制备了氮化钛、二氧化钛、铜氧化物和氧化锌的纳米粉体。

以“强光一号”加速器为例,给出了一种可以对其阴阳极间负载电压进行直接测量的自积分式电容分压器。介绍了自积分式电容分压器的结构,并通过静电场模拟分析了该分压器结构并不会对阴阳极间隙电场造成明显影响,在此基础上利用方波电压源对其进行了响应实验从而获得其频率响应,并对电容分压器的分压比进行了在线标定,最终给出了利用该自积分式电容分压器测量短路状态时阴阳极间隙电压测量结果。