CN105517315B - 一种高压双脉冲感应加速组元结构 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种高压双脉冲感应加速组元结构，Blumlein线A通过4根相同长度的第一高压电缆与加速腔A、加速腔B分别相连，Blumlein线B通过2根并联的第二高压电缆与水介质高压延时线连接，水介质高压延时线的输出端再通过4根相同长度的第三高压电缆与加速腔A、加速腔B分别相连。本发明的双脉冲结构相对于现有技术的多根脉冲形成线及其配套的初级功率源和触发电源结构而言，结构大大简化，而且，在Blumlein线A和Blumlein线B充电的过程中，会产生一个时间数μs的充电泄漏电流脉冲，该电流脉冲与主脉冲电流极性相反，经过加速腔时将对加速腔A和加速腔B的磁芯进行复位，解决了复位困难的问题。

Description

一种高压双脉冲感应加速组元结构
技术领域
本发明涉及多脉冲加速电场产生技术，具体涉及一种高压双脉冲感应加速组元结构。
背景技术
由感应腔和相应脉冲功率系统组成的感应加速组元是直线感应加速器的基本组成单元，脉冲功率系统所产生的高压短脉冲激励感应加速腔中的磁芯，在加速间隙上感应产生脉冲电场实现对强流电子束的加速。馈入加速腔的脉冲高压通常需达到200kV以上，由于开关能力的限制，目前还只能利用脉冲形成线产生，形成线放电后需要较长的开关绝缘恢复时间和充电时间，因此只能工作在极低的重复频率或单次运行。在传统的单脉冲直线感应加速器中，基于Blumlein脉冲形成线的脉冲功率系统在Blumlein线充电时可以为加速腔提供复位脉冲，在Blumlein线放电时则提供励磁脉冲，我们称之为加速腔的“自动复位”。
直线感应加速器主要应用于闪光照相，其加速的强流电子束打靶产生强X射线脉冲对高速变化的爆轰样品进行透视照相。爆轰过程所需的时间很短（通常为μs量级），因此要开展多幅闪光照相，加速组元需要产生MHz以上重复率的多个加速脉冲。
能满足高重复率的高压多脉冲组元目前只有两种已知结构，一种是基于多套功率系统和硅堆隔离网络的多脉冲产生方式（参考文献“250kV，1MHz重复率方波双脉冲源”，李欣，陈思富等，强激光与粒子束，2005，17（5）），另一种是基于电缆延时的双脉冲产生方式（参考文献“高压双脉冲感应加速组元设计”，2013黄子平，陈思富等，高能量密度物理，2013，3）。
第一种多脉冲产生方式，其优点在于：多个脉冲由多根Blumlein脉冲形成线独立产生后汇流到加速腔，其脉冲间隔、脉冲数量和每个脉冲的幅度均独立可调，能够较好的满足多幅闪光照相的需求；不足之处在于：其组元包含多根脉冲形成线及其配套的初级功率源和触发电源，结构复杂，对系统稳定性的要求高；高压硅堆的使用对脉冲波形品质有一定影响，且存在器件损坏的风险；Blumlein形成线充电时产生的复位脉冲被硅堆阻断，加速腔磁芯不能“自动复位”，需连接独立的复位电源和控制系统实现对磁芯的复位。
第二种双脉冲产生方式，其优点在于：由一根Blumlein形成线实现双脉冲的产生，加速组元结构简单，可靠性高；加速腔磁芯可利用形成线充电时产生的预脉冲实现“自动复位”；脉冲间隔、幅度等指标能够达到多幅闪光照相对加速组元的基本要求；不足之处在于：脉冲间隔不可调；脉冲数量不可变化；脉冲幅度不能独立调节，经过延时产生的第二个脉冲幅度通常略低于第一个脉冲；双脉冲波形品质与脉冲幅度和复位电阻阻值密切相关，导致波形质量的稳定性较差。
发明内容
本发明目的在于提供一种高压双脉冲感应加速组元结构，解决目前的双脉冲产生方式存在的多根脉冲形成线及其配套的初级功率源和触发电源结构复杂、脉冲间幅度难以调节、加速腔磁芯复位困难三个难题。
本发明通过下述技术方案实现：
一种高压双脉冲感应加速组元结构，包括加速腔A、加速腔B、Blumlein线A 、Blumlein线B，所述的Blumlein线A与Blumlein线B共用同一套充电和触发系统，当触发信号到达时，Blumlein线A与Blumlein线B同时输出短脉冲；其中Blumlein线A通过4根相同长度的第一高压电缆与加速腔A、加速腔B分别相连，Blumlein线B通过2根并联的第二高压电缆与水介质高压延时线连接，水介质高压延时线的输出端再通过4根相同长度的第三高压电缆与加速腔A、加速腔B分别相连。本发明的高压双脉冲感应加速组元结构突破了传统思维的束缚，Blumlein线B所产生的高压短脉冲在延时电长度后到达加速腔A和加速腔B，在触发后，加速腔A和加速腔B从第一高压电缆同时馈入第一个高压脉冲，此时第三高压电缆作为该脉冲的匹配负载，脉冲经过加速腔后进入第三高压电缆向延时线方向传播；触发后，Blumlein线A和Blumlein线B分别产生的高压脉冲在水介质高压延时线中相遇，叠加后各自保持原方向传播，触发后600ns，Blumlein线B所产生的高压脉冲通过第三高压电缆馈入加速腔A和加速腔B，自此，在加速腔A和加速腔B的加速间隙上将分别产生两个间隔540ns的高压双脉冲，这样的双脉冲结构相对于现有技术的多根脉冲形成线及其配套的初级功率源和触发电源结构而言，结构大大简化，而且，在Blumlein线A和Blumlein线B充电的过程中，会产生一个时间数μs的充电泄漏电流脉冲，该电流脉冲与主脉冲电流极性相反，经过加速腔时将对加速腔A和加速腔B的磁芯进行复位，解决了复位困难的问题。
所述Blumlein线A、Blumlein线B的阻抗均为12Ω，水介质高压延时线的电长度为500ns，第二高压电缆的阻抗为24Ω，其电长度为40ns，第一高压电缆与第三高压电缆的阻抗为48Ω，其电长度为60ns。以上参数的选择是申请人经过理论分析和实验需要得到的，同时也最适宜于感应加速组元产生较好的双脉冲波形。利用这种结合方式已经实验获得满足双脉冲直线感应加速器需要的高压双脉冲。通过改变延时线和高压电缆的长度，可以对双脉冲的时间间隔进行调整，双脉冲的最小时间间隔可以达到300ns。
在所述Blumlein线B上还连接有一个复位水电阻。复位电阻安装在Blumlein线B的出口，实现对复位电流脉冲的强度进行控制，通过设置合适的阻值，可以确保每次高压短脉冲到达加速腔时其磁芯正好复位到最佳位置。
本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：
1、本发明一种高压双脉冲感应加速组元结构，Blumlein线B所产生的高压短脉冲在延时电长度后到达加速腔A和加速腔B，在触发后，加速腔A和加速腔B从第一高压电缆同时馈入第一个高压脉冲，此时第三高压电缆作为该脉冲的匹配负载，脉冲经过加速腔后进入第三高压电缆向延时线方向传播；触发后，Blumlein线A和Blumlein线B分别产生的高压脉冲在水介质高压延时线中相遇，叠加后各自保持原方向传播，触发后600ns，Blumlein线B所产生的高压脉冲通过第三高压电缆馈入加速腔A和加速腔B，自此，在加速腔A和加速腔B的加速间隙上将分别产生两个间隔540ns的高压双脉冲，这样的双脉冲结构相对于现有技术的多根脉冲形成线及其配套的初级功率源和触发电源结构而言，结构大大简化，而且，在Blumlein线A和Blumlein线B充电的过程中，会产生一个时间数μs的充电泄漏电流脉冲，该电流脉冲与主脉冲电流极性相反，经过加速腔时将对加速腔A和加速腔B的磁芯进行复位，解决了复位困难的问题；
2、本发明一种高压双脉冲感应加速组元结构，通过对形成线A和形成线B充电与否的选择可在加速腔上产生单脉冲波形或双脉冲波形；通过对形成线A和形成线B充电电压的单独控制，可对加速腔上双脉冲波形的幅度进行独立调节；磁芯复位时延时传输线对复位脉冲幅度的控制起主要作用，磁芯复位效果相对固定，对复位电阻阻值和脉冲幅度的敏感程度大幅下降，提高了双脉冲波形质量的稳定性。
附图说明
此处所说明的附图用来提供对本发明实施例的进一步理解，构成本申请的一部分，并不构成对本发明实施例的限定。在附图中：
图1为本发明组元的结构示意图；
图2是本发明实施例实验得到的加速腔高压双脉冲波形。
附图中标记及对应的零部件名称：
1－Blumlein线A，2－Blumlein线B，3－加速腔A，4－加速腔B，5－水介质高压延时线，6－复位水电阻，7－第二高压电缆，8－第一高压电缆，9－第三高压电缆。
具体实施方式
为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。
实施例
如图1所示，本发明一种高压双脉冲感应加速组元结构，包括两根Blumlein形成线、两个加速腔、一根延时传输线和多根高压电缆；其中Blumlein线A1和Blumlein线B2共用同一套充电和触发系统，当触发信号到达时，两根Blumlein线同时输出高压短脉冲，Blumlein线A通过4根相同长度的第一高压电缆8与加速腔A3和加速腔B4分别相连，第一高压电缆8的电长度为60ns，即Blumlein线A1所产生的高压短脉冲在60ns后到达加速腔A3和加速腔B4，Blumlein线B2通过2根并联的24Ω第二高压电缆7与水介质高压延时线5相连，水介质高压延时线5的输出端再通过4根48Ω第三高压电缆9分别与加速腔A3和加速腔B4相连，其中第二高压电缆7的电长度为40ns，水介质高压延时线5的电长度为500ns，第三高压电缆9的电长度为60ns，即Blumlein线B2所产生的高压短脉冲在600ns后到达加速腔A3和加速腔B4，在触发后60ns，加速腔A3和加速腔B4从第一高压电缆8同时馈入第一个高压脉冲，此时第三高压电缆9作为该脉冲的匹配负载，脉冲经过加速腔后进入第三高压电缆9向延时线方向传播；触发后330ns，Blumlein线A1和Blumlein线B2分别产生的高压脉冲在水介质高压延时线5中相遇，叠加后各自保持原方向传播。触发后600ns，Blumlein线B所产生的高压脉冲通过电缆9馈入加速腔A3和加速腔B4，自此，在加速腔A3和加速腔B4的加速间隙上将分别产生如图2所示的两个高压脉冲，脉冲间隔540ns，脉冲电压幅度180kV，脉冲平顶宽度>60ns，能够满足双脉冲直线感应加速器对加速脉冲的实际需求。在Blumlein线A1和Blumlein线B2充电的过程中，会产生一个时间数μs的充电泄漏电流脉冲，该电流脉冲与主脉冲电流极性相反，经过加速腔时将对加速腔A和B的磁芯进行复位，复位水电阻6安装在Blumlein线B的出口，实现对复位电流脉冲的强度进行控制，通过设置合适的阻值，可以确保每次高压短脉冲到达加速腔时其磁芯正好复位到最佳位置，通过改变水介质高压延时线5、第二高压电缆7、第一高压电缆8、第三高压电缆9的长度，可以改变双脉冲的时间间隔，双脉冲的最小时间间隔可以到达300ns。
以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种高压双脉冲感应加速组元结构，包括加速腔A（3）、加速腔B（4）、Blumlein线A（1）、Blumlein线B （2），其特征在于：所述的Blumlein线A （1）与Blumlein线B （2）共用同一套充电和触发系统，当触发信号到达时，Blumlein线A （1）与Blumlein线B （2）同时输出短脉冲；其中Blumlein线A （1）通过4根相同长度的第一高压电缆（8）与加速腔A（3）、加速腔B（4）分别相连，Blumlein线B （2）通过2根并联的第二高压电缆（7）与水介质高压延时线（5）连接，水介质高压延时线（5）的输出端再通过4根相同长度的第三高压电缆（9）与加速腔A（3）、加速腔B（4）分别相连。
2.根据权利要求1所述的一种高压双脉冲感应加速组元结构，其特征在于：所述Blumlein线A （1）、Blumlein线B （2）的阻抗均为12Ω，水介质高压延时线（5）的电长度为500ns，第二高压电缆（7）的阻抗为24Ω，其电长度为40ns，第一高压电缆（8）与第三高压电缆（9）的阻抗为48Ω，其电长度为60ns。
3.根据权利要求2所述的一种高压双脉冲感应加速组元结构，其特征在于：在所述Blumlein线B （2）上还连接有一个复位水电阻（6）。
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