螺旋Blumlein线型强流电子加速器特性及其相关技术研究

强流电子束加速器是进行核爆模拟、惯性约束核聚变、高功率微波、电子束泵浦高功率激光、Z箍缩、X射线和离子源等研究的重要试验平台，在民用和军事领域具有重要的应用价值。目前，强流电子束加速器除向高功率、重复频率和长脉冲方向发展外，改善输出特性，提高电子束质量是一个重要的研究方向。本文对螺旋Blumlein线型强流电子加速器的特性及相关技术进行了研究。具体研究内容包括以下四个部分：1.螺旋Blumlein线型强流电子加速器的输出特性研究。通过求解螺旋Blumlein线放电过程的电报方程，得到螺旋Blumlein线型加速器的输出特性。同时分析了加速器开关处过渡段以及负载处过渡段对加速器输出电压波形平顶度的影响。研究结果表明：加速器输出电压波形的上升时间和下降时间随着开关处过渡段传输时间的上升而上升，波形平顶宽度随着过渡段时间的上升而减小；负载处过渡段会使加速器输出主脉冲平顶的前端形成台阶，主脉冲的后端形成过冲脉冲，且台阶和过冲脉冲的幅度主要由过渡段的阻抗所决定，当过渡段阻抗与内线的阻抗相等时，台阶和过冲脉冲都消失。因此，为了提高加速器输出波形的质量，应合理设计开关和负载处过渡段。2.负载异常时Blumlein线型强流电子加速器的工作特性研究。在负载短路、负载开路、负载表面闪络和阴极座放电四种负载异常情况下，从理论和实验两方面，分析了加速器输出电压和变压器输出端电压的特性。研究结果表明：当负载短路时，一个高压振荡脉冲反馈到给Blumlein线充电的脉冲变压器的高压输出端，其振荡周期为8倍脉冲形成线传输时间，该振荡是造成变压器绝缘击穿的主要原因之一；当负载开路时，加速器输出主脉冲幅度是脉冲形成线充电电压的两倍，变压器输出端产生一个振荡高压脉冲，其振荡频率主要由外线电容、接地电感及电阻分压器电阻决定；当负载发生表面闪络时，加速器输出脉冲宽度变窄，输出性能受到影响，同时变压器输出端产生一个高电压振荡脉冲；当加速器运行在较高的电压时，阴极座边沿产生电子发射，实验对比分析表明：阴极座边沿的电子发射是导致加速器输出电压波形平顶度变差的主要原因之一。3.长间隙、百纳秒脉冲真空表面闪络特性研究。绝缘子是加速器二极管区域必不可少的部件之一。通过对实验室现有强流电子加速器的真空室进行改进，建立了真空表面闪络实验平台。对高密度聚乙烯(HDPE)、聚甲基丙烯酸甲酯(PMMA)和聚酰胺(PA)，在长绝缘间隙(>100mm)、180ns准方波脉冲作用下的真空表面闪络电压、电流波形进行了测量，并利用高速相机，对其过程进行了光学诊断。实验结果分析表明：同HDPE和PMMA相比，PA绝缘性能较好；三种绝缘样品在真空中的表面闪络时延随着场强的增大迅速减小，但是时延下降的梯度各不相同，PA的表面闪络时延大于PMMA和HDPE的闪络时延；如果闪络发生在主脉冲的平顶部分，闪络峰值电流较高。通过分析闪络通道阻抗的变化，可以发现表面闪络分为三个阶段，第一个阶段是电子发射和传输，此阶段通道阻抗较大；第二阶段是通道开始形成，阻抗从几百千欧姆下降至几十欧姆；最后是通道形成阶段，通道阻抗小于1欧姆。而在闪络通道形成之后，通道是电感性的，并且外加电压的波形由闪络通道的电感决定。此外，在不同放电电压和放电次数下，对高密度聚乙烯放电预处理后的表面闪络性能进行了实验研究。结果表明：当放电预处理过程的电压从低电压至高电压逐渐变化时，可以有效提高材料的表面绝缘能力。4.高速相机与加速器的同步技术及运用研究。高速相机与加速器的同步技术，是利用高速相机诊断加速器真空二极管纳秒量级物理过程的关键技术。本课题提出了一种实现高速相机与加速器同步的新方法。该方法采用光电雪崩管将加速器主开关闭合时产生的光信号转变为脉冲电压信号，再经信号处理，产生前沿为17ns、幅值为5V的触发信号。且触发信号高电平(3V)开始时刻与加速器负载电压平顶开始时刻的时延约为60ns(大于高速相机本身的固有延时时间48ns)，实现了高速相机与加速器的同步。利用该方法和加速器实验平台，对绝缘样品在长绝缘间隙(170mm)、180ns准方波作用下的真空表面闪络发展过程以及真空二极管等离子体产生、发展至湮灭的全过程进行了光学诊断，并根据光学图像，对其物理机制进行了初步分析。