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《中国科学技术大学》 2019年
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高可靠性脉冲X射线光源关键技术研究

赵越  
【摘要】:闪光X射线照相技术是研究物质瞬态变化过程的重要技术手段之一。脉冲功率技术驱动的脉冲X射线光源,是产生高能X射线的主要途径之一。当前脉冲X射线光源的主要技术路线大体可分为:Marx发生器-Blumlein Pulse Forming Line(PFL)-Diode、Marx发生器-Induction Voltage Adder(IVA)-Diode、Linear Transformer Driver(LTD)-Diode。从提高脉冲X射线光源的可靠性为出发点,提出了一种新型技术路线—基于Tesla变压器的快脉冲形成单元(或称支路)-IVA-Diode。该技术路线的最大特点在于可以大幅减少脉冲X射线光源中的场畸变开关、激光触发多间隙多通道开关等“活性”单元器件的数量,从而大幅降低光源运行故障概率。以该技术路线构建了输出参数为4 MV,100 kA(~40 Ω负载)的脉冲X射线光源,4 MV脉冲X射线光源仅含6个场畸变开关,6个激光触发多间隙多通道开关,12台电容器。本文对高可靠性脉冲X射线光源关键技术进行了研究。分析了4MV脉冲X射线光源的工作流程,厘清了对光源可靠性有重大影响的关键单元器件。对关键单元器件的故障模式、效应和危害性进行了分析(Failure Mode and Effects Criticality Analysis,FMECA),基于上述分析建立了脉冲X射线光源可靠性模型。以光源可靠性指标α的假设为前提,通过FMECA及单元器件成熟度对各单元器件的可靠性指标进行了分配,并给出各单元器件的故障分布律及其可靠性实验和数据处理方法。设计了一台Tesla变压器。初级电容充电±62 kV时,次级输出电压峰值1.2 MV,上升时间约3.8 μs(0%~100%),实测变比约9.8。次级采用稀疏绕组并优化了内筒支撑绝缘子沿面场强,有效提高了Tesla变压器的可靠性。设计了高可靠性场畸变开关。±55 kV充电电压,0.4 Mpa空气绝缘介质工况下,使用Weibull分布计算得到初级气体开关的自击穿概率约为1×10-8,触发脉冲电压96 kV,上升时间35 ns(10%~90%),半高宽(Full Width at Half Maximum,FWHM)150 ns时触发抖动约8 ns。设计了空气绝缘介质1.2 MV激光触发多间隙多通道开关。实验数据拟合公式表明:开关自击穿电压Vbr与气压p、间隙d、作用时间t0.89的关系分别为Vbr~p0.7、Vbr~d5/6、Vbr~p-0.193。70 mJ、266 nm、8ns触发激光脉冲,0.45 MPa 工作气压,工作系数0.95、0.85、0.77时激光触发多间隙多通道开关的触发抖动分别为0.8 ns、2.6 ns、5.2 ns;提出利用两(三)路过阻尼RLC电路分时放电合成单(双)极性方波的高压方波产生新方法。设计了原理验证性样机,输出最大幅值17 kV,脉宽330 ns~5.8 μs独立可调,上升时间110~350 ns(0%-100%)独立可调的高压方波脉冲,该高压方波脉冲形成方法适用于脉冲形成线、脉冲传输线的高压绝缘实验。对4MV脉冲X射线光源进行了测试,±60 kV充电电压,二极管峰值电压4.3 MV,上升时间约30 ns(10%-90%),二极管电流为99 kA。故障模式分析表明:任意一个支路脉冲超前馈入,二极管负载将遭到破坏,无X射线输出,且对应的感应腔角向线出现与馈入电压脉冲极性相同但幅值远超正常值的电压脉冲;任意一个支路的脉冲滞后馈入,二极管负载峰值电压约为正常值的5/6,前沿无明显变化,且对应的感应腔角向线出现与馈入电压脉冲极性相反但幅值远超正常值的电压脉冲;两种故障模式大幅增加了感应腔的绝缘故障概率。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2019
【分类号】:O434.1

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