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器件固态化重频X光机关键技术研究

马勋  
【摘要】:闪光X光机是流体动力学实验必需的诊断工具,被广泛应用于研究各种冲击加载下物质内部结构的瞬态现象。为了满足近年来物理研究、工业应用等对闪光X光机提出了重复频率运行、小型化等技术要求,本文开展了器件全固态化重复频率闪光X光机关键技术研究,主要的研究成果如下:(1)基于GaAs光导开关和Blumlein型脉冲形成网络(PFN)以级联的拓扑形式构建了全固态重频功率源:a)设计了具有匀场结构的开关电极和封装,使得10 mm间隙GaAs开关脉冲耐压达到30 kV以上;b)在数十ns脉宽条件下,PCSS截止场强为3.2 kV/cm~4.9 kV/cm,随着开关工作场强达到20 kV/cm以上,其对能量效率的影响可以忽略;c)PCSS损耗是影响Blumlein型PFN功率源能量效率的最主要因素,根据不同的激光触发能量,在数十ns脉宽下其等效导通电阻为2-3Ω;d)充电电感、支撑电感是影响级联Blumlein-PFN输出特性的关键器件,从充电电压一致性、电压叠加效率、输出脉冲畸变、预脉冲幅值出发给出了电感设计方法;e)建立了开关不同步闭合条件下级联Blumlein-PFN功率源的电压波过程数学模型,结果表明随着级数增加,开关不同步闭合导致PFN上产生的瞬态脉冲电压幅值可达-3倍充电电压,是影响该功率源最大容许运行电压的最主要因素;f)实验结果表明本文研制的12级级联Blumlein-PFN型Marx在匹配负载条件下输出电压至少可达到220 kV,脉宽约64 ns,前沿小于16ns,峰值功率250 MW;(2)开展了二极管物理研究:a)建立了工业冷阴极X光二极管阻抗模型,基于该模型计算的电流与本文实验结果基本一致;b)建立了阳极杆箍缩二极管阻抗模型,基于该模型计算的电流、箍缩转换时刻与文献数据、流体物理所1.2 MV电压阳极杆箍缩二极管实验结果基本一致;c)开展了二极管电学参数与辐射X光脉宽关系的研究,提出可用二极管功率脉宽预测X射线脉宽的观点,并得到文献和本文实验数据支持;d)基于上述工作,为建立二极管与功率源的全电路模型奠定了基础。(3)开展了器件全固态化闪光X光机实验研究:a)研究表明对于运行电压约200 kV的高阻抗结构工业X光二极管,金属阴极为表面吸附气体解吸附发射机制,一次放电后的再吸附过程至少为2 ms,再吸附过程使得其稳定运行重频低于500Hz;b)提出一种轮辐状金属-陶瓷沿面阴极,采用三维电场分析表明陶瓷介电常数、陶瓷孔径是影响其三相点电场的主要因素,实验表明在相同结构参数下,基于该阴极的二极管电流约为金属阴极的2倍,功率脉宽内二极管阻抗下降率约为金属阴极的1/3,ICCD图像表明其发射十分均匀;c)基于优化结构的轮辐阴极实现了200 kV电压1 kHz帧率2猝发脉冲闪光X射线,两个脉冲的功率、X射线信号及耦合至二极管的能量基本一致;d)研究表明该阴极发射机制为三相点引发初始电子,初始电子轰击陶瓷表面产生等离子体和二次电子倍增。


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