發(fā)布時間：2020-11-20 05:25

　　 閃光X光機是流體動力學(xué)實驗必需的診斷工具,被廣泛應(yīng)用于研究各種沖擊加載下物質(zhì)內(nèi)部結(jié)構(gòu)的瞬態(tài)現(xiàn)象。為了滿足近年來物理研究、工業(yè)應(yīng)用等對閃光X光機提出了重復(fù)頻率運行、小型化等技術(shù)要求,本文開展了器件全固態(tài)化重復(fù)頻率閃光X光機關(guān)鍵技術(shù)研究,主要的研究成果如下：(1)基于GaAs光導(dǎo)開關(guān)和Blumlein型脈沖形成網(wǎng)絡(luò)(PFN)以級聯(lián)的拓?fù)湫问綐?gòu)建了全固態(tài)重頻功率源：a)設(shè)計了具有勻場結(jié)構(gòu)的開關(guān)電極和封裝,使得10 mm間隙GaAs開關(guān)脈沖耐壓達(dá)到30 kV以上；b)在數(shù)十ns脈寬條件下,PCSS截止場強為3.2 kV/cm～4.9 kV/cm,隨著開關(guān)工作場強達(dá)到20 kV/cm以上,其對能量效率的影響可以忽略；c)PCSS損耗是影響B(tài)lumlein型PFN功率源能量效率的最主要因素,根據(jù)不同的激光觸發(fā)能量,在數(shù)十ns脈寬下其等效導(dǎo)通電阻為2-3Ω；d)充電電感、支撐電感是影響級聯(lián)Blumlein-PFN輸出特性的關(guān)鍵器件,從充電電壓一致性、電壓疊加效率、輸出脈沖畸變、預(yù)脈沖幅值出發(fā)給出了電感設(shè)計方法；e)建立了開關(guān)不同步閉合條件下級聯(lián)Blumlein-PFN功率源的電壓波過程數(shù)學(xué)模型,結(jié)果表明隨著級數(shù)增加,開關(guān)不同步閉合導(dǎo)致PFN上產(chǎn)生的瞬態(tài)脈沖電壓幅值可達(dá)-3倍充電電壓,是影響該功率源最大容許運行電壓的最主要因素；f)實驗結(jié)果表明本文研制的12級級聯(lián)Blumlein-PFN型Marx在匹配負(fù)載條件下輸出電壓至少可達(dá)到220 kV,脈寬約64 ns,前沿小于16ns,峰值功率250 MW；(2)開展了二極管物理研究：a)建立了工業(yè)冷陰極X光二極管阻抗模型,基于該模型計算的電流與本文實驗結(jié)果基本一致;b)建立了陽極桿箍縮二極管阻抗模型,基于該模型計算的電流、箍縮轉(zhuǎn)換時刻與文獻(xiàn)數(shù)據(jù)、流體物理所1.2 MV電壓陽極桿箍縮二極管實驗結(jié)果基本一致；c)開展了二極管電學(xué)參數(shù)與輻射X光脈寬關(guān)系的研究,提出可用二極管功率脈寬預(yù)測X射線脈寬的觀點,并得到文獻(xiàn)和本文實驗數(shù)據(jù)支持；d)基于上述工作,為建立二極管與功率源的全電路模型奠定了基礎(chǔ)。(3)開展了器件全固態(tài)化閃光X光機實驗研究：a)研究表明對于運行電壓約200 kV的高阻抗結(jié)構(gòu)工業(yè)X光二極管,金屬陰極為表面吸附氣體解吸附發(fā)射機制,一次放電后的再吸附過程至少為2 ms,再吸附過程使得其穩(wěn)定運行重頻低于500Hz；b)提出一種輪輻狀金屬-陶瓷沿面陰極,采用三維電場分析表明陶瓷介電常數(shù)、陶瓷孔徑是影響其三相點電場的主要因素,實驗表明在相同結(jié)構(gòu)參數(shù)下,基于該陰極的二極管電流約為金屬陰極的2倍,功率脈寬內(nèi)二極管阻抗下降率約為金屬陰極的1/3,ICCD圖像表明其發(fā)射十分均勻；c)基于優(yōu)化結(jié)構(gòu)的輪輻陰極實現(xiàn)了200 kV電壓1 kHz幀率2猝發(fā)脈沖閃光X射線,兩個脈沖的功率、X射線信號及耦合至二極管的能量基本一致；d)研究表明該陰極發(fā)射機制為三相點引發(fā)初始電子,初始電子轟擊陶瓷表面產(chǎn)生等離子體和二次電子倍增。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2015
【中圖分類】：O434.19;O35
【部分圖文】：

反射二極管陰極發(fā)射電流受空間電荷流（ｓｐａｃｅ－ｃｈａｒｇｅ－ｌｉｍｉｔｅｄ，?ＳＣＬ）限制，??拉莫爾半徑遠(yuǎn)大于電極間距，磁場力可忽略，陽極鞭功率密度可達(dá)到１０－２００??ＧＷ／ｃｍ２，基本結(jié)構(gòu)如圖１．６。其中陽極桿相對陰極孔的位置和陽極桿錐角決定??電場分布和電子束運動軌跡，從而影響福射的強度分布ｐｑ。??Ｖ?．－Ｗ??Ｃａ化０舶??圖１．６反射二極管基本結(jié)構(gòu)??艮ａｋｈｅｅ設(shè)計的二極管結(jié)構(gòu)參數(shù)為陽極桿直徑４ｍｍ，陰極內(nèi)徑２４ｍｍ，工作??電壓５００ｋＶ，峰值電流８ｋＡ，并計算出陰極等離子體擴散速度約２．５－３．３ｃｍ／ｎｓＰ３ｌ??Ｋｈａｃｅｆ研究了陰極孔徑８?ｍｍ時二極管幾何結(jié)構(gòu)與劑量關(guān)系ＰＷ，距離焦點０．２５?ｍ??處獲得實驗結(jié)果如圖１．７。當(dāng)陽極桿透過陰極孔２?ｍｍ，陽極錐角６０?°，獲得最佳??的福射性能。??５?、?ｃａｔｈｏｄｅ??．Ａｎｏｄｅ?加ｇｌｃ?（６）?／、、ｉ、?Ｉ?，??�。和醴Q??１：齒＼??０????－２?０?２?４?６?８?１０?１２??ｄｏ?（ｍｍ）??圖１．７二極管結(jié)構(gòu)與箱射參數(shù)關(guān)系??６??

反射二極管，最大運行電壓超過１?ＭＶ，其中電物理所型號為ＩＭＡ５－３２Ｄ的Ｘ光??機電壓３２０ｋＶ，陽極桿４ｍｍ，錐角１４°，尖端曲率半徑０．６ｍｍ，焦斑＜３ｍｍ，??重頻達(dá)到１５?ＨｚＰｓｉ，二極管如圖１．８。??１２３４＾５６?７?８??＾Ｂ?Ｉ３０ｍｍ?＾??圖?１．８ＩＭＡ５－３２Ｄ?二極管??產(chǎn)生的Ｘ射線劑量與二極管氣壓、背景氣體種類有關(guān)Ｐ４３�？諝鉃楸尘皻怏w，??實驗獲得福射劑量，Ｘ光脈寬與二極管氣壓的關(guān)系如圖１．９所示。??５???２５??｜４?■?￥：女一丟ＳＳｉ．?２０暑??§３；?－?４??！；■?■?；１??占，：?Ｔ?Ｔ?；?５某??０．１?１?１０?１００?１０００??Ｒ＾ｉｄｕａｌ?ａｉｒ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?（ｊｉｂａｒ）．??圖１．９二極管氣壓對產(chǎn)生的Ｘ射線影響??當(dāng)二極管氣壓大于＂特征氣壓＂（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，?ＣＰ）時，劑量和Ｘ??光脈寬迅速下降，氣壓大于＂閥值氣壓＂卿ｅｒｅｓｈｏｌｄ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ，?ＴＦ＊）時劑量幾乎為０。??當(dāng)二極管氣壓位于ＣＰ和ＴＰ么間時，雖然劑量產(chǎn)額低，但為實現(xiàn)數(shù)ｎｓ脈寬Ｘ射線??提供了一種思路。氣體的電離能越高，則對應(yīng)的ＴＰ值越大（氨氣除外）。當(dāng)Ｈｅ、??Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈ２、Ｎ２作為二極管的背景氣體時

１－３?ＭＶ電壓范圍內(nèi)最亮、綜合性能最理想的光源ＰＷ７１，此后在Ｓａｂｒｅ和Ｃｙｇｎｕｓ??裝置上得到進(jìn)一步發(fā)展Ｐｓ－２９］，現(xiàn)在在Ａｓｔｅｒｉｘ裝置上，工作電壓己經(jīng)大于６?ＭＶＰＷ。??其基本結(jié)構(gòu)和電流縮縮過程如圖１．１１。??Ｉ?ａ?基?ｕｍ－網(wǎng)?Ｉ??７７１?＇?－－－ｓ‘ｗ，ｎ??＂齡??３０?廣，?Ｔ７￣；－■口?＂－Ｔ———??ｒ．?．－—、？，???Ｔｉ；＾＾規(guī)；；ｉ??０?．．．．．?Ｊ??圖１．＂?ＲＰＤ結(jié)構(gòu)及雜縮過程??在初期其電流發(fā)射物理過程與反射二極管類似，隨著發(fā)射電流的增大，逐??漸發(fā)展至弱輸縮階段（ｗｅａｋｌｙ?ｐｉｎｃｈｅｄ，?ＷＰ），最終達(dá)到強貓縮磁絕緣狀態(tài)??（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ?ｌｉｍｉｔｅｄ，?ＭＬ）。艮ＰＤ電子入射角與電壓有關(guān)，在１０?ＭＶ電壓時，??電子幾乎１＾?１８０°入射角匯聚在陽極桿前端，使得反向劑量比正向劑量高出約１５??倍，因此６?ＭＶ?Ｗ上陽極桿輸縮二極管普遍采用負(fù)極性ｔＷ。一些典型裝置的陽極??８??

本文編號：2891015