器件固态化重频X光机关键技术研究

发布时间：2020-11-20 05:25

　　 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。
【学位单位】：中国工程物理研究院
【学位级别】：博士
【学位年份】：2015
【中图分类】：O434.19;O35
【部分图文】：

反射二极管阴极发射电流受空间电荷流（ｓｐａｃｅ－ｃｈａｒｇｅ－ｌｉｍｉｔｅｄ，?ＳＣＬ）限制，??拉莫尔半径远大于电极间距，磁场力可忽略，阳极鞭功率密度可达到１０－２００??ＧＷ／ｃｍ２，基本结构如图１．６。其中阳极杆相对阴极孔的位置和阳极杆锥角决定??电场分布和电子束运动轨迹，从而影响福射的强度分布ｐｑ。??Ｖ?．－Ｗ??Ｃａ化０舶??图１．６反射二极管基本结构??艮ａｋｈｅｅ设计的二极管结构参数为阳极杆直径４ｍｍ，阴极内径２４ｍｍ，工作??电压５００ｋＶ，峰值电流８ｋＡ，并计算出阴极等离子体扩散速度约２．５－３．３ｃｍ／ｎｓＰ３ｌ??Ｋｈａｃｅｆ研究了阴极孔径８?ｍｍ时二极管几何结构与剂量关系ＰＷ，距离焦点０．２５?ｍ??处获得实验结果如图１．７。当阳极杆透过阴极孔２?ｍｍ，阳极锥角６０?°，获得最佳??的福射性能。??５?、?ｃａｔｈｏｄｅ??．Ａｎｏｄｅ?加ｇｌｃ?（６）?／、、ｉ、?Ｉ?，??！：王称??１：齒＼??０????－２?０?２?４?６?８?１０?１２??ｄｏ?（ｍｍ）??图１．７二极管结构与箱射参数关系??６??

反射二极管，最大运行电压超过１?ＭＶ，其中电物理所型号为ＩＭＡ５－３２Ｄ的Ｘ光??机电压３２０ｋＶ，阳极杆４ｍｍ，锥角１４°，尖端曲率半径０．６ｍｍ，焦斑＜３ｍｍ，??重频达到１５?ＨｚＰｓｉ，二极管如图１．８。??１２３４＾５６?７?８??＾Ｂ?Ｉ３０ｍｍ?＾??图?１．８ＩＭＡ５－３２Ｄ?二极管??产生的Ｘ射线剂量与二极管气压、背景气体种类有关Ｐ４３。空气为背景气体，??实验获得福射剂量，Ｘ光脉宽与二极管气压的关系如图１．９所示。??５???２５??｜４?■?￥：女一丢ＳＳｉ．?２０暑??§３；?－?４??！；■?■?；１??占，：?Ｔ?Ｔ?；?５某??０．１?１?１０?１００?１０００??Ｒ＾ｉｄｕａｌ?ａｉｒ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ?（ｊｉｂａｒ）．??图１．９二极管气压对产生的Ｘ射线影响??当二极管气压大于＂特征气压＂（ｃｈａｒａｃｔｅｒｉｓｔｉｃｐｒｅｓｓｕｒｅ，?ＣＰ）时，剂量和Ｘ??光脉宽迅速下降，气压大于＂阀值气压＂卿ｅｒｅｓｈｏｌｄ?ｐｒｅｓｓｕｒｅ，?ＴＦ＊）时剂量几乎为０。??当二极管气压位于ＣＰ和ＴＰ么间时，虽然剂量产额低，但为实现数ｎｓ脉宽Ｘ射线??提供了一种思路。气体的电离能越高，则对应的ＴＰ值越大（氨气除外）。当Ｈｅ、??Ｎｅ、Ａｒ、Ｋｒ、Ｘｅ、Ｈ２、Ｎ２作为二极管的背景气体时

１－３?ＭＶ电压范围内最亮、综合性能最理想的光源ＰＷ７１，此后在Ｓａｂｒｅ和Ｃｙｇｎｕｓ??装置上得到进一步发展Ｐｓ－２９］，现在在Ａｓｔｅｒｉｘ装置上，工作电压己经大于６?ＭＶＰＷ。??其基本结构和电流縮缩过程如图１．１１。??Ｉ?ａ?基?ｕｍ－网?Ｉ??７７１?＇?－－－ｓ‘ｗ，ｎ??＂齡??３０?广，?Ｔ７￣；－■口?＂－Ｔ———??ｒ．?．－—、？，???Ｔｉ；＾＾规；；ｉ??０?．．．．．?Ｊ??图１．＂?ＲＰＤ结构及雜缩过程??在初期其电流发射物理过程与反射二极管类似，随着发射电流的增大，逐??渐发展至弱输缩阶段（ｗｅａｋｌｙ?ｐｉｎｃｈｅｄ，?ＷＰ），最终达到强猫缩磁绝缘状态??（ｍａｇｎｅｔｉｃａｌｌｙ?ｌｉｍｉｔｅｄ，?ＭＬ）。艮ＰＤ电子入射角与电压有关，在１０?ＭＶ电压时，??电子几乎１＾?１８０°入射角汇聚在阳极杆前端，使得反向剂量比正向剂量高出约１５??倍，因此６?ＭＶ?Ｗ上阳极杆输缩二极管普遍采用负极性ｔＷ。一些典型装置的阳极??８??

本文编号：2891015