电磁感应加速器

主要技术

1、强流和高峰功率技术 提高流强和峰功率涉及高功率脉冲功率技术、加速组元、强流束输运、强粒子束源等众多技术的提高和创新。主要经过前20年的发展，流强和峰功率得到了大幅的提升。例如，美国ATA加速器的电子束流强达10kA，峰功率达500GW，平均功率也达1MW，满足了当时自由电子激光研究和带电粒子束在大气中传输研究的需要。又如，前苏联的径向传输线型LIU-30加速器的电子束流强高达100kA，峰功率高达4TW，用于核武器效应模拟。还有，美国的感应叠加器型HERMES-III加速器(19MeV、700kA、28ns)的电子束流强高达700kA，峰功率高达13TW，是世界上功率最强大的短脉冲γ射线模拟源，用于模拟核爆瞬时辐射对电子学和完整军事系统的效应。以上三台加速器对直线感应加速器强流和高峰功率技术的发展具有里程碑意义。 2、高平均功率技术直线感应加速器发展初期，平均重复率通常在大约100Hz以下，这主要是由于脉冲功率系统所用的充气火花隙开关工作频率的限制。上世纪80年代发展的磁开关技术是高平均功率技术的重大进展，它使直线感应加速器的重复频率从大约100Hz一下跃升至几kHz。采用磁开关技术建成的ETA-II加速器输出的电子束不仅平均功率高达3MW，而且具有高峰功率(12GW)和好的束品质，用于产生高平均功率自由电子激光和微波的研究，以及后来的许多科学研究。3、束品质控制技术直线感应加速器的许多应用如闪光X光照相、高功率微波、自由电子激光、重离子聚变等，不仅要求强流和高功率，而且要求高的束品质，以满足束聚焦、提高转换效率等不同的要求。弱流情况下，没有空间电荷的影响，实现高束品质相对容易;但在强流高功率情况下，空间电荷非线性力的影响及不稳定性影响严重，经过长距离加速、输运后仍要保持高的束品质难度极大。束品质主要用束能散度，束发射度及束的稳定性来表征。束品质控制技术要解决的问题是如何实现要求的低能散度、低束发射度及抑制各种束不稳定性，这涉及解决一系列相关的物理和技术问题。大体从20世纪80年代后期开始，通过在高品质束源技术、宽平顶高电压产生技术、低横向耦合阻抗加速组元技术、低横向场分量螺线管线圈技术、高精度磁轴准直技术、束心智能调谐技术、束不稳定性抑制技术等关键技术上的相继突破，对强流电子束品质的控制技术逐渐走向成熟，取得明显效果。例如，1999年建成的DARHT-I加速器采用了一系列束品质控制技术，束品质显著提高，使X光焦斑直径(50%MTF)减小到约2mm，这是同类加速器此前从未达到过的。但对重离子束品质的控制还很不成熟，由于重离子束始终是空间电荷占优的束，许多问题尚待解决。4、固体开关调制器技术固体开关调制器是使用固体开关的脉冲发生器。常用的半导体固体开关有场效应管(MOSFET)和绝缘栅双极型晶体管(IGBT)。固体开关调制器的主要特点，首先是高重复频率，可达几MHz;其次是产生的脉冲格式(包括脉冲数量、极性、组合方式、形状、幅度等)适应性强且精度高。目前已有不少固体开关调制器投入应用和研究工作，其中ARM-II是有代表性的一种，它可以2MHz的重复率输出45kV、4.8kA的脉冲，且脉冲格式可以变化。5、高频磁芯材料技术加速组元能在几MHz的高重复频率下工作的关键是磁芯材料具有优良的高频特性，即要求磁芯材料在几MHz的高重复频率下仍有足够高的通量增量ΔB和每个脉冲激励期间较为固定的导磁率μ，且损耗又足够低。研究表明，微晶合金(Nanocrystallinealloy，商品名Finemet)和非晶金属玻璃在MHz下仍具有优良的特性，满足MHz重复频率加速组元的要求，已在实际中应用。6、高梯度绝缘体(HGI)技术高梯度绝缘体由多层薄绝缘体和薄导体交替紧密叠压构成，因此，高梯度绝缘体技术又称为微叠层绝缘技术。这种微叠层结构沿面有利于抑制发射电子的雪崩过程，因而具有比普通绝缘体优异的击穿特性，这已被实验证实。微叠层导体间隔距离即绝缘层厚度对击穿特性有显著影响，实验研究表明，随绝缘层厚度减小，击穿场强增加。图5的结果表明，高梯度绝缘体的表面击穿场强比普通绝缘体显著提高，在脉宽2ns到10μs范围，比普通绝缘体大致提高5~6倍;当脉宽为100ns时，高梯度绝缘体表面击穿场强约为350kV/cm(35MV/m)，而普通绝缘体仅约为60kV/cm(6MV/m)。