高功率脉冲加速器

《电气工程名词》第一版。

1998年，经全国科学技术名词审定委员会审定发布。

脉冲线型电子加速器是应用十分广泛的一种脉冲功率装置，图1-1给出了脉冲线加速器的结构示意图，它主要包括直流电源、马克斯发生器、脉冲形成线、开关和真空二极管等部分。

脉冲功率源马克斯发生器

马克斯发生器是一种降多个电容器并联经直流电源充电后，通过一些开关使电容器串联的放电的系统，得到的放电电压可以是充电电压与电容器个数的乘积。图1-2是一个4级马克斯发生器的电路示意图，首先，直流电源多4个并联电容器

脉冲功率源脉冲形成线

一般由马克斯发生器获得的脉冲的持续时间在us量级，如果直接连接负载，则不可能得到高功率，而且与负载往往也不匹配。因此，必须对初级脉冲发生器产生的输出脉冲进行整形和压缩，其方法是在初级脉冲发生器后接电容型或电感型脉冲储能器，再通过闭合型或断路型开关驱动负载，这就是脉冲形成线的功能。

脉冲形成线利用电压波在一定长度和一定波阻抗的传输线上的往来反射成一定脉宽的电压脉冲，由于脉冲形成线的长度总是有限的，再长也不会超过几十米，而电压波在线上的传播速度通常与光速同一数量级，因此通过多次反射形成的电压波形很窄，一般脉宽仅几十到上百纳秒；与此同时，初级脉冲十分不规则的波形在此过程中被整形或形成更接近矩形形状的脉冲，这就是脉冲形成线的工作原理。

脉冲形成线可以有多种结构，目前应用最多的是布鲁姆莱茵传输线，它由3个同轴圆筒组成（参见图1-1），筒间充油或水作为绝缘介质，充油称为油线，充水则称为水线。中筒与马克思发生器相连充电，内筒通过电感与接地的外筒连接。布鲁姆莱茵传输线可以看做是双同轴脉冲形成的，对于相同的几何尺寸，水线阻抗约为油线的1/6，电容约为油线的34倍，因此更适合低阻抗脉冲功率装置，而其储能密度则在常用液体绝缘介质中的是最高的。

当脉冲形成线被充电到额定电压时，位于形成线终端的开关接通，脉冲形成线通过二极管的负载放电，放电过程也就是作用于二极管上的脉冲电压的形成过程。高压脉冲加到二极管的阴、阳极之间，阴极产生强烈的爆炸式场致发射，产生电子束，该电子束在阴、阳极之间的高电场下被加速，形成相对论电子注器件所需要的强流相对论电子束。

脉冲功率源二极管

二极管就是脉冲功率技术中的负载，它是利用脉冲功率装置获得强脉冲带电粒子束、

脉冲功率装置中常用的阴极是爆炸发射式阴极，当场强超过100kV/cm的脉冲高压加到阴极表面时，阴极表面上的微小凸起尖端（称为金属晶须）上的电场可以增强几十倍甚至数百倍，足以产生场致发射。金属须被发射电流迅速加热并在数纳秒内引起汽化爆炸，并形成等离子体。由于在阴极表面分布有大量晶须，所以表面的局部等离子体由于膨胀而会互相连接，从而在5ns~20ns的时间内形成一个覆盖整个阴极表面的等离子体鞘层，从这个鞘层中可以提取超过数kA/

天鹅绒也是脉冲功率装置中常用的一种阴极，它也是一种场致发射阴极，电流密度可以达到每平方厘米数百安至数千安，其优点是表面电场强度阈值低于爆炸式阴极的阈值，因此可以避免等离子体影响。其缺点就是电流密度较低，寿命也有限。

高压脉冲加速器具有束流强度高、能量可逐节增加等优点，缺点是需要昂贵的高频、微波功率源。而且高压脉冲加速器的优点是从零速开始加速很方便，绝大部分回旋加速器的起始加速段（注入器）都是高压脉冲加速器；而且加速重粒子在能量损失方面比起同步加速器来说比较有优势，因为重粒子偏转需要的向心加速度更大；另外事实上都造到很大的时候高压脉冲加速器反而比较不占地方。

高压脉冲加速器是采用高频电场来加速粒子的。高压脉冲加速器既能加速质子和重离子，也能加速电子，加速质子的称为质子高压脉冲加速器，加速电子的称为电子高压脉冲加速器。质子高压脉冲加速器的能量从几十到几百兆电子伏。电子高压脉冲加速器的能量可从几兆到几十兆电子伏。高压脉冲加速器可作为高能加速器（或对撞机）的注入器，此外在医疗和工业探伤方面也有广阔的应用前景。

质子高压脉冲加速器一般采用高频电场来加速。加速器的外壳是1-2米的大圆筒，内壁是铜制成的，光洁如镜。沿加速腔的轴线方向，装有好多个金属圆管，称为漂移管。漂移管之间的间隙称为加速间隙。漂移管一个比一个长，而间隙也是一段比一段大。当施加高频电源后，在加速间隙中产生较高的高频电场。我们知道，高频电场的方向和大小是随时间迅速变化的，漂移管设计得很巧妙，它好像一个个“防空洞”，洞中设有高频电场，当粒子的飞行方向与电场方向相同时则使粒子加速，当粒子飞行方向与电场方向相反时，粒子正好躲在“防空洞”中，而不会受到电场反向造成的减速；当电场方向又变得和粒子飞行方向一致时，粒子刚好从前一个“防空洞”出来，在第二个加速间隙中得到加速，电场改变时，又正好躲在下一个“防空洞”。就这样粒子每经过一个加速间隙就受到一次加速，经过若干个这样的间隙，就能使粒子具有较高的能量。