一种Blumlein线驱动的直线感应加速器及其电压调整方法

摘要

本发明公开了一种Blumlein线驱动的直线感应加速装置及其电压调整方法，包括高压发生器（1）、主开关（2）、Blumlein线（3）、传输线（4）和感应加速腔（5），所述的Blumlein线（3）的输出端一侧的外筒（301）和内筒（303）之间设置有一个可调电感（6）。本发明的有益效果是：在传统的Blumlein线驱动的直线感应加速装置的基础上，用一定电感量的可调电感将同轴Blumlein线输出端一侧的外筒和内筒连接，当可调电感的电感量不同时，加速装置的加速电压波形顶部的斜率就会不同，从而达到调节加速电压平顶的目的，可以方便地对加速电压波形进行调节，装置结构简单可靠。

说明书

技术领域

本发明涉及直线感应加速器领域，特别是涉及到一种Blumlein线驱动的直线感应加速装置及其电压调整方法。

背景技术

直线感应加速器是一种积木式结构的强流脉冲加速器。如图1，直线感应加速器的脉宽较短（100ns量级）时，其脉冲功率源广泛采用同轴Blumlein线来形成脉冲，并且其主开关放在Blumlein线的中筒-外筒之间，由于直线感应加速腔的存在而自然构成了Blumlein线内同轴线的充电通路，因此Blumlein线的外筒与内筒之间不用电感连接；此外，由于Blumlein线在充电时流过感应加速腔的电流与主脉冲的电流相反，它可以对磁芯进行复位，这称为“自复位”。本发明称这种直线感应加速器为Blumlein线驱动的直线感应加速器。

直线感应加速器的应用广泛，其中的很多应用，如产生用于闪光X射线照相和自由电子激光等应用中的高能强流电子束，都对电子束的能散度提出了严格的要求。为了满足这些要求，需要采取措施，使电子束的加速电压波形有足够的平顶，以便减小被加速电子束的能散度，从而减小电子束加速过程中的束心螺旋运动和聚焦时的色散。

在感应加速腔两端并联镇定电阻可以减小感应加速腔的电压平顶波动，这一措施在实际的直线感应加速器设计中被普遍采用。

为了进一步调整直线感应加速器的加速电压波动，人们相继提出了一系列措施。

例如，在1987年的粒子加速会议（particle accelerator conference）文集中，在题为“Scaling laws and optimization of electron linear induction accelerators”的文章中，在以功率源为方波源而加速电压顶部为负斜率的前提下，从理论上提出了利用直线感应加速器的某些加速腔产生不同倾斜程度的反极性的脉冲来进行加速电压补偿的方法。该方法需要的反极性脉冲较难实现。另外，这部分加速腔的工作方式与剩余其它加速腔的工作方式不一致，对加速器的使用来说也不方便。在1992年12月29日公告的US005175506A的美国专利中，公开了在加速腔两端不是并联镇定电阻而是并联金属氧化物可变电阻对加速腔的电压波动进行调整的方法。该方法对总体的电压幅度不敏感，当需要整体上调节加速器的能量时不方便。另外，由于直线感应加速器的高功率特征，该方法中的金属氧化物可变电阻的可靠性也难以保证。

在1987年的粒子加速会议（particle accelerator conference）文集中，在题为“Pulse quality optimization on a linear induction accelerator test stand”的文章中提出，对于Blumlein线驱动的直线感应加速装置，通过调整脉冲功率源中Blumlein线的充电时刻与主开关触发时刻之间的间隔，可以调节脉冲功率源的输出电压波形的脉冲顶部的斜率，从而获得正斜率脉冲、平顶脉冲和负斜率脉冲，达到调节加速腔的电压波形的目的。所获得的加速电压波形，其前沿和顶部部分可以用形如下面（1）式的表达式来表示：

                      （1）

式中，t为时间，E₀、τ和k为电压波形拟合常数，k称之为脉冲顶部的斜率。一般情况下，k>0。

由于在直线感应加速装置的一般运行情形下，主开关都是在Marx发生器对Blumlein线的充电电压顶部附近进行触发，这样工作时，系统的工作很稳定，系统的能量利用率也高。而在调整脉冲功率源中Blumlein线的充电时刻与主开关触发时刻之间的间隔这种调节措施中，由于主开关触发时刻偏离Marx发生器对Blumlein线的充电电压顶部较远，开关触发时间的前后抖动会造成电压幅度及波形的较大变化。

如上所述，对于现有的Blumlein线驱动的直线感应加速装置，在减小加速电压波动方面的措施方面，存在以下不足：调整方法复杂，装置的稳定性和可靠性差。

发明内容

本发明的目的即在于克服现在技术的不足，提供一种Blumlein线驱动的直线感应加速装置及其电压调整方法，解决现有Blumlein线驱动的直线感应加速装置的电压波形调节方法复杂、装置的稳定性和可靠性差的问题。

本发明是通过以下技术方案来实现的：一种Blumlein线驱动的直线感应加速装置，包括高压发生器、主开关、Blumlein线、传输线和感应加速腔，高压发生器的输出连接到Blumlein线上，Blumlein线包括同轴的外筒、中筒和内筒，主开关设置在外筒和中筒之间，Blumlein线的输出端经传输线连接到感应加速腔，感应加速腔内载有磁芯和镇定电阻，所述的Blumlein线的输出端一侧的外筒和内筒之间设置有一个可调电感。 

本发明的主开关用于控制Blumlein线的导通和关断，高压发生器的输出电压经Blumlein线和传输线输送到感应加速腔，由感应加速腔产生加速电压，因为应用方面的需求，需要该加速电压有较少的平顶波动，所以本装置中在Blumlein线的输出端一侧的外筒和内筒之间设置有一个可调电感，工作人员通过改变可调电感的电感值来调节加速电压的波形，从而得到理想的平顶脉冲。感应加速腔内设置有磁芯和镇定电阻，镇定电阻兼做电阻分压器的高压臂，其一端与馈入感应加速腔的高压传输电缆的端部相接并通过驱动杆与感应加速腔的高压盘相接。

优选的，上述的高压发生器为Marx发生器，即马克思发生器，它是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程，是现在使用非常普遍的一个高压发生器。 

优选的，上述的主开关采用同轴场畸变火花隙开关，开关仅受触发脉冲作用时，放电通道承载电流较小；开关内外电极分别连接充电电容，触发脉冲施加于开关触发极时，放电通道承载电流较大。 

进一步，上述的Blumlein线的内外传输线阻抗相等。Blumlein线的中筒、内筒组成内传输线，中筒和外筒组成外传输线。

Blumlein线驱动的直线感应加速装置的电压调整方法，包括以下步骤：

A、搭建Blumlein线驱动的直线感应加速装置，具体有高压发生器、主开关、Blumlein线、传输线和感应加速腔；

B、在Blumlein线输出端的内筒和外筒之间设置可调电感；

C、设为感应加速腔输出的加速电压的前沿和顶部部分波形，L_B为可调电感的电感值，与L_B的关系式为：

               （２）

其中，t为时间，、τ和k为拟合常数，k为脉冲顶部的斜率，Z₀为Blumlein线的单传输线的阻抗；

D、加速电压的波形经示波器显示，工作人员通过示波器中显示的图形，配置一定电感量L_B的可调电感，电感量L_B按照需要确定：

（１）当需要正斜率的加速电压波形时，电感量的取值按照进行配制；

（２）当需要宽平顶的加速电压波形时，电感量的取值按照进行配制；

（３）当需要负斜率的加速电压波形时，电感量的取值按照进行配制；

Ｅ、工作人员通过调节的可调电感L_B，可以方便地获得具有不同顶部斜率的加速电压波形。

本发明的有益效果是：在传统的Blumlein线驱动的直线感应加速器的基础上，用一定电感量的可调电感将同轴Blumlein线输出端一侧的外筒和内筒连接，当可调电感的电感量不同时，加速器的加速电压波形就会不同，从而达到调节加速电压平顶的目的，可以方便地对加速电压波形进行调节，装置结构简单可靠。

附图说明

图1 为传统Blumlein线驱动的直线感应加速装置的结构示意图；

图2为本发明系统的结构示意图；

图３为脉冲前沿和顶部部分形如的感应电压波形示意图；

图４为传统Blumlein线驱动的直线感应加速装置的加速组元输出脉冲波形图；

图５为本发明的Blumlein线驱动的直线感应加速装置的加速组元输出脉冲波形图；

图中，1-高压发生器，2-主开关，3- Blumlein线，4-传输线，5-感应加速腔，6-可调电感，7-磁芯，8-镇定电阻，301-外筒，302-中筒，303-内筒。

具体实施方式

下面结合实施例对本发明作进一步的详细说明，但本发明的结构不仅限于以下实施例：

实施例：

如图2所示，一种Blumlein线驱动的直线感应加速器，包括高压发生器1、主开关2、Blumlein线3、传输线4和感应加速腔5，高压发生器1的输出连接到Blumlein线3上，Blumlein线3包括同轴的外筒301、中筒302和内筒303，主开关2即设置在外筒301和中筒302之间，Blumlein线3的输出端经传输线4连接到感应加速腔5，感应加速腔5内载有磁芯7和镇定电阻８，所述的Blumlein线3的输出端一侧的外筒301和内筒303之间设置有一个可调电感6。 

本发明的主开关用于控制Blumlein线的导通和关断，高压发生器的输出电压经Blumlein线和传输线输送到感应加速腔，由感应加速腔产生加速电压，因为应用方面的需求，需要该加速电压有较少的平顶波动，所以本装置中在Blumlein线的输出端一侧的外筒和内筒之间设置有一个可调电感，工作人员通过改变可调电感的电感值，来调节加速电压的波形，从而得到理想到平顶脉冲。

高压发生器1为Marx发生器，即马克思发生器，它是一种利用电容并联充电再串联放电的高压装置，该结构由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷电及操作过电压等过程，是现在使用非常普遍的一个高压发生器。 

主开关2采用同轴场畸变火花隙开关，开关仅受触发脉冲作用时，放电通道承载电流较小；开关内外电极分别连接充电电容，触发脉冲施加于开关触发极时，放电通道承载电流较大。 

本实施例中，300kV的Marx发生器对水介质Blumlein线3进行正极性充电，主开关2作为Blumlein的导通开关，它是300kV的同轴场畸变火花隙开关。Blumlein线内外同轴线阻抗均为6欧，电长度都为60ns。Blumlein线有四个相同的高压输出口，分别与四根14m长、阻抗为48欧的400kV高压同轴电缆传输线9相连。可调电感6用漆包铜线绕制在尼龙杆上，其电感量约为6.8微亨。镇定电阻8为50欧的硫酸铜水电阻，兼作测试加速电压的探头用。直线感应加速组元采用了中国工程物理研究院的10MeV直线感应加速器的加速组元结构，只是将其中的铁氧体磁芯取出，换用金属玻璃磁芯。该加速组元的中筒外径为250mm，外筒内径为518mm。金属玻璃为环状结构，其内径为260mm，外径为500mm，共使用14块。

Blumlein线驱动的直线感应加速器的电压调整方法，包括以下步骤：

A、搭建Blumlein线驱动的直线感应加速装置，具体有高压发生器、主开关、Blumlein线、传输线和感应加速腔；

B、在Blumlein线输出端的内筒和外筒之间设置可调电感；

C、设为感应加速腔输出的加速电压的前沿和顶部部分波形，L_B为可调电感的电感值，与L_B的关系式为：

               （２）

其中，t为时间，、τ和k为拟合常数，k为脉冲顶部的斜率，Z₀为Blumlein线的单传输线的阻抗；

D、加速电压的波形经示波器显示，工作人员通过示波器中显示的图形，配置一定电感量L_B的可调电感，电感量L_B按照需要确定：

（１）当需要正斜率的加速电压波形时，电感量的取值按照进行配制；

（２）当需要宽平顶的加速电压波形时，电感量的取值按照进行配制；

（３）当需要负斜率的加速电压波形时，电感量的取值按照进行配制；

Ｅ、工作人员通过调节的可调电感L_B，可以方便地获得具有不同顶部斜率的加速电压波形。

在背景技术中，传统Blumlein线驱动的直线感应加速组元的加速电压波形的前沿和顶部部分可以用式（1）表示，即，图3即给出了该波形图的三种情况，图中，a线为k＞0的正斜率脉冲，b线为k=0的平顶脉冲，c线为ｋ＜0的负斜率脉冲。但是该处k难以去调节，而式（2）中，调节（）是和式（1）中调节k的效果是一样的，具体调节方式：即时的图形斜率k是可以计算出来的，而Blumlein线的单传输线的阻抗Z₀是固定的，所以只要调节L_B即可调节式（2）波形的斜率。

图４给出了传统Blumlein线驱动的直线感应加速组元的输出脉冲波形图，图５给出了本实施例中Blumlein线驱动的直线感应加速组元输出脉冲波形图。从图４和图５可以看出，本发明提出的调整Blumlein线驱动的直线感应加速装置的电压波形调整效果显著，并且结构简单。

如上即可很好地实现本发明。