高功率脈沖加速器

《電氣工程名詞》第一版。

1998年，經(jīng)全國科學技術名詞審定委員會審定發(fā)布。

脈沖線型電子加速器是應用十分廣泛的一種脈沖功率裝置，圖1-1給出了脈沖線加速器的結構示意圖，它主要包括直流電源、馬克斯發(fā)生器、脈沖形成線、開關和真空二極管等部分。

脈沖功率源馬克斯發(fā)生器

馬克斯發(fā)生器是一種降多個電容器并聯(lián)經(jīng)直流電源充電后，通過一些開關使電容器串聯(lián)的放電的系統(tǒng)，得到的放電電壓可以是充電電壓與電容器個數(shù)的乘積。圖1-2是一個4級馬克斯發(fā)生器的電路示意圖，首先，直流電源多4個并聯(lián)電容器

脈沖功率源脈沖形成線

一般由馬克斯發(fā)生器獲得的脈沖的持續(xù)時間在us量級，如果直接連接負載，則不可能得到高功率，而且與負載往往也不匹配。因此，必須對初級脈沖發(fā)生器產生的輸出脈沖進行整形和壓縮，其方法是在初級脈沖發(fā)生器后接電容型或電感型脈沖儲能器，再通過閉合型或斷路型開關驅動負載，這就是脈沖形成線的功能。

脈沖形成線利用電壓波在一定長度和一定波阻抗的傳輸線上的往來反射成一定脈寬的電壓脈沖，由于脈沖形成線的長度總是有限的，再長也不會超過幾十米，而電壓波在線上的傳播速度通常與光速同一數(shù)量級，因此通過多次反射形成的電壓波形很窄，一般脈寬僅幾十到上百納秒；與此同時，初級脈沖十分不規(guī)則的波形在此過程中被整形或形成更接近矩形形狀的脈沖，這就是脈沖形成線的工作原理。

脈沖形成線可以有多種結構，目前應用最多的是布魯姆萊茵傳輸線，它由3個同軸圓筒組成（參見圖1-1），筒間充油或水作為絕緣介質，充油稱為油線，充水則稱為水線。中筒與馬克思發(fā)生器相連充電，內筒通過電感與接地的外筒連接。布魯姆萊茵傳輸線可以看做是雙同軸脈沖形成的，對于相同的幾何尺寸，水線阻抗約為油線的1/6，電容約為油線的34倍，因此更適合低阻抗脈沖功率裝置，而其儲能密度則在常用液體絕緣介質中的是最高的。

當脈沖形成線被充電到額定電壓時，位于形成線終端的開關接通，脈沖形成線通過二極管的負載放電，放電過程也就是作用于二極管上的脈沖電壓的形成過程。高壓脈沖加到二極管的陰、陽極之間，陰極產生強烈的爆炸式場致發(fā)射，產生電子束，該電子束在陰、陽極之間的高電場下被加速，形成相對論電子注器件所需要的強流相對論電子束。

脈沖功率源二極管

二極管就是脈沖功率技術中的負載，它是利用脈沖功率裝置獲得強脈沖帶電粒子束、

脈沖功率裝置中常用的陰極是爆炸發(fā)射式陰極，當場強超過100kV/cm的脈沖高壓加到陰極表面時，陰極表面上的微小凸起尖端（稱為金屬晶須）上的電場可以增強幾十倍甚至數(shù)百倍，足以產生場致發(fā)射。金屬須被發(fā)射電流迅速加熱并在數(shù)納秒內引起汽化爆炸，并形成等離子體。由于在陰極表面分布有大量晶須，所以表面的局部等離子體由于膨脹而會互相連接，從而在5ns~20ns的時間內形成一個覆蓋整個陰極表面的等離子體鞘層，從這個鞘層中可以提取超過數(shù)kA/

天鵝絨也是脈沖功率裝置中常用的一種陰極，它也是一種場致發(fā)射陰極，電流密度可以達到每平方厘米數(shù)百安至數(shù)千安，其優(yōu)點是表面電場強度閾值低于爆炸式陰極的閾值，因此可以避免等離子體影響。其缺點就是電流密度較低，壽命也有限。

高壓脈沖加速器具有束流強度高、能量可逐節(jié)增加等優(yōu)點，缺點是需要昂貴的高頻、微波功率源。而且高壓脈沖加速器的優(yōu)點是從零速開始加速很方便，絕大部分回旋加速器的起始加速段（注入器）都是高壓脈沖加速器；而且加速重粒子在能量損失方面比起同步加速器來說比較有優(yōu)勢，因為重粒子偏轉需要的向心加速度更大；另外事實上都造到很大的時候高壓脈沖加速器反而比較不占地方。

高壓脈沖加速器是采用高頻電場來加速粒子的。高壓脈沖加速器既能加速質子和重離子，也能加速電子，加速質子的稱為質子高壓脈沖加速器，加速電子的稱為電子高壓脈沖加速器。質子高壓脈沖加速器的能量從幾十到幾百兆電子伏。電子高壓脈沖加速器的能量可從幾兆到幾十兆電子伏。高壓脈沖加速器可作為高能加速器（或對撞機）的注入器，此外在醫(yī)療和工業(yè)探傷方面也有廣闊的應用前景。

質子高壓脈沖加速器一般采用高頻電場來加速。加速器的外殼是1-2米的大圓筒，內壁是銅制成的，光潔如鏡。沿加速腔的軸線方向，裝有好多個金屬圓管，稱為漂移管。漂移管之間的間隙稱為加速間隙。漂移管一個比一個長，而間隙也是一段比一段大。當施加高頻電源后，在加速間隙中產生較高的高頻電場。我們知道，高頻電場的方向和大小是隨時間迅速變化的，漂移管設計得很巧妙，它好像一個個“防空洞”，洞中設有高頻電場，當粒子的飛行方向與電場方向相同時則使粒子加速，當粒子飛行方向與電場方向相反時，粒子正好躲在“防空洞”中，而不會受到電場反向造成的減速；當電場方向又變得和粒子飛行方向一致時，粒子剛好從前一個“防空洞”出來，在第二個加速間隙中得到加速，電場改變時，又正好躲在下一個“防空洞”。就這樣粒子每經(jīng)過一個加速間隙就受到一次加速，經(jīng)過若干個這樣的間隙，就能使粒子具有較高的能量。