[发明专利]一种Blumlein线驱动的直线感应加速器及其电压调整方法

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。