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7】o.】5 第二届全国加速器技术学术交流会论文集
强流脉冲加速器中负载与系统的相互作用
1曾正中,。邱爱慈,1许日,2邱毓昌
1硬北核技术研究所,西安710924
2西安交通大学电气工程系,西安710049
摘要:对于由初级储能、次级储能、开关和负载等基本单元所柏成的强流脉冲加速器系统而言,
不仅负载的工作·】生能受到系统其它单元的控制和制约,而且反之,系统其它单元的工作状态也会受
到负载特性的影响.负载对系统的作用虽然在一定程度上早已为人们所认识,但具体深八的研究还
不是很充j卜.本丈就强流脉冲加速器负载对初、次级储能单元工竹状态和断路开关工作性能的影响
作了分析,并辅之以数值模拟,说明自载对系统的作用不仅涉展系统绝缘设计及安全等问题,而且
也与系统关键部件的物理过程研究和性能改进密切相关.
关键词:强流脉冲加速器,相互作用,负栽,系统
1.Bl言
强流脉冲加速器通常由初级储能、次级储能、开关和负载等基本单元组成【”。对于不同的加速器构
型,初级储能单元可分为Marx发生器和直线型脉冲变压器等型式,次级储篚单元可分为充油或水介质
的传输线电容器和抽真空的传输线电感器等型式,开关可分为闭合开关与断路开关两种型式,而负载则
有强流电子束或离子束二极管和等离子体辐射源负载等型式。国1(a)为一个传输线电容器与闭合开关结
合型强流脉冲电子束加速器的原理结构Ⅲ。借助于传输线和闭合开关构戒的多级脉冲压缩系统,脉冲被
逐级压缩,功率逐级提高,最后利用强流电子束二极管得到纳秒级高功率电子束。这类装置的~个主要
缺点是.由于开关闭台前其杂散电容的耦合作用,在最终需要的纳秒级高电压脉冲(主脉冲)到达负载之
前,负载上就已经出现了幅度较低但作用时间较长的电压脉冲(预脉冲).常使负载出现不稳定性如短路
流脉冲加速器的原理结构f31。利用传输线电感器与等离子体断路开关的组合,可以显著地减小负载上的
预脉冲芹得到脉冲前沿陡化以及电压和功率提高的效果。从电路特性上讲,PO$是一种强非线性器件,
它的工作性能既:曼外电路的控制与制约,反过来也对外电路发生显著影响,因此与二极管之间存在着相
互作用”m。
以下将针对上述两种类型加速器的具体实恻,借助于数值模拟具体地分折相应情况下负载对系统的
影响和负载一系统相互作用。
2.负载短路与加速器绝缘安全
“闪光二号”加速器121是图1(a1加速器的典型例子。它的简化等效哇.路如刨2所示。分别令其二二极
管等效阻抗为零或与馈电传输线匹配,可得初级储能Marx发生器(第一个次级储能传输线)端的瞬态电压
数值模拟曲线如图3所示。可见负载短路时发生器端存在比正常情况下高得多的振荡过电压(约为正常情
况的2倍),这对发生器内部绝缘及发生器—传输线隔离绝缘子都带来威胁。因此,不仅在加速器设计时
应当留有足够的绝缘裕度,而且在日常实验调试和运行中也应尽可能防Jj发生二:极管短路的情况。
3.Pos一二极管相互作用
参见图】(b).当冲击电压发生器对传输线电容器2的充电电压达到蛾值时,气体开关20闭合,装置
在气体开关前面的部分作为冲击电流源通过等离子体断路开关¨l对传输线电感器】6放电。当放电电流
接近其峰值时,POS由于不能传导更大的电流而发生磁绝缘进而断路。当开:炎迅速断路时,其中电流
将趋丁迅速减小。如负载是纯电阻性的,开关电流的碱小部分将立即流过负载,不会造成上述放电电流
的变化.内此也不会在电感器上感生高电压;若负载是冷阴极场致发射型二二极管,由于从阴极表面开始
场致发射到-二极管阻抗稳定有一个延迟时间(通常约20至30纳秒)旧,冈l£在开关电流迅速减小瞬间二极
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998 第二届全国加速器技术学术交泣会论文集
管电流不可能立刻增加.这将使放电电流趋丁迅遵减小,于是通过电感器将在开关两端产生比负载为同
定电阻时高得多的脉冲高电压,而过高的开关电压反过’采将会制约开关电流的迅速切断,从而影响开关
性能。
现在定量地考察一卜这种相互作爿j的强烈程度。假定负载分别为箍铺沉电子柬二饭管和纯电}q。以
I强流电子女!述器为例进行数值模拟讨算和分析。孩越速器的等效电路
美国海军实验室fNaL)的Gamble
见图4。取崮定电阻为10n,而二
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