加速器物理高压倍教程分析.pptVIP

高功率粒子束加速器 （High Power Particle Beam Accelerator） 在脉冲高电压的电场作用下，将非常大的带电粒子束团（几十KA至几十MA）进行加速的装置称之为高功率粒子束加速器。它与一般加速器不同之处在于被加速的带电粒子束流非常大。因此要求束流源的发射能力要非常强，故采用场致发射二极管 高功率粒子束加速器 Marx高压发生器 Marx高压发生器又称冲击电压发生器。它的工作原理是对储能电容器进行并联充电，通过火花隙开关使之串联放电，从而使电压倍加来获得更高的脉冲电压输出。经典的Marx发生器线路如图1所示。变压器T和整流器D组成的高压直流电源将各级电容C充电至电压V，各球隙开关G1两端电位差也为V，在充电过程中球隙开关自击穿电压稍大于V。当外加脉冲信号触发G1时，间隙G2……Gn依次在电压2V……nV作用下全部击穿，通过球隙开关以串联方式倍加起来，通过主开关Gs输出–nV脉冲高压给负载。 变压器T和整流器D组成的高压直流电源。各级电容C充电至电压V，各球隙开关G1两端电位差也为V，在充电过程中球隙开关自击穿电压稍大于V。当外加脉冲信号触发G1时，点1的电位瞬间从V降至零，由于电容器两端的电位差不能跃变，点2的电位由原来的零瞬时下降至–V，由于有充电电阻的隔离作用，点3仍为原电位V，此时球隙开关G2两端电压为2V，则G2被过电压击穿。同理G3承受3V过电压被击穿。依此类推，间隙G2……Gn依次在电压2V……nV作用下全部击穿，通过球隙开关以串联方式倍加起来，通过主开关Gs输出–nV脉冲高压给负载。 高功率粒子束加速器工作过程 直流高压电源对Marx发生器中的电容并联充电，将电能储存在脉冲电容器中，Marx发生器中的球隙开关，在外加高压脉冲触发信号的作用下逐级导通，使各级之间串联起来。各级电容器的电压叠加，输出端电压为nV，其中n为电容器个数，V为每级电容器所充电压。 串联放电的Marx发生器此时对脉冲形成线的电容进行充电，脉冲形成线上的电压呈阻尼衰减振荡状态。如当脉冲形成线上电压上升至第一个峰的峰值附近时让主开关导通，此时在脉冲形成线上发生波过程，一个阶跃电压波从脉冲形成线传向二极管负载。脉冲形成线可做成单同轴线、双同轴成线（又称Blumlein线）、平板带状线、径向线等多种形式。脉冲形成线的绝缘介质可选用油介质或去离水介质。二极管为冷阴极场致发射二极管，由处于真空室内的阴极和阳极组成，其功能是将电脉冲能量转换为粒子束能。可以做成电子束二极管或离子束二极管。 电子束二极管 在脉冲高电压作用下，瞬间能产生很大电子流（几KA~几MA）的二极管称之为电子束二极管，特指是冷阴极场致发射二极管。二极管的结构由三部分组成：阴极、阳极和绝缘支撑。按绝缘结构型式可分为径向绝缘和轴向绝缘两种类型，二极管的工作机理可概述如下：冷阴极表面的微观突起（“胡须”）由于场增强原因形成场发射，因焦耳加热使尖端处阴极材料蒸发，产生“胡须”爆炸，形成阴极光斑。局部等离子体猝发及膨胀，在阴极附近形成等离子体壳层。阴极等离子体成为电子发射源。发射的束流强度受相关的空间电荷限制律支配。 第四章，高压倍加器 倍压整流线路 一种最早期的，而今仍广泛应用的高压型加速器。利用倍压整流方法产生直流高压，对离子或电子加速。其倍压整流工作原理主要由高压变压器，高压整流器和高压电容器等组成。在无负戴时，倍压整流线路输出的高压随倍压级数增加而线性增加，可表达为： Vi=0=2nVa 式中Va为高压变压器的次级绕组交流电压峰值。 理想：硅堆、电容、变压器 通 k1’ k1 k1 k1’ k1 k1’ 不通 k1 k1’ k1’ k11’k1 k11’k1’k11’ k1 k11’ 几个周期之后 多级倍压电源 在变压器输出的负半周期内，不只是电荷从地经k1’向c1’充电，也有部分电荷从电容c1, c2 经k2’ k3’向电容c2’ c3’充电；在正半周期内，每个辅电容均向主电容充电。 多周期后，除c1’为va外，其余全部电容均为2 va 在每个周期的前半周内，只有v1’o’+vo’o0时,正电荷通过k1’向c1’充电。 在每个周期的后半周内，只有v1’o’+vo’ov1o时c’上的部分电荷通过k1向c1充电。 时间越来越短，越来越接近幅值。 负载电流的影响 负载：加速器离子流；分压电阻流；电晕放电流；绝缘支柱表面电流；电容器漏电。等效电阻Re、等效电流I q=iT 连续放电，电压连续下降，又在充电时间内得到补充。周期性的释放补充，造成波动 由于担任充电电容自身电量的减少，被充电