一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速器及其電壓調(diào)整方法
【專利摘要】本發(fā)明公開(kāi)了一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置及其電壓調(diào)整方法，包括高壓發(fā)生器（1）、主開(kāi)關(guān)（2）、Blumlein線（3）、傳輸線（4）和感應(yīng)加速腔（5），所述的Blumlein線（3）的輸出端一側(cè)的外筒（301）和內(nèi)筒（303）之間設(shè)置有一個(gè)可調(diào)電感（6）。本發(fā)明的有益效果是：在傳統(tǒng)的Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的基礎(chǔ)上，用一定電感量的可調(diào)電感將同軸Blumlein線輸出端一側(cè)的外筒和內(nèi)筒連接，當(dāng)可調(diào)電感的電感量不同時(shí)，加速裝置的加速電壓波形頂部的斜率就會(huì)不同，從而達(dá)到調(diào)節(jié)加速電壓平頂?shù)哪康?，可以方便地?duì)加速電壓波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。
【專利說(shuō)明】一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速器及其電壓調(diào)整方 法

【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及直線感應(yīng)加速器領(lǐng)域，特別是涉及到一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感 應(yīng)加速裝置及其電壓調(diào)整方法。

【背景技術(shù)】
[0002] 直線感應(yīng)加速器是一種積木式結(jié)構(gòu)的強(qiáng)流脈沖加速器。如圖1，直線感應(yīng)加速器 的脈寬較短（100ns量級(jí)）時(shí)，其脈沖功率源廣泛采用同軸Blumlein線來(lái)形成脈沖，并且 其主開(kāi)關(guān)放在Blumlein線的中筒-外筒之間，由于直線感應(yīng)加速腔的存在而自然構(gòu)成了 Blumlein線內(nèi)同軸線的充電通路，因此Blumlein線的外筒與內(nèi)筒之間不用電感連接；此 夕卜，由于Blumlein線在充電時(shí)流過(guò)感應(yīng)加速腔的電流與主脈沖的電流相反，它可以對(duì)磁芯 進(jìn)行復(fù)位，這稱為"自復(fù)位"。本發(fā)明稱這種直線感應(yīng)加速器為Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng) 加速器。
[0003] 直線感應(yīng)加速器的應(yīng)用廣泛，其中的很多應(yīng)用，如產(chǎn)生用于閃光X射線照相和自 由電子激光等應(yīng)用中的高能強(qiáng)流電子束，都對(duì)電子束的能散度提出了嚴(yán)格的要求。為了滿 足這些要求，需要采取措施，使電子束的加速電壓波形有足夠的平頂，以便減小被加速電子 束的能散度，從而減小電子束加速過(guò)程中的束心螺旋運(yùn)動(dòng)和聚焦時(shí)的色散。
[0004] 在感應(yīng)加速腔兩端并聯(lián)鎮(zhèn)定電阻可以減小感應(yīng)加速腔的電壓平頂波動(dòng)，這一措施 在實(shí)際的直線感應(yīng)加速器設(shè)計(jì)中被普遍采用。
[0005] 為了進(jìn)一步調(diào)整直線感應(yīng)加速器的加速電壓波動(dòng)，人們相繼提出了一系列措施。
[0006] 例如，在1987年的粒子加速會(huì)議（particleacceleratorconference)文集中，在 題為"Scalinglawsandoptimizationofelectronlinearinductionaccelerators，' 的文章中，在以功率源為方波源而加速電壓頂部為負(fù)斜率的前提下，從理論上提出了利用 直線感應(yīng)加速器的某些加速腔產(chǎn)生不同傾斜程度的反極性的脈沖來(lái)進(jìn)行加速電壓補(bǔ)償?shù)?方法。該方法需要的反極性脈沖較難實(shí)現(xiàn)。另外，這部分加速腔的工作方式與剩余其它 加速腔的工作方式不一致，對(duì)加速器的使用來(lái)說(shuō)也不方便。在1992年12月29日公告的 US005175506A的美國(guó)專利中，公開(kāi)了在加速腔兩端不是并聯(lián)鎮(zhèn)定電阻而是并聯(lián)金屬氧化物 可變電阻對(duì)加速腔的電壓波動(dòng)進(jìn)行調(diào)整的方法。該方法對(duì)總體的電壓幅度不敏感，當(dāng)需要 整體上調(diào)節(jié)加速器的能量時(shí)不方便。另外，由于直線感應(yīng)加速器的高功率特征，該方法中的 金屬氧化物可變電阻的可靠性也難以保證。
[0007] 在1987年的粒子加速會(huì)議（particleacceleratorconference)文集中，在題為 "Pulsequalityoptimizationonalinearinductionacceleratorteststand，'的文 章中提出，對(duì)于Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置，通過(guò)調(diào)整脈沖功率源中Blumlein線 的充電時(shí)刻與主開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)刻之間的間隔，可以調(diào)節(jié)脈沖功率源的輸出電壓波形的脈沖頂 部的斜率，從而獲得正斜率脈沖、平頂脈沖和負(fù)斜率脈沖，達(dá)到調(diào)節(jié)加速腔的電壓波形的目 的。所獲得的加速電壓波形，其前沿和頂部部分可以用形如下面（1)式的表達(dá)式來(lái)表示： U(t) = En{〇-e^) + k t]⑴ 式中，?為時(shí)間，4、r和A為電壓波形擬合常數(shù)j稱之為脈沖頂部的斜率。一般情況 下,左>〇。
[0008] 由于在直線感應(yīng)加速裝置的一般運(yùn)行情形下，主開(kāi)關(guān)都是在Marx發(fā)生器對(duì) Blumlein線的充電電壓頂部附近進(jìn)行觸發(fā)，這樣工作時(shí)，系統(tǒng)的工作很穩(wěn)定，系統(tǒng)的能量利 用率也高。而在調(diào)整脈沖功率源中Blumlein線的充電時(shí)刻與主開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)刻之間的間隔 這種調(diào)節(jié)措施中，由于主開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)刻偏離Marx發(fā)生器對(duì)Blumlein線的充電電壓頂部較 遠(yuǎn)，開(kāi)關(guān)觸發(fā)時(shí)間的前后抖動(dòng)會(huì)造成電壓幅度及波形的較大變化。
[0009] 如上所述，對(duì)于現(xiàn)有的Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置，在減小加速電壓波 動(dòng)方面的措施方面，存在以下不足：調(diào)整方法復(fù)雜，裝置的穩(wěn)定性和可靠性差。


【發(fā)明內(nèi)容】

[0010] 本發(fā)明的目的即在于克服現(xiàn)在技術(shù)的不足，提供一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感 應(yīng)加速裝置及其電壓調(diào)整方法，解決現(xiàn)有Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的電壓波 形調(diào)節(jié)方法復(fù)雜、裝置的穩(wěn)定性和可靠性差的問(wèn)題。
[0011] 本發(fā)明是通過(guò)以下技術(shù)方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的：一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝 置，包括高壓發(fā)生器、主開(kāi)關(guān)、Blumlein線、傳輸線和感應(yīng)加速腔，高壓發(fā)生器的輸出連接到 Blumlein線上，Blumlein線包括同軸的外筒、中筒和內(nèi)筒，主開(kāi)關(guān)設(shè)置在外筒和中筒之間， Blumlein線的輸出端經(jīng)傳輸線連接到感應(yīng)加速腔，感應(yīng)加速腔內(nèi)載有磁芯和鎮(zhèn)定電阻，所 述的Blumlein線的輸出端一側(cè)的外筒和內(nèi)筒之間設(shè)置有一個(gè)可調(diào)電感。
[0012] 本發(fā)明的主開(kāi)關(guān)用于控制Blumlein線的導(dǎo)通和關(guān)斷，高壓發(fā)生器的輸出電壓經(jīng)Blumlein線和傳輸線輸送到感應(yīng)加速腔，由感應(yīng)加速腔產(chǎn)生加速電壓，因?yàn)閼?yīng)用方面的需 求，需要該加速電壓有較少的平頂波動(dòng)，所以本裝置中在Blumlein線的輸出端一側(cè)的外筒 和內(nèi)筒之間設(shè)置有一個(gè)可調(diào)電感，工作人員通過(guò)改變可調(diào)電感的電感值來(lái)調(diào)節(jié)加速電壓的 波形，從而得到理想的平頂脈沖。感應(yīng)加速腔內(nèi)設(shè)置有磁芯和鎮(zhèn)定電阻，鎮(zhèn)定電阻兼做電阻 分壓器的高壓臂，其一端與饋入感應(yīng)加速腔的高壓傳輸電纜的端部相接并通過(guò)驅(qū)動(dòng)桿與感 應(yīng)加速腔的高壓盤(pán)相接。
[0013]優(yōu)選的，上述的高壓發(fā)生器為Marx發(fā)生器，即馬克思發(fā)生器，它是一種利用電容 并聯(lián)充電再串聯(lián)放電的高壓裝置，該結(jié)構(gòu)由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷電及操作過(guò) 電壓等過(guò)程，是現(xiàn)在使用非常普遍的一個(gè)高壓發(fā)生器。
[0014]優(yōu)選的，上述的主開(kāi)關(guān)采用同軸場(chǎng)畸變火花隙開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)僅受觸發(fā)脈沖作用時(shí)，放 電通道承載電流較?。婚_(kāi)關(guān)內(nèi)外電極分別連接充電電容，觸發(fā)脈沖施加于開(kāi)關(guān)觸發(fā)極時(shí)，放 電通道承載電流較大。
[0015] 進(jìn)一步，上述的Blumlein線的內(nèi)外傳輸線阻抗相等。Blumlein線的中筒、內(nèi)筒組 成內(nèi)傳輸線，中筒和外筒組成外傳輸線。
[0016]Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的電壓調(diào)整方法，包括以下步驟： A、搭建Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置，具體有高壓發(fā)生器、主開(kāi)關(guān)、Blumlein線、傳輸線和感應(yīng)加速腔； B、 在Blumlein線輸出端的內(nèi)筒和外筒之間設(shè)置可調(diào)電感； C、 設(shè)LP(I)為感應(yīng)加速腔輸出的加速電壓的前沿和頂部部分波形，Zb為可調(diào)電感的電感 值，U切與Zb的關(guān)系式為： tr(〇= ^-[(1-e-?) + (!：-|^)·?] (2) 其中，?為時(shí)間，爲(wèi)、τ和々為擬合常數(shù)，々為脈沖頂部的斜率，Ztl為Blumlein線的單 傳輸線的阻抗； D、 加速電壓的波形經(jīng)示波器顯示，工作人員通過(guò)示波器中顯示的圖形，配置一定電感 量A的可調(diào)電感，電感量4按照需要確定： (1 )當(dāng)需要正斜率的加速電壓波形時(shí)，電感量的取值按照^進(jìn)行配制； k (2) 當(dāng)需要寬平頂?shù)募铀匐妷翰ㄐ螘r(shí)，電感量的取值按照& = ^進(jìn)行配制； K (3) 當(dāng)需要負(fù)斜率的加速電壓波形時(shí)，電感量的取值按照t進(jìn)行配制； E、 工作人員通過(guò)調(diào)節(jié)的可調(diào)電感心，可以方便地獲得具有不同頂部斜率的加速電壓 波形。
[0017] 本發(fā)明的有益效果是：在傳統(tǒng)的Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速器的基礎(chǔ)上，用 一定電感量的可調(diào)電感將同軸Blumlein線輸出端一側(cè)的外筒和內(nèi)筒連接，當(dāng)可調(diào)電感的 電感量不同時(shí)，加速器的加速電壓波形就會(huì)不同，從而達(dá)到調(diào)節(jié)加速電壓平頂?shù)哪康?，可?方便地對(duì)加速電壓波形進(jìn)行調(diào)節(jié)，裝置結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單可靠。

【專利附圖】

【附圖說(shuō)明】
[0018] 圖1為傳統(tǒng)Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖2為本發(fā)明系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖； 圖3為脈沖前沿和頂部部分形如-的感應(yīng)電壓波形示意 圖； 圖4為傳統(tǒng)Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的加速組元輸出脈沖波形圖； 圖5為本發(fā)明的Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的加速組元輸出脈沖波形圖； 圖中，1-高壓發(fā)生器，2-主開(kāi)關(guān)，3-Blumlein線，4-傳輸線，5-感應(yīng)加速腔，6-可調(diào)電 感，7-磁芯，8-鎮(zhèn)定電阻，301-外筒，302-中筒，303-內(nèi)筒。

【具體實(shí)施方式】
[0019]下面結(jié)合實(shí)施例對(duì)本發(fā)明作進(jìn)一步的詳細(xì)說(shuō)明，但本發(fā)明的結(jié)構(gòu)不僅限于以下實(shí) 施例： 實(shí)施例： 如圖2所示，一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速器，包括高壓發(fā)生器1、主開(kāi)關(guān)2、Blumlein線3、傳輸線4和感應(yīng)加速腔5,高壓發(fā)生器1的輸出連接到Blumlein線3上， Blumlein線3包括同軸的外筒301、中筒302和內(nèi)筒303,主開(kāi)關(guān)2即設(shè)置在外筒301和中 筒302之間，Blumlein線3的輸出端經(jīng)傳輸線4連接到感應(yīng)加速腔5,感應(yīng)加速腔5內(nèi)載有 磁芯7和鎮(zhèn)定電阻8，所述的Blumlein線3的輸出端一側(cè)的外筒301和內(nèi)筒303之間設(shè)置 有一個(gè)可調(diào)電感6。
[0020] 本發(fā)明的主開(kāi)關(guān)用于控制Blumlein線的導(dǎo)通和關(guān)斷，高壓發(fā)生器的輸出電壓經(jīng) Blumlein線和傳輸線輸送到感應(yīng)加速腔，由感應(yīng)加速腔產(chǎn)生加速電壓，因?yàn)閼?yīng)用方面的需 求，需要該加速電壓有較少的平頂波動(dòng)，所以本裝置中在Blumlein線的輸出端一側(cè)的外筒 和內(nèi)筒之間設(shè)置有一個(gè)可調(diào)電感，工作人員通過(guò)改變可調(diào)電感的電感值，來(lái)調(diào)節(jié)加速電壓 的波形，從而得到理想到平頂脈沖。
[0021] 高壓發(fā)生器1為Marx發(fā)生器，即馬克思發(fā)生器，它是一種利用電容并聯(lián)充電再串 聯(lián)放電的高壓裝置，該結(jié)構(gòu)由E.Marx于1924年提出，它能模仿雷電及操作過(guò)電壓等過(guò)程， 是現(xiàn)在使用非常普遍的一個(gè)高壓發(fā)生器。
[0022] 主開(kāi)關(guān)2采用同軸場(chǎng)畸變火花隙開(kāi)關(guān)，開(kāi)關(guān)僅受觸發(fā)脈沖作用時(shí)，放電通道承載 電流較小；開(kāi)關(guān)內(nèi)外電極分別連接充電電容，觸發(fā)脈沖施加于開(kāi)關(guān)觸發(fā)極時(shí)，放電通道承載 電流較大。
[0023] 本實(shí)施例中，300kV的Marx發(fā)生器對(duì)水介質(zhì)Blumlein線3進(jìn)行正極性充電，主開(kāi) 關(guān)2作為Blumlein的導(dǎo)通開(kāi)關(guān)，它是300kV的同軸場(chǎng)畸變火花隙開(kāi)關(guān)。Blumlein線內(nèi)外同 軸線阻抗均為6歐，電長(zhǎng)度都為60ns。Blumlein線有四個(gè)相同的高壓輸出口，分別與四根 14m長(zhǎng)、阻抗為48歐的400kV高壓同軸電纜傳輸線9相連?？烧{(diào)電感6用漆包銅線繞制在 尼龍桿上，其電感量約為6. 8微亨。鎮(zhèn)定電阻8為50歐的硫酸銅水電阻，兼作測(cè)試加速電 壓的探頭用。直線感應(yīng)加速組元采用了中國(guó)工程物理研究院的IOMeV直線感應(yīng)加速器的加 速組元結(jié)構(gòu)，只是將其中的鐵氧體磁芯取出，換用金屬玻璃磁芯。該加速組元的中筒外徑為 250mm，夕卜筒內(nèi)徑為518mm。金屬玻璃為環(huán)狀結(jié)構(gòu)，其內(nèi)徑為260mm，外徑為500mm，共使用14 塊。
[0024]Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速器的電壓調(diào)整方法，包括以下步驟： A、 搭建Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置，具體有高壓發(fā)生器、主開(kāi)關(guān)、Blumlein 線、傳輸線和感應(yīng)加速腔； B、 在Blumlein線輸出端的內(nèi)筒和外筒之間設(shè)置可調(diào)電感； C、 設(shè)L"(l)為感應(yīng)加速腔輸出的加速電壓的前沿和頂部部分波形，Zb為可調(diào)電感的電感 值，切)與Zb的關(guān)系式為： = ErQ-[(I-e Γ) + (2) 其中，?為時(shí)間，·、τ和々為擬合常數(shù)，々為脈沖頂部的斜率，Ztl為Blumlein線的單 傳輸線的阻抗； D、 加速電壓的波形經(jīng)示波器顯示，工作人員通過(guò)示波器中顯示的圖形，配置一定電感 量A的可調(diào)電感，電感量4按照需要確定： (1 )當(dāng)需要正斜率的加速電壓波形時(shí)，電感量的取值按照乙> &進(jìn)行配制； Jf (2) 當(dāng)需要寬平頂?shù)募铀匐妷翰ㄐ螘r(shí)，電感量的取值按照k= ^進(jìn)行配制； K (3) 當(dāng)需要負(fù)斜率的加速電壓波形時(shí)，電感量的取值按照< &進(jìn)行配制； k E、工作人員通過(guò)調(diào)節(jié)的可調(diào)電感心，可以方便地獲得具有不同頂部斜率的加速電壓 波形。
[0025] 在【背景技術(shù)】中，傳統(tǒng)Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速組元的加速電壓波形的前 沿和頂部部分可以用式（1)表示，即= !,圖3即給出了該波形圖的 三種情況，圖中，a線為k> 0的正斜率脈沖，b線為k=0的平頂脈沖，c線為k< 0的負(fù)斜 率脈沖。但是該處k難以去調(diào)節(jié)，而式（2)中，調(diào)節(jié)（It-4)是和式（1)中調(diào)節(jié)k的效果是 Lb 一樣的，具體調(diào)節(jié)方式：即時(shí)的圖形斜率々是可以計(jì)算出來(lái)的，而B(niǎo)lumlein線的單傳輸線的 阻抗Ztl是固定的，所以只要調(diào)節(jié)Zb即可調(diào)節(jié)式（2)波形的斜率。
[0026] 圖4給出了傳統(tǒng)Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速組元的輸出脈沖波形圖，圖5 給出了本實(shí)施例中Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速組元輸出脈沖波形圖。從圖4和圖5 可以看出，本發(fā)明提出的調(diào)整Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的電壓波形調(diào)整效果 顯著，并且結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。
[0027] 如上即可很好地實(shí)現(xiàn)本發(fā)明。
【權(quán)利要求】
1. 一種Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置，包括高壓發(fā)生器（1)、主開(kāi)關(guān)（2)、 Blumlein線（3)、傳輸線（4)和感應(yīng)加速腔（5)，高壓發(fā)生器（1)的輸出連接到Blumlein線 (3)上，Blumlein線（3)包括同軸的外筒（301)、中筒（302)和內(nèi)筒（303)，主開(kāi)關(guān)（2)設(shè)置 在外筒（301)和中筒（302)之間，Blumlein線（3)的輸出端經(jīng)傳輸線（4)連接到感應(yīng)加速 腔（5)，感應(yīng)加速腔（5)內(nèi)載有磁芯（7)和鎮(zhèn)定電阻（8)，其特征在于：所述的Blumlein線 (3)的輸出端一側(cè)的外筒（301)和內(nèi)筒（303)之間設(shè)置有一個(gè)可調(diào)電感（6)。
2. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速裝置，其特征在于：所述的高壓發(fā)生器（1)為Marx發(fā)生 器。
3. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速裝置，其特征在于：所述的主開(kāi)關(guān)（2)采用同軸場(chǎng)畸變火 花隙開(kāi)關(guān)。
4. 根據(jù)權(quán)利要求1所述的加速裝置，其特征在于：所述的Blumlein線（3)的內(nèi)外傳輸 線阻抗相等。 5. Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置的電壓調(diào)整方法，其特征在于：包括以下步 驟： A、 搭建Blumlein線驅(qū)動(dòng)的直線感應(yīng)加速裝置，具體有高壓發(fā)生器、主開(kāi)關(guān)、Blumlein 線、傳輸線和感應(yīng)加速腔； B、 在Blumlein線輸出端的內(nèi)筒和外筒之間設(shè)置可調(diào)電感； C、 設(shè)C/取)為感應(yīng)加速腔輸出的加速電壓的前沿和頂部部分波形，Zb為可調(diào)電感的電感 值，t/切與Zb的關(guān)系式為：
其中，（為時(shí)間，馬、T和々為擬合常數(shù)，々為脈沖頂部的斜率，Ztl為Blumlein線的單 傳輸線的阻抗； D、 加速電壓的波形經(jīng)示波器顯示，工作人員通過(guò)示波器中顯示的圖形，配置一定電感 量A的可調(diào)電感，電感量4按照需要確定：
E、 工作人員通過(guò)調(diào)節(jié)的可調(diào)電感心，可以方便地獲得具有不同頂部斜率的加速電壓 波形。
【文檔編號(hào)】H05H9/00GK104363694SQ201410695763
【公開(kāi)日】2015年2月18日 申請(qǐng)日期:2014年11月27日 優(yōu)先權(quán)日:2014年11月27日
【發(fā)明者】陳思富, 李欣, 黃子平, 丁亨松, 葉毅, 谷占軍, 王莉萍, 鄭容峰 申請(qǐng)人:中國(guó)工程物理研究院流體物理研究所