强流电子束二极管等离子体光学诊断.pdf

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1、第24卷第4期强激光与粒子束V01．24，No．42012年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr．，2012文章编号：1001—4322(2012)04—963—05强流电子束二极管等离子体光学诊断杨杰，舒挺，张军，樊玉伟，杨建华，刘列，殷毅，罗玲(国防科学技术大学光电科学与工程学院，长沙410073)摘要：通过处理强流电子束加速器主开关导通之后所形成的高压电脉冲，得到了二极管等离子体光学诊断的同步时间基准。采用高压电脉冲延时结合二极管等离子体光信号延时的方案，实现了相机曝光过程与等离子体发光过程的ns级精度同步。综合采取屏蔽、滤波等措施，实现了整个系统

2、的电磁兼容，最终稳定地拍摄到了ns时间分辨的二极管等离子体发光过程。关键词：强流电子束；时间分辨等离子体诊断；高速分幅相机；电磁兼容中图分类号：TL65；TN248文献标志码：Adoi：lO．3788／HPLPB2O1224O4．0963自20世纪6O年代初以来，在高压脉冲功率技术_】]的推动下，强流(束流密度达几百到几千A／cm。)脉冲(百ns到s)电子束在X射线辐照效应模拟r1]、闪光X照相、高功率微波嘲产生以及材料表面改性等领域有着广泛的用途。要把加速器提供的高压电脉冲转换为电子束就需要使用真空二极管，目前常使用石墨、天鹅绒。等冷阴极来产生强流电子束。按照爆炸电子发射[8原理，阴极

3、的本质是一种低温等离子体。在电子束辐照作用下，阳极也会产生等离子体[9]。研究表明，阴阳极等离子体的时空动力学性能会直接影响二极管的工作状态和电子束流的质量，因此开展二极管等离子体诊断研究工作在理论和实际应用中均有重要意义。由于二极管等离子体发光时间极为短暂(百as级)，为捕捉近乎瞬态的光脉冲信号，高速相机曝光过程与等离子发光过程需要在强电磁干扰环境中达到ns级高精度同步。文献[10]采用从加速器Marx开关处取触发信号的方法，其同步精度约10ns。文献[11]研究了“神龙一号”直线感应加速器上开展电子柬束参数光学诊断的猝发式精确同步触发方式，其所关注的物理过程持续时间约100ns，同步

4、时间基准信号前沿为8ns。需要指出的是，文献[11—12]开展研究工作时，可以利用加速器自身充足的工作时间(大于100ns)和空间(数十m范围)来实现光学诊断系统的同步触发，如果是在相对较短的时间(100ns左右)和较为狭窄(距离加速器5IT1之内)空间范围内实现nS级同步触发，就需要更快的信号处理速度和更有效的抗干扰措施。文献[13]给出了强流二极管阴阳极等离子体发光的图片，但是并没有给出与二极管电压、电流脉宽相当时间范围内(约50ns)的等离子体分幅图像。本文搭建了强流二极管等离子体光学诊断平台，通过处理高电压信号得到了同步时间基准，采用延时电脉冲和光信号的方法实现了相机曝光过程与等

5、离子体发光过程的12S级高精度同步。1二极管等离子体光学诊断系统基于脉冲电子束加速器和高速分幅相机的二极管等离子体光学诊断系统的主要组成部分及工作流程如图1所示。加速器主体结构由初级储能电容、场畸变开关、脉冲变压器、螺旋型脉冲形成线、自击穿气体间隙主开关及其他相关控制设备组成。简化的工作过程为：初级储能电容恒压充电至预定电压值时，由控制台发出指令脉冲触发场畸变开关导通，接通放电回路。电容通过脉冲变压器对水介质脉冲形成线进行充电，当形成线充电至一定值时，主开关自击穿导通，所形成的高电压脉冲经螺旋型传输线延迟后加载到二极管，由其中的冷阴极产生强流电子束。加速器产生的脉冲高电压和电流通过电阻分

6、压器和罗氏线圈测量，二极管电流和电压的典型波形如图2所示。电压脉冲半高宽度(FWHM)为110ns，前沿(电压幅值从10上升到9O的时间)35ns，幅值200～500kV。为了突出研究基础物理问题，二极管采用简单的平板型结构，阴极材料选择常用的石墨和天鹅绒等，阳极*收稿日期：201i-1I-04；修订日期：201I-11—21基金项目：国家高技术发展计划项目；国家自然科学基金项目(11075210)作者简介：杨杰(1985一)，男，博士研究生，从事高功率微波研究；yangjie5959@yahoo．com．cn。964强激光与粒子束第24卷jIjlflflflf9123O1OO2003O

7、04005O0time

8、nsFig．1lime—resolvedopticaldiagnosticsystemFig．2Currentandvoltagewavetormsofdiode图1时间分辨光学诊断系统图2二极管电流与电压波形材料为不锈钢。等离子体发出的光信号通过二极管侧壁的光学窗口被高速相机接收。实验中使用的高速分幅相机有4个微通道板(MCP)像增强模块，最短曝光时间为3ns，可以以最短1ns幅间间隔时间同时记录4张像素为