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1、第四章，高压倍加器第四章，高压倍加器 Cockcroft & Walton 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 k11k1 k11k1k11 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
2、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v1o+voov1o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Iq=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，被充电容的最大电压不可能达到空载时的2Va，逐级有所降低。定义：有载时可能达到的最大充电电压相对空载时的相
3、应值的差值为电压降VVmax= 2Va-V Vmin= 2Va-V -2V q2q3qq2q3qq只看主电容放电后、前半周期c3c2c1C3C2C1 q2q3qq2q3qq主电容放电后、前半周期c3c2c1C3C2C1CnqCn-12qC2(n-1)qC1nq c3c2c1C3C2C1向主电容充电脉冲、瞬间K1,k2,k3 各流q用来补赏在主电容放电时所流失的电量各主电容所获得的电荷C3，C2，C1q, 2q , 3q,总抖动振幅=（3q+2q+q)/c电压抖动V 在前半周期内电源对负载连续放电，只有一小段时间是辅电容向主电容充电。从最底到最高。在后半周期内电源对负载连续放电，只有一小段时间是
4、主电容向辅电容充电。从中到中。 当有负戴时，随级数n的增加，线路的电压降和电压波动会严重增加，因此级数n不能太高。 当n=10时 一般倍压整流器可输出直流高压从几百千伏（大气中）到兆伏级（高气压下）。高压倍加器由高压倍压整流电源，离子源（或电子枪），加速管，聚焦和传输系统，真空和控制系统组成。高压倍加器的输出功率较大，可以作为较理想的中子源，X光源和离子注入机。在核科学，医学,工农业生产中被广泛应用。绝缘芯变压器型加速器 Insulating Core Transformer一种高压型加速器，它利用绝缘芯变压器的方法产生直流高压对带电粒子进行加速。 绝缘芯变压器绝缘芯变压器工作原理:其主磁铁芯
5、分若干层，每两层间由聚合物薄膜绝缘。每层磁铁芯上绕有次级绕组。初级绕组的交流低电压，在每个次级绕组上感应出交流高电压。每个次级绕组上的交流电压，经整流（半波，全波或倍压整流）后产生直流电压。将每层上的直流电压串联起来，就形成更高的直流高压。绝缘芯变压器可采取单相或三相方式工作。绝缘芯变压器型加速器由电子枪（或离子源），高压发生器，加速管，真空，控制等系统等组成。其特点是电源利用率大（65%-75%），便宜，输出功率大，最大平均输出功率可近兆瓦级。它已成为科研，工业和农业生产中的一种很好的辐照源。我国有多台此类加速器用于电缆辐照等方面。电压抖动大，稳定性差，重量大绝缘芯变压器高频高压发生器利用高
6、频高压发生器产生高压的大功率高压型加速器。亦称地那米(Dynamitron)加速器。整个加速器安装在充有高压绝缘气体的钢筒内。两个半圆筒型的高频电极安放在钢筒之内，在电极内所有的分压环都分成两个半环，并相互绝缘。在分压环之间交替连接着整流器。 两个高频电极分别连在高频振荡器上。高频功率通过分压环与高频电极间的电容送到整流器上。通过一系列整流后，最终形成静电高压。这种加速器的特点是输出能量高、输出电流大、高压纹波小、束流品质好，而且结构紧凑、工作稳定可靠。其缺点是电源利用效率低（40%）。高频高压发生器加速器主要用于电缆电线的辐照及生产热收缩膜和管。其额定电压从400kV到4.5MV，束流功率可
7、达150kW.整流器由地电位串联到高压端，并交替地连接在耦合环上，这样，整流器就被包围于半圆形的互相绝缘的耦合环中，而整个整流柱又被两个大的半圆形高频电极所包围，因此在耦合环与高频电极间形成耦合电容，它起耦合高频电压的作用，同时耦合环本身还起分压作用。在高频振荡器的引出端，有两个共振线圈分别与高频电极相联，组成了高频发生器的高频共振回路。当高频振荡器工作时，高频功率就从振荡器通过高频电极和耦合电容分别输送到各整流器上。这样，高频电极间的交变电压就使电子通过整流器在耦合环之间来回运动，由于整流器只能单向导电，所以电子流只能通过各整流器逐级向上输送，从而使高压电极充电而形成直流高压。 例如当高频发
8、生器的左侧为负电位时，电子从左侧半耦合环(a,b,c)向右侧的半耦合环(a,b,c)运动。当左侧为正电位时，电子向左侧半耦合环(a,b,c)运动，可是aa,bb,之间的整流器不允许电子反向运动，所以，这时电子并不是反回原来的半耦合环，而是向电压较高的耦合环运动，即从a向b，从b向c运动。这样，电子就逐级地向上传输，最后到达高压电极，以使它产生负高压。如果要获得正高压，整流器的极性要与图所示的极性相反。 高频高压发生器高压端所能达到的高压值U与级数成正比。级数是指耦合环或耦合电容的总数，如图所示。由下而上共有N个耦合电容，故称为N级高频高压发生器。 负载电流在高压端有稳定负载电流I的情况下，各级
9、耦合电容可能达到的最大充电电压值是逐级上升的。设高频电极间所加高频电压幅值为V。，高频频率为frf(一般在100千周秒以上)，各级耦合电容量均为C(一般为几个pF)，则第一级电容Cl最大充电电压值为v。第二级电容C2最大充电电压值为:第三级电容C3最大充电电压值为:第N级电容C，最大充电电压值为:可见，在有稳定负载时，高压端的最高电压为:式中V为有载时电压降落值高功率粒子束加速器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
10、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高功率粒子束加速器Marx高压发生器高压发生器 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G2Gn依次在电压2VnV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
11、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G2Gn依次在电压2VnV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，
12、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
13、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。
