介质壁加速器关键技术研究

本文介绍了介质壁加速器的原理、应用前景以及国内外的进展情况，提出在前期工作的基础上对介质壁加速器进行更为深入的研究。.已经结题的国家自然科学基金面上项目"介质壁加速器基础研究"在国内首次对介质壁加速器进行了系统的研究工作。以项目取得的成果为基础，本课题主要的研究方向是介质壁及其相关的关键技术及工艺研究，包括介质壁加速器的原理；相关新材料、新器件及其工艺研究；介质壁加速器在闪光照相、重离子加速、ADS、医疗等领域的应用研究。.通过上述工作，争取在国内率先研制出加速电压梯度大于60MV/m、脉冲宽度大于12ns的介质壁加速段,并在研究过程中解决介质壁加速器的工程设计问题，为后续工程奠定基础。

本项目在执行期间，采用文献调研、数值模拟与试验研究相结合的方式，对介质壁加速器的物理概念、关键技术进行了系统而深入的研究，加深了对介质壁加速器的理解，掌握了相关新材料、新器件的研制工艺，成功研制了高梯度绝缘介质壁、高功率光导开关、高压固态平板传输线等关键器件，独立提出了介质壁质子加速器的技术路线，并成功实现技术整合，相继研发出基于层叠Blumlein脉冲形成线的300kV纳秒脉冲加速单元和总长为5cm的1MV介质壁加速器加速段。另外，为了研究介质壁质子加速机理，本项目还配套研制了强流质子束源注入器，开展了束流动力学设计等工作。以上各项研究均取得了重要进展与突破，建立了1MeV介质壁质子加速器平台，实现了对质子束的有效加速。下面简要概述完成的研究工作以及取得的成果。.A.介质壁加速器关键技术研究.研究了固态平板传输线特性，选择复合陶瓷固态平板传输线作为介质壁加速器的固态脉冲形成线，传输线电长度4.5ns，工作场强大于53MV/m；研制了高梯度绝缘介质壁，其外径Φ50mm，内径Φ35mm，高度15mm，击穿场强最高达29MV/m，研究了绝缘介质壁真空沿面闪络机理；研制了高功率GaAs光导开关及其触发系统，开关工作直流偏压大于20kV，最大导通电流达500A，寿命达到1.6×105次。.B.300kV加速单元及1MV介质壁加速段研制.在介质壁加速器关键技术研究取得进展的基础上，成功研制了300 kV脉冲功率源。300kV脉冲功率源由15级层叠Blumlein脉冲形成线组成，可产生脉宽10ns、前沿3ns、幅度为300 kV的脉冲高压。300 kV脉冲功率源驱动高梯度绝缘介质壁，构成300 kV介质壁加速器加速单元。并由此研制了由3组300kV单元构成的长度5cm、实现约1MV加速电压的介质壁加速段，可在50Hz的重复频率和猝发模式下工作，具有100A负载能力。.C.介质壁加速器相关配套技术研究.研制了介质壁加速器注入器。其参数为：引出最小为10mA、最大50mA离子束，束流能量为40keV，发射度小于0.2 π.mm.mrad，重复频率50Hz，脉冲宽度0.5ms，质子比88%。研究了介质壁加速器对低能质子加速的束流动力学。介质壁加速器加速过程等效为行波加速，并由此模拟了1MeV质子束低能束流动力学，设计加速段采用电极为Ф18mm小管道半径结构。