[发明专利]一种直线感应加速腔结构

说明书

本发明公开了一种直线感应加速腔结构，包括铁磁室，铁磁室内设有磁芯组，磁芯组包括铁氧体磁芯和非晶磁芯。本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：横向阻抗大大降低，不需要像常规非晶磁芯感应腔那样采用增加束管道半径的方式来降低非晶磁芯感应腔的横向耦合阻抗以满足强流束的输运要求；铁氧体磁性材料近似绝缘材料且它将非晶磁芯与高压馈入板隔开，这大幅度增加了非晶磁芯感应加速腔的耐压能力；结构紧凑、可靠，既可用于短脉冲，也可用于长脉冲、多脉冲等需要提供更多伏秒数的情形；与现有感应腔相比，可以减小磁芯的用量，提高加速梯度，减少加速器的长度，利于强流束的传输，同时大幅降低加速器的造价。

技术领域

本发明涉及强流直线感应加速器，具体涉及一种直线感应加速腔结构。

背景技术

直线感应加速器是20世纪60年代发展起来的一种积木式结构的强流脉冲加速器，以产生强流脉冲带电粒子束。以电子直线感应加速器为例，其产生的脉冲电子束的电流强度为数kA级、能量数十MeV、脉宽数十ns至数μs。

直线感应加速器的加速段主要由众多直线感应加速腔（简称感应腔）串接而成。感应腔一般通过装载在环形不锈钢腔体的铁磁室中的非线性磁芯的感应隔离，实现在真空加速间隙内部提供时变场而外部无电位累加。其中，磁芯的磁感应强度增量和磁芯的横截面积的乘积（称为伏秒数）表征了感应腔产生一定幅度与宽度的感应脉冲的能力。

直线感应加速器的感应腔中的磁性材料一般为铁氧体或非晶磁芯。由于非晶磁性带材的磁感应强度增量（约为3T）比铁氧体（约为0.7T）大得多，因此，随着非晶磁性带材制造技术的迅速发展，现在的直线感应加速器感应腔都倾向于使用非晶磁芯，尤其是在长脉冲、多脉冲直线感应加速器等需要磁芯提供更多伏秒数的情形，如美国的长脉冲（~2μs）直线感应加速器DARHT-II的感应腔（图1）。即使考虑到非晶磁性带材的封装，作为成品的非晶磁环的磁感应强度增量大于1.4T，价格与相同尺寸的铁氧体基本一致，因此，与使用铁氧体磁芯相比，从提供一定幅度和宽度的感应电压所需伏秒数的能力来看，使用非晶磁芯有利于大幅减小感应腔的横截面积。

但是现有的工程适用的非晶磁芯感应腔目前有两个主要弱点：一是高压耐压问题；一是为满足横向耦合阻抗的设计要求而导致的束管道半径大幅增大的问题。

非晶磁芯感应腔使用的非晶磁性材料（也称金属玻璃）是良好的导电体，趋肤深度只有零点几微米，使用时必须制成微米级薄带，用绝缘材料（或涂层）包裹，绕制成环状。除了需要考虑所有非晶磁芯的层间绝缘、非晶磁芯内外径处的绝缘外，还需重点考虑高压馈入处非晶磁芯的绝缘。正是由于非晶感应腔的非晶磁芯离高压馈入板太近的设计缺陷，造成美国DARHT-II最初设计的众多非晶磁芯感应腔在高压调试时出现大面积击穿。在采用加速腔整体切割、加长、封装等一系列复杂工艺来增加高压馈入板与非晶磁芯的距离并使用绝缘辐条之后（参考文献“Mechanical engineering upgrades to the DARHT-IIinduction cells”，J. Barrazat, T. Ilg, K. Nielsen, et.al., The 15th IEEEInternational Pulsed Power Conference, 2005），DARHT-II在延期七年之后才最终完成调试。绝缘辐条也浪费了DARHT-II感应腔铁磁室空间。