强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究

强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究


2024年4月20日发(作者:宽带账号在哪里找)

第23卷第l1期 

2011年11月 

强 激 光 与 粒 子 束 

HIGH POWER LASER AND PARTICLE BEAMS 

Vo1.23,NO.11 

NOV.,2011 

文章编号: 1001—4322(2011)11—2901~O5 

强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究 

樊旭亮, 刘金亮, 程新兵, 张 瑜, 洪志强 

(国防科学技术大学光电科学与工程学院,长沙410073) 

摘 要: 强流电子束加速器运行时,临近的计算机和示波器会发生黑屏,这是由于在该过程中产生了较 

强的电磁辐射干扰。采用实验研究的方法,对实验室研制的强流电子束加速器产生的电磁辐射进行了测量和 

分析。结果表明:强流电子束加速器产生的电磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气 

体主开关自击穿导通3个过程。其中,初级气体开关导通时辐射的电磁波强度较大,其强度最大处在与开关相 

同高度的位置。此外,强流电子束加速器在运行过程中的电磁辐射为低频辐射,主频为21 MHz。 

关键词:强流电子束加速器;气体开关; 电磁辐射;频谱 

中图分类号: TM93 文献标志码: A doi:10.3788/HPLPB20112311.2901 

强流电子束加速器在HPM源、泵浦准分子激光器、环保和医学研究等领域有着广泛的应用_1]。但是,强 

流电子束加速器运行过程中,高功率气体开关和二极管产生强流电子束会引发强的电磁辐射。这种强的电磁 

辐射会有几方面的影响:(1)干扰和破坏加速器自身的控制电路;(2)影响临近电子设备的正常工作。电磁辐射 

会使临近的计算机和示波器等电子设备发生屏幕闪动甚至黑屏、重启等现象;(3)对信号的准确测量产生影响, 

如果实验中被测信号较弱,如测量主开关导通的光信号,即使将示波器放在屏蔽室中,这种电磁辐射仍会使得 

光信号在示波器上显示的波形非常杂乱,无法辨别;(4)如果这种电磁辐射较强,则人体无保护地暴露在其中, 

可能会受到不可预想的伤害。因此,有必要对强流电子束加速器运行过程中产生的电磁辐射进行详细研究。 

对于强流电子束加速器运行过程中脉冲功率部分的电磁辐射,国内外相关报道较少,而且尚未有完整的理 

论解释加速器运行过程中的电磁辐射,很多结论都是根据实验推测的结果。国外对于加速器辐射与防护的研 

究主要集中于接二极管负载时电子束的辐射,包括轫致辐射产生X射线和中子辐射等 铷。清华大学研究了 

直线感应加速器的电磁辐射l4],国防科学技术大学钟建忠实验研究了电感储能加速器运行的电磁辐射 ]。本 

文将加速器接水电阻假负载,测量其运行时脉冲功率部分的电磁辐射,研究了不同气压和不同距离的辐射场分 

布,并分析了辐射场的频谱。 

1 实验装置 

实验研究的强流电子束加速器结构如图1所 

示[6],主要由初级储能电容、气体触发开关、高压 

Tesla变压器、自击穿气体主开关、水介质螺旋 

Blumlein线、匹配水电阻负载、测量器件及附属设 

备等组成。加速器在工作时,首先充电回路给主电 

容器进行充电,当充电电压达到一定值时,触发系 

统输出一个高压脉冲信号,使得触发开关在瞬间导 

通,而后,初级储能电容给Tesla变压器初级放电, 

通过脉冲变压器升压并给水介质螺旋Blumlein线 

充电,当形成线充电电压达到主开关的自击穿电压 

1 primary storage capacitor; 

3 high voltage pulse transformer;

2 gas-gap switch with trigger; 

4 main switch; 

5 msistant divider;6 outer cylinder of SSBL(strip spiral Blumlein line) 

7 middle cylinder of SSBL;

9 pseudo load 

8 inner cylinder of SSBL; 

10 inducing ring for currem measurement 

时,主开关导通,形成线给匹配负载放电,在负载上 

形成高压脉冲。 

Fig.1 Diagram of intense electron—beam accelerator 

图1 强流电子束加速器结构图 

*收稿日期:2011—06—29; 修订日期:2011-08 08 

基金项目:国家高技术发展计划项目 

作者简介:樊旭亮(1988一),男,硕士研究生,从事脉冲功率技术研究;fanxuliang716@163.COrn。 

强 激 光 与 粒 子 柬 第23罄 

实验中,采用双锥天线对电磁辐射进行测量,其测量频率范围为2O~,300 MHz,同时监测变J玉器充电电 

和流过触发开关的电流,以便对照分析。为研究电磁辐射产生的时机,应当保证各个信号到达示波器是I司步 

的,因此采用相同长度的电缆线,并且在实验前对所使用的电缆线进行了延时测量。结果表明,洲量线对各信 

延时相同,信号同步性很好。 

2 理论分析 

强流电子束加速器产生的电磁辐射在空气中传播,忽略环境因素的影响,Maxwell方程组 

×E一一 

(Jt 

×B一 

+ 

z 

) ) 

(1) 

E—o 

Jf;二==0 

一 = 

式(1)是求解辐射电磁场的基本方程。推导可知,电场E一一 一OA/at,其中 为电磁场标势。 川 

Lorentz规范 ・A+ ̄sag/at—o,叮以得到,满足方程(1)的解为推迟势 

式中: 和P是开关导电通道内的电流密度和电荷密度,开关导通之后产生等离子体,考虑到其的电中性,tq:‘以 

得到p一0。开关的导电通道长度为cm量级,半径为rniil量级,因此,在测量距离远大于通道长度及半径时.可 

以认为随着积分点的变化,r不变,故而 

( ,f一 ) , 

t 

IA jr』 —_r  d,t—r_) r 

(f一— ) 

c 

E一一 4}————— dr ===一 

丌 tJ r 4 r 

离。 

(0) 

式中:J(£一r c)为开关导通电流,应当注意的是,由于使用了近似,此处,一应当是测量点到开关电极L}1心的距 

由式(3)可以看出,电场强度与电流的变化率成正比,即较强的电磁辐射出现在回路电流变化剧烈的时划。 

在加速器运行的过程中,电流变化剧烈的时刻分别对应于初级触发开关和主开关的导通,这两个时刻电流发牛 

突变,从无到有,应当会产生较强的电磁辐射。 

气体放电是一个很复杂的过程 ,开关在高电压作用下迅速导通,快速产生等离子体,形成导电通道.电子 

在经过加速后到达阳极,速度瞬间降为0,陈仕修等人认为 J,等离子体中的电子在电场作用下轴向运动,肜成 

磁场,该磁场使得等离子体成为一各向异性的非均匀色散媒质,当电子的运动速度等于其中前行波的相速时. 

电子与波之间就会进行能量交换,从而辐射出较强的电磁波。 

3 实验结果与分析 

3.1 强流电子束加速器运行电磁辐射的测量 

在图1所示的装置上在l0 1TI位置进行了测量,得到通过触 

发开关的电流J 形成线充电电压L, 和电磁辐射U 如图2所 

示。从图中三者的对应关系可以看出,在触发开关导通瞬间产生 

r电磁辐射,而后电流流过初级回路,形成线开始充电,充电过程 

巾并没有电磁辐射。而当充电电压达到主开关的白击穿电压,主 

7f关导通时,产生了电磁辐射。因此,可以断定,较强的电磁辐射 

来源于两个开关导通瞬间的电流突变,与理论分析相一致。并 

2}.ts/div 

Fig.2 Resuh of II1C ̄tS/IF(nB_H1t 

f 2测量结果 

日_,前一段辐射要强于后一段,这是由于初级开关有裸露的电磁辐射出口,而主开关位于形成线内部,屏敲效果 

第11期 樊旭亮等:强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究 

较强。放大前一段电磁辐射的起始时刻,并将天线移至距离加速器3 m处,可以观察到如图3所示的现象。即 

在开关导通之前,还存在一小段幅值较小的辐射,其起始时刻与电流起始时刻之间的时间间隔为58.2 ns,该时 

间与触发开关击穿延时相接近口 ,因此,判断该辐射是由触发信号产生的。对此,我们做了空载实验,即不给 

开关充电,只发出一个大小为80 kV触发电压信号,测量辐射及电流,如图4所示。可以看出,触发信号确实产 

生了辐射,并且触发信号与高压极之间发生了击穿,形成了电流,其击穿延时为36.8 I'IS,小于触发开关整体导 

通延时, 

200 ns/d|v 200 ns/div 

Fig.3 Comparison between 

current and radiation 

Fig.4 Comparison between current 

and radiation of trigger signal 

图3 电流与辐射对照图 图4触发信号形成的电流与辐射对照图 

可见,强流电子束加速器在运行过程中一共产生了3段辐射,时间上分别对应于触发脉冲到达、触发开关 

导通以及主开关导通。这几段辐射都是由于电流突变而产生的,在3 m的位置上测得触发开关导通时刻的辐 

射电场幅值可以达到225 V/m,持续时间达到了1 s,主开关导通时刻的辐射电场也达到了100 V/m以上,时 

间要长于前一段辐射。这样强度的电场足以对临近的电子设备产生干扰。 

3.2 电磁辐射影响因素实验研究 

首先,我们测量了在3 m和10 m位置同一气压(o.3 MPa)下,不同高度电磁辐射的分布,主要分析第2段 

电磁辐射,得到其辐射最大值随高度变化如图5所示。 

实验所研究装置的触发开关电极问中心距离地面高度为1.5 m,可以看出,在与触发开关相同高度的位 

置,其电磁辐射最强。10 m处的电磁辐射整体上小于3 m处的电磁辐射。 

改变主开关所充N。的气压,分别取0.25,0.20,0.15和0.10 MPa,天线放置于距离加速器3 m,距离地面 

1.5 m,得到如图6所示的辐射波形。 

20O 

1oo 

言。 

1OO 

200 

5 0 5 

t/Its 

10 15 

Fig.5 Relation between radiation and Fig.6 Relation between radiation and 

position of antenna air pressure of main switch 

图5 辐射与天线位置的关系图 图6 辐射与主开关气压的关系 

可以看出,随着主开关内部气压的升高,第二段辐射会有所波动,而第三段辐射增强并且出现时间推后,这 

是由于随着气压的升高,主开关自击穿电压升高,形成线的充电时间就会增长,主开关导通的时间随之推后,辐 

射也推后。而由于自击穿电压的升高,导通瞬间电流变化梯度增大,使得电磁辐射增强。这也进一步验证了辐 

射是由于开关导通的瞬变电流产生的。 

强 激 光 与 粒 子 束 第23卷 

3.3 电磁辐射的频谱分析 

频谱是电磁辐射的重要参量,因此对强流电子束加速器运行过程中产生的后两段电磁辐射进行r频谱分 

析,结果如图7所示。 

fequency/MHz 

frequency/MHz 

(a)trigger switch close,di ̄ance 3 m,height 1 5 m (b)main switch close,distance 3 m,height 1 5 m 

frequency/MHz frequency/MHz 

(c)trigger switch close,distance 1 0 m,height 1 5 m (d)main switch close distance 1 0 m,height I 5 m 

Fig.7 Frequency spectra of e1ectromagnetic radiation measured at the moment of triggered switch and main switch close 

图7 触发开关与主开关导通时刻电磁辐射频谱 

由图7可以看出,强流电子束加速器运行过程产生的是低频辐射,并且触发开关与主开关导通时刻的电磁 

辐射最大值都出现在21 MHz左右。 

4 结 论 

本文对强流电子束加速器运行过程中的电磁辐射进行了实验研究,结果表明:强流电子束加速器产生的电 

磁辐射主要来源于初级气体开关触发、初级气体开关导通以及气体主开关自击穿导通3个过程,其中,初级气 

体开关导通时刻的电磁辐射较大,电场强度达到了数百V・ITI ;初级气体开关导通时刻的电磁辐射在 开关 

高度相同的位置,幅值最大;后两段辐射其频谱主要集中在低频段,主频出现在2l MHz左右。针对运行过程 

中的电磁辐射,应当采取有效措施加以防护,以免处于其中的人体受到伤害,电子设备受到干扰。强流电子束 

加速器运行过程电磁辐射对电子设备的干扰和对人体的伤害有待进一步研究。 

参考文献: 

[】]刘金亮,钟辉煌,谭启美,等.Tesla变压器型电子束加速器初步实验[J].强激光与粒子束,2002,14(6):938—940.(Liu linliang Zhong 

Huihuang,Tan Qimei,et a1. Fesla—transforme ̄type electron beam accelerator.High Power Laser and Particle Beams。2002.14(6):938 

940) 

L2] Rokni S H,Cossairt J D,I iu J C.Radiation shielding at high energy electron and proton accelerators[c]//Procee出I s of the lleaIth 

Physics Society 2008 Professional Development SehoobTopies in Accelerator Health Physics.2007. 

[3]Vylet V,Liu J C.Radiation protection at high energy electron accelerators[C]//Invited Falk Presented at 10th Course on Accelerator 

Radiation Protection.2002. 

14]程奇峰,倪建平,李劲.直线感应加速器脉冲功率系统电场辐射测量分析EJ3.核电子学与探测技术,2009,29(5):1l 60~1l 64.(Cheng Qifeng, 

Ni Jianping,Li Jin.Measurement and analysis of the electric field radiation in pulsed power system of linear induction aceeleralor.Nwlear 

第11期 樊旭亮等:强流电子束加速器运行过程电磁辐射的实验研究 29O5 

Electronics and Detection Technology,2009,29(5):1160—1164) 

Es] 钟建忠,刘列,李立民,等.电感储能加速器运行中电磁辐射的实验研究[J].中国物理C,2008(s1):118 120.(Zhong Jianzhong,Liu Lie,Li 

Limin,et a1.Experimental research on electromagnetic radiation in inductive energy storage accelerator.Chinese Physics C,2008(s1):118— 

120) 

[6] 

I iu J L,Cheng X B,Qian B L.Study on strip spiral Blumlein line for the pulsed forming line of intense electron—beam accelerators[J].Laser 

andParticle Beams,2008,27(1):95—102. 

[7] 李承祖,赵凤章.电动力学教程[M].长沙:国防科学技术大学出版社,1997.(Li Chengzu,Zhao Fengzhang.Electrodynamics course. 

Changsha:National University of Defense Technology Press,1997.) 

[83 杨津基.气体放电物理[M].北京:科学出版社,1983.(Yang jinji.Gas discharge physics.Beijing:Science Press,1983) 

xiu,Sun 

[9] 

陈仕修,孙幼林,夏长征,等.脉冲等离子体辐射微波机理的初步研究[J].强激光与粒子束,2008,20(3):477 481.(Chen Shi

Youlin,Xia Changzheng,et a1.Preliminary study on mechanism of radiating microwave from pulsed plasma.High Power Laser and Parti— 

cle Bearns,2008,20(3):477 481) 

nhing,Liu 

[1o] 

程新兵,刘金亮,陈蒸,等.一种大电流三电极气体火花开关的工作特性[J].高电压技术,2009,35(7):1689—1694.(Cheng Xi

Jinliang,Chen Zheng,et a1.Operating characteristics of a heavy current three—electrode gas spark switch.High Voltage Engineering, 

2009,35(7):1689—1694) 

Experimental research on electromagnetic radiation during 

operation of intense electron beam accelerator 

Fan Xuliang,Liu Jinliang, Cheng Xinbing, Zhang Yu,Hong Zhiqiang 

(College of Opto—electric Science and Engineering,National University of 

Defense Technology,Changsha 410073,China) 

Abstract:The radiation generated in the process that the intense electron-beam accelerator is running with pseudo load can 

lead to the black screen of the nearby computer and oscillograph.In this study,the research using experiment method is carried 

out on this problem.Three radiation periods are demonstrated in the experiment,corresponding to the time when the trigger 

signal arrives,the primary switch operates and the main switch operates,respectively.The radiation generated when the primary 

switch operates is larger than that generated when the main switch operates.The radiation in the second period reaches the largest 

intensity at the same height as the primary switch.The analysis of frequency spectra shows that the radiation in the experiment is 

mainly concentrated in low frequency range with the main frequency of 2 1 MHz. 

Key words: intense electron-beam accelerator; gas switch; electromagnetic radiation; frequency spectrum 


发布者:admin,转转请注明出处:http://www.yc00.com/xitong/1713600853a2281372.html

相关推荐

发表回复

评论列表(0条)

  • 暂无评论

联系我们

400-800-8888

在线咨询: QQ交谈

邮件:admin@example.com

工作时间:周一至周五,9:30-18:30,节假日休息

关注微信