天光一号预放大器电子束产生和传输

1、第12卷第1期2000年2月强激光与粒子束HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMS.12,No.1VolFeb.,2000文章编号:10014322(2000)0109904天光一号预放大器电子束产生和传输马维义,胡凤明,马景龙,王孝君,单玉生,王乃彦(中国原子能科学研究院,北京275信箱7分箱,102413)摘要:论述了天光一号电子束泵浦KrF准分子激光预放大器电子束产生和传输系统的研制。针对低电压(400kV)和高电流密度(143Acm-2),重点考虑了二极管真空绝缘界面、电极结构、漂移区长度和主膜支撑等问题并介绍了实验结果:二极管电压在450kV以上仍能稳定工作,电流

2、上升前沿约20ns,电子束总束能4.2kJ以上。只要开关导通时间选在PFL电压峰值附近,Marx建立时间抖动小于20ns,对总束能的影响将小于5%。关键词:KrF准分子激光放大器;二极管;电子束传输中图分类号:TN011文献标识码:A天光一号MOPA系统由前端、电子束泵浦的KrF准分子激光预放大器(预放级)、主放大器和光学角多路传输系统组成。它由高质前端LPX2150型KrF准分子激光器输出的激光经空间滤波器和分束器,形成3束的一个脉冲链以稍微不同的角度相继进入激光预放大器,经预放大器双程放大后,每束再分成两束并扩束组成一个6束的脉冲链,再经过激光功率放大器(主放大器)双程放大,然后经过消延时

3、,聚焦后6束激光同时打在靶上。MOPA系统的主放大器1对输入光束的要求是每束激光能量在10J量级,因此要求预放大器的输出能量为几十焦耳,预放大器的激光气室口径<12cm,气室长54cm。为了获得电子束在激光气体介质中均匀的能量沉积,预放级采用了双向电子束泵浦结构(见图1)。为了增加主开关的驱动阻抗减小脉冲上升时间,它由一个Marx发生器接两个78的脉冲形成线,每个脉冲形成线后有一激光触发开关和78脉冲传输线,再由两个二极管引出两电子束从相对两侧进入激光腔。本文重点介绍预放级电子束的产生和传输系统的研制及实验结果,并描述Fig.1PhotooftheHeaven preamplifier图

4、1天光一号预放大器了Marx建立时间抖动对二极管总束能的影响。1预放级电子束的产生和传输系统的研制预放大器的激光腔口径<12cm,故要求电子能量不能太高。为获得高的泵浦速率,束流密度要高。根据预放级对电子束的要求,二极管的电压为400kV、电流密度为143Acm-2。因为预放级用以放大每束脉宽为23ns的3束脉冲链,故要求电子束脉宽100ns。在电压低束流密度高又无外加引导磁场的情况下,如何减小能量损失,提高能量利用效率和提高电子束均匀性变得十分重要。为此,在预放级电子束的产生和传输系统研制中,重点考虑了二极管真空绝缘界面、阴阳极结构、漂移区长度、主膜支撑等问题。国家863惯性约束聚变领

5、域资助课题1999年9月12日收到原稿,2000年1月3日收到修改稿。马维义,女,1941年3月出生,研究员© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.100强激光与粒子束第12卷1.1二极管真空绝缘界面(ZD+ZL),其中L是主开关、要想能量利用效率高,电流脉冲前沿必须快。脉冲前沿tR=2.2L 传输部分和二极管等的总电感。ZD和ZL分别为脉冲形成线和二极管的阻抗。在阻抗一定的情况下,除应该设法减小主开关的电感外,二极管电感也需要小,以获得较快的前沿。因而我们采用了径向绝缘结构的二

6、极管真空绝缘界面。采用一<38cm×4.8cm的有机玻璃隔板,在真空界面上加工了5圈沟槽,槽深116cm,间距1.8cm,以加大沿面放电距离,提高击穿电压;同时中心杆处有一<11cm的金属圆环,用以降低三结合点处电场。采取上述措施后,沿面击穿电压可大于800kV。1.2二极管阴阳极结构为获得高的能量传输效率,二极管和传输线的阻抗与形成线阻抗相匹配是十分重要的。形成线阻抗为78,故传输线和二极管阻抗也为78。因为要求二极管电压400kV,电流密度142Acm-2。激光腔电子束窗口为12cm×40cm,故选阴极面积为10cm×40cm。在上述条件下,二极管

7、电流为57kA,这时长边和短边的临界电流分别为78kA和80kA,这样二极管电流与长边和短边的临界电流之比分别为0173和0.71,因而电子束将有明显箍缩。在无外加磁场情况下,设计的二极管阴阳极结构如图2所示。通过改变在电极靠边缘处的电场方向,从而使这部分阴极的电子发射呈发散型,来减小电子束的箍缩。1.3漂移区长度Fig.2Schematicdrawingofelectronbeamdiode二极管阳极膜和激光腔压力膜之间的区域称为图2二极管结构示意图电子束漂移区。该区外加电场等于零,但电子束在此区内将产生一电场,其径向分量将使电子束发散,而纵向分量将使电子束减速。在漂移区长度接近阴阳极极间距

8、离时,速度将降至为零而形成一虚阴极,这样一些电子将被虚阴极反射而使透过压力膜的电子减少。电子束的透过率与漂移区的长度和直径有关,为防止产生虚阴极,漂移区长度必须小于阴阳极间距,这里78阻抗二极管阴阳极间距为2.03cm,我们选漂移区长度为1.4cm,以此消除虚阴极。1.4膜中能量损失和主膜支撑(Hibachi)从二极管产生的电子束将有一部分损失在阳极膜、压力膜和漂移区中,同时有一部分被Hibachi阻挡。在膜中的能量损失与电子能量和膜性质有关。如采用30mAl阳极膜和35mTi压力膜,两膜的能量损失将大于50keV。为提高电子束透过率,减小束能损失,除采用尽可能薄的膜或网外,还必须减少在简单结

9、构情况下,长度为Hibachi的阻挡,因而要求Hibachi的筋宽b和筋厚d要小,而筋间距c要大。4bdL的筋上受到的挠应力S=3cLp 22,其中p是激光介质的气压,包括静压力和电子束在介质中沉积能量产生的压力p。为保证筋条的支撑作用,筋条的抗张应力必须远大于S。选用特制1724PH高强度不锈钢制作筋条(其b值比普通不锈钢高5倍),并使筋条两端固定,这样S大约减小1 3。同时采用了拱形结构进一步增加其强度。选b=0.18cm,d=0.5cm,c=3cm和L=12cm,Hibachi的几何透过率为94%。2实验结果由Marx发生器内14组电容器并联充电和串联放电,经主开关和脉冲形成线形成宽10

10、0ns的高压脉冲,再经过脉冲传输线加到二极管上。由逐步增加电容器充电电压的升压放电实验,得到如下结果:(1)系统达到预期指标,性能良好,充电电压在70kV以上时,仍能稳定工作,无任何击穿现象发生。© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.第1期马维义等:天光一号预放大器电子束产生和传输101(2)两开关同时导通时,两二极管的电压和电流波形一样,其波形见图3。图3也给出了由电压V(t)和电流I(t)计算的功率P(t)和阻抗R(t)曲线。在充电电压65kV、两开关同时在峰值电压附近导通

11、时,二极管峰值电压和电流分别为450kV和60kA,电流上升前沿约20ns,两二极管总束能在4.2kJ以上。Fig.3Waveformsofdiode图3二极管波形图(3)由在激光腔压力膜上电子束痕迹和变色片测量表明电子束分布较均匀,由此估计电子束纵向长度(短边)约10cm,二极管阴极短边长10cm。这表明设计的电极结构达到预期效果,电子束箍缩减弱。(4)在激光腔内气压0.2MPa时,Hibachi无明显变形,完全满足实验要求。(5)实验表明:虽然Marx发生器同时给两个脉冲形成线充电,当开关以自击穿方式工作时,因开关导通时间的抖动,两开关导通时间差t对两二极管工作影响较大(见图4)。当t为几

12、纳秒时,影响不大;当t为几十纳秒时,波形有明显变化,同时由于两电子束进入气室的时间差,加大了气室内能量沉积随时间的变化,亦加大了泵浦速率随时间变化,有效能量利用率减小,必将影响激光能量和光束品质;当t>100ns时,后导通的二极管完全不能正常工作,同时造成阻抗不匹配,使后导通开关这边电压在形成线中产生大的振荡。另外,正脉冲的存在还可能造成水线中的电压击穿。因此两开关采用激光同时触发是十分必要的。Fig.4Voltageswaveformsforthetwodiodesatdifferenttwoswitchesfiringtime图4两开关在导通时间差为t时二极管电压波形3Marx电压建

13、立时间的抖动对电子束能的影响在开关的激光触发时间选定后,由于Marx电压建立时间的抖动对两开关工作和电子束总束能将有影响。如果抖动太大,也就是Marx电压建立时间太晚或太早,触发激光到来时由于脉冲形成线© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.102强激光与粒子束第12卷(PFL)电压过低则不能导通开关,从而造成激光同步触发的失败;而且,即使在开关能被激光触发导通的情况下,由于导通时间对应的PFL电压不同,这样每次放电加在二极管上的电压就不同,使得电子束能每次都不一样,造成预放级工

14、作的不稳定。故要求Marx电压建立时间的抖动越小越好。而要减少其抖动,必须要Marx发生器球隙导通时间的抖动,直接影响Marx电压建立时间的抖动。求球隙的触发脉冲低抖动、幅值高和上升前沿快,以及尽量降低球隙气压,使球隙自击穿时气压与工作时气压之比大于90%。实验中尽管力求选择最佳的工作条件,但Marx电压的建立时间仍有抖动,那么这对预放级工作会造成多大影响,抖动时间小到何种程度方可达到要求?在MOPA系统的工作中这也是十分重要的问题,下面即从分析和实验两方面加以讨论。3.1PFL电压波形分析实验记录了在Marx充电电压为50kV和55kV时放电,10次开关不导通时的PFL电压波形,测出每个波形

15、的峰值电压VP,与电子束总能量ED的0.90、0.92和0.95相应的电压值及对应的时间,取10个波形的平均值。当电子束能量为0.90、0.92和0.95ED时,对应时间范围是±49、±37、和±28ns。也就是说,如果开关触发时间选在PFL波形峰值电压附近,在Marx建立时间抖动小于50ns时,对电子束能量的影响将小于10%,抖动小于25ns时对ED的影响将小于5%。3.2实验结果实验选择的最佳条件:小Marx发生器触发脉冲的闸流管高压32kV,小Marx的球隙气压0106MPa,工作电压为自击穿电压的96%。输出脉冲高压幅值约140kV,上升时间约15ns。M

16、arx球隙气压选在相应电容器充电电压接近自击穿时的气压。开关的触发激光注入时间抖动小于5ns,激光能量各约为10mJ。定义0为Marx电压建立时间,1和VM分别为激光触发开关导通时间和PFL电压幅值(未乘分压比)。t1和t2为两二极管电流起始时间。在保持Marx充电电压不变条件下放电,14次放电实验结果见表1。表1在同样Marx充电电压下14次放电实验结果Table1Experimentalresultsof14shotsatthesameMarxchargedvoltageprojectaveage0 ns1361 ns335VM Vt1 nst2 nsED J11.396266193880

17、由PFL电压波形分析和放电结果都表明,只要开关触发时间选在PFL电压的峰值附近,Marx电压建立时间抖动小于20ns,对电子束总束能的影响将小于5%。参考文献1.Two2sideelectronbeampumpingsystemforhundred2joule2levelKrFexciMaWeiyi,etalmer.中国激光(英文版),1996,B5(6):4852RosochaLA,RiepeKB.Electron2beamsourcesforpumpinglargeapertureKrFlasers.FusionTechnology,1987,11:608PRODUCTIONANDTRAN

18、SMISSIONOFELECTRONBEAMSFORHEAVEN- PREAMPLIFIERMAWei2yi,HUFeng2ming,MAJing2long,WANGXiao2jun,SHANYu2sheng,WANGNai2yanChinaInstituteofAtomicEnergy,P.O.Box27527,Beijing,102413ABSTRACT:Thispaperdescribesthedesignandconstructionoftheproductionandtransmissionsystemofelectronbeamsfor“Heaven2 ”preamplifier.Toobtainlowervoltage(400kV)andhighercurrentdensity(143Acm-2)fortheopticalaperture(<12cm)andrequiredlaseroutputenergy(40J)thediodeseparatorstructureinthevacuumside,electrodeform,lengthofdriftspace,Hibac