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东方神龙,世界首台兆赫兹多脉冲高功率加速器——神龙二号
先进制造
2018-05-14 13:20
作者  悦智

作为中国的独创设计,世界首台兆赫兹多脉冲高功率加速器——神龙二号使中国闪光照相能力实现了从无到有,再到完全自主创新的跨越式发展,成为中国直线感应加速器和闪光照相技术发展中的一个重要里程碑。

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2014年早春的一个下午,对我国从事闪光照相研究的国防科技工作者来说,注定是一个终身难忘和值得深刻记忆的日子。随着现场总指挥的一声令下:“5,4,3,2,1,加载,触发!”我国自主研制的世界首台兆赫兹多脉冲高功率加速器——神龙二号——首次成功进行了双轴多幅闪光照相实验,获得了武器内爆动力学过程不同时刻的多幅清晰闪光照相图像,也标志着我国成为世界上极少数掌握多幅多角度高能闪光照相核心能力的国家。

国防尖端武器在实验状态时,仅仅百万分之几秒的时间内会发生剧烈的物理化学反应,爆炸区域的物质温度高达几十万摄氏度,爆炸中心压力高至百万大气压以上,所形成的高压冲击波以每秒几至十几千米的速度传播,实验材料的形状、密度等会产生极为复杂和剧烈的变化。要精确分析实验材料的流体动力学行为,常规的检测手段是无法满足这一特殊要求的,必须通过射线闪光照相设施对武器高速内爆过程进行有选择的“定时”透视照相,从而完整地反映出武器内爆过程状态的变化,以此来校验武器设计程序,提升武器的设计可靠性。

研究团队成员邓建军(左)、李劲(中)、石金水(右)讨论技术问题.jpg

中国工程物理研究院流体物理研究所内肩负着这一神圣使命的神龙二号研制团队需要按照整体方案设计要求进行设计:神龙二号需要加速束流强度为数千安培、功率为数十吉瓦的电子束,在百万分之一秒内打靶产生3个脉冲高能X光,再穿透厚度相当于数十厘米的钢板,对以大于10马赫速度超高速运动的材料进行多时刻瞬态透视照相,准确掌握材料亚毫米细节及其变化情况。

神龙二号是一个庞大而复杂的系统。加速器主体由注入器(12个高压感应腔叠加供能)、加速段(80个加速腔)、聚焦段和靶室组成,总长近80米;脉冲功率源平台包括159根脉冲形成线、92个汇流箱(含558个高压硅堆)、23套复位电路及精密的激光触发系统。

加速腔非晶磁芯(左)和神龙二号加速腔(右).jpg

此外,神龙二号还有高精度的三维准直调节平台、精密的激光触发系统,诊断测试系统,控制系统,油、水、气和真空系统,以及数百台束输运线圈励磁电源和磁轴校正线圈电源等庞大的配套系统。

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先进的多幅闪光照相设施,对国防尖端武器研究来说至关重要,世界主要军事大国也为此殚精竭虑。为此,美国在2009年建成了一台当时世界上性能最优的用于多幅闪光照相的长脉冲直线感应加速器——DARHT-II装置,从而具备了对武器装置进行双轴全尺寸多幅精密X光照相的能力。DARHT-II是一台电子能量为16.5兆电子伏、电子束流强度为1.7千安培、脉冲宽度为1.6微秒的长脉冲加速器,在输出段用踢束器切割成4个宽度为20至60纳秒的脉冲。

20世纪90年代,我国首次研制完成用于武器缩比模型闪光照相研究的12兆电子伏直线感应加速器,王淦昌院士亲笔题词:“继续努力,必须赶超美国!”来勉励这支加速器研制团队。在王老的殷切鼓励下,2003年,神龙一号研制成功,使我国首次具备武器初级真实尺寸(1:1模型)内爆闪光X光精密照相能力,与当时世界上2台同类装置(美国DARHT-I和法国AIRIX)的设计指标相当。

王淦昌院士为加速器研究团队亲笔题词.jpg

如果将神龙一号比喻成世界竞技场上百米冲刺的追赶,那么神龙二号就是这场竞技赛跑中的超越逆袭!

在神龙二号立项之初,当时世界上大型多脉冲闪光照相设施建设还没有成功的先例。其时,美国正在进行DARHT-II的研制,由于无法解决几百万赫兹、数十亿瓦量级的高压多脉冲产生难题,英国的AWE采用了多台单脉冲加速器实现不同角度的多幅照相,这样的技术路线风险较低,但具有无法实现同轴多幅照相的先天不足。用于双轴照相的美国DARHT-II装置采用的是长脉冲技术路线,其工作方式是:首先产生一个长脉冲,然后在打靶前通过踢束器把长脉冲切割成需要的4个短脉冲,该技术路线无法调整脉冲间隔,而且成本高昂。神龙二号研制团队在全面分析其技术路线利弊后,结合前期关键技术预研情况,大胆提出利用加速器直接产生多脉冲的技术方案,同时解决同轴多幅和脉冲间隔可调的多幅精密闪光照相难题。这种前所未有的技术路线的突出优点是具有更高的束流利用效率和灵活的脉冲间隔可调性,以及更低的造价,在武器研究中具有更高的应用价值。

由于神龙二号的技术路线当时在世界上没有存在定理,因此,国内外对总的技术路线是否可行仍存在巨大争议,再加上关键部件的研制攻关困难(一些器件全世界都没有),研制团队背负着很大的压力。

但压力也转变成了坚定的决心,研制团队整装出发了。对于另辟蹊径的神龙二号而言,急需研究团队攻克的关键技术及核心部件包括神龙二号核心部件多脉冲加速腔(用于产生多脉冲的核心器件)的研制、高频高压整流硅堆的研制、强流高品质多脉冲电子束源的研制、多脉冲的传输与聚焦关键技术研究、多脉冲叠靶的破坏机理研究等等。

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研究团队首先面临的技术难题是高压多脉冲加速电场的建立及多脉冲加速腔的研制。加速腔是使被加速电子获得能量增益的装置,三脉冲加速对铁芯的励磁和复位提出了特殊要求。而磁芯作为直线感应加速器装置中的非线性组件,在兆赫兹猝发高压多脉冲条件下的励磁性能否满足设计要求是必须解决的理论难题。为此,研究团队从单元技术开始攻关,联合国内相关单位开展了金属玻璃大磁环的研制,解决了非晶铁磁材料的生产工艺和绕制技术并取得了成功。

研究团队首先在新组建的束流加速技术实验室进行高压三脉冲的感应输出原理性验证实验,并采用主脉冲前一次复位的方式,设计了独特的复位回路,结合预先研究中攻克的金属玻璃磁环关键部件,设计完成了最初的实验腔。在该实验平台上,首次获得250千伏高压三脉冲感应输出。这一结果令长期从事脉冲功率研究的一名老专家兴奋不已,他看着示波器上的实验波形,激动地站起来用颤抖的声音说:“这是迄今最为漂亮的三脉冲波形……”至此,基于单脉冲开关产生高功率多脉冲以及感应加速腔磁芯“多次励磁、一次复位”的设计技术路线得到了实验验证。该研究成果发表在2007年国际核心期刊上,得到国际同行的高度评价:“该工作确实代表感应加速器领域的重大新成就。”在此之后,研究团队又经过上万次验证和考核,最终确定了神龙二号加速腔样机。8年之后的2015年,美国洛斯阿拉莫斯国家实验室科学家R.雷诺夫斯基(R. Reinovsky)教授在国际等离子体科学会议2015(ICOPS 2015)上由衷地说:“神龙二号提供了兆赫兹重复率多脉冲高功率加速器的存在定理。”

功率系统方面,高压隔离硅堆的研制率先获得重大突破:通过合理的串并联设计,并经过无数次优化验证和考核,不断提高开关的反向耐压和正向脉冲电流,在样机验证平台上,利用新研制的硅堆组成三脉冲隔离网络,稳定获得电压250千伏、脉冲电流10千安培、峰值功率2.5吉瓦、重复率1兆赫兹、脉冲上升时间约40纳秒、脉冲平顶宽度50纳秒的方波三脉冲串。这表明神龙二号自主创新的并联Blumlein和脉冲隔离网络技术获得了突破,该项技术也开辟了兆赫兹脉冲功率技术研究领域的新天地。其后,研究团队再接再厉,最终获得耐压能力近300千伏的高压整流硅堆,为神龙二号设计定型提供了坚强保障。

神龙二号的另一项关键技术是高品质三脉冲电子束的产生问题:当时世界上还没有一个装置能产生千安培量级、一致性优越的多脉冲高品质电子束。研究团队基于已掌握的理论知识,大胆认为“只要能研制出足够大的热阴极,就可以获得一致性好的三脉冲热电子束”。怀着这样的信心,研究团队从直径55毫米的热阴极开始尝试,分3步走最终成功研制出国内直径最大的155毫米大尺寸储备式热发射阴极,并解决了阴极面温度均匀性、热辐射屏蔽、加热工艺等方面面临的一系列技术难题。大尺寸热阴极的研制成功,也极大地振奋了神龙二号研制决策者。在此基础上,研究团队通过研究和实验,分析了高压串列线和感应叠加器的优缺点,掌握了感应叠加器的工作机理和其中的电磁波过程,选择了采用感应叠加方式实现低反射三脉冲二极管高压的方案,自主设计了独特的二极管支撑并进行了实验,实现微米级的对中调节,最终成功研制了神龙二号装置的“龙头”——三脉冲注入器。

直径155毫米热阴极(左)、神龙二号注入器装置(右).jpg

除此之外,神龙二号技术路线中还面临着另一难点:兆赫兹重复率电子束如何在一套主磁场下实现有效的传输聚焦?这在当时世界上也没有可以借鉴的先例。而且这项工作无法通过真实实验进行验证,必须依靠强大的数值模拟能力进行验证,为此,研究团队建立了多个实验腔模型,并开展了大量数值仿真计算,采取“多头并进,重点突破”的攻关模式,将突破的重点放在构建传输线的关键单元部件——螺线管线圈上,最终提出了研制磁轴倾斜不超过0.5毫弧度的新型螺线管线圈的设计方案和时变透镜的设计思想。在螺线管聚焦线圈研制上,从设计、绕组选型、绕制工艺、磁轴测量等方面进行了全方位的深入、细致的探索研究,最终,新型螺线管线圈的研制取得突破,并发展了高性能聚焦线圈设计技术和四线并行绕制工艺,提出了磁轴测量中绷紧丝线激光跟踪仪准直方法,将测量不确定度减小了近半个量级,成功解决了原有方法无法准确测量小于1毫弧度磁轴倾斜的问题。一系列技术措施的采取,如今证明确实是一项了不起的决定。

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如果说神龙二号加速器主体机器的研制成功是80分和100分的差别,那么多脉冲靶的研制能否成功则是“0”和“1”的差别,因为在单脉冲加速器上打靶后靶片会出现穿孔。对于多脉冲而言,靶材在前面的电子束轰击后会迅速烧蚀并喷射等离子体,后续脉冲是否还“有靶可打”还是一个未知数,当时世界上没有任何可以借鉴的设计靶材。而且,多脉冲靶的研制也无法通过真实实验进行验证,必须透彻理解靶的破坏机理和靶材烧蚀过程。研究团队在经过大量的数值模拟和原理性验证实验后,创造性地提出和设计了具有独特性能的叠靶结构,设计思想是通过降低电子束作用后的轫致辐射转换靶内部的能量沉积分布,来减缓与消除多脉冲下的转换靶靶材损毁与失效性问题等。最终,多脉冲靶系统的研制也取得了重大突破。

至此,决定影响神龙二号研制成败的主要关键技术难题陆续被攻破,神龙二号研制也正式进入了快车道。由于神龙二号是一台高电压、强电流、强电磁辐射的大型装置,核心部件及测量设备有上万个,如何保证它们在此强干扰环境下可靠正常工作,也需要开展大量的基础研究工作,这些工程技术难题在装置后期的通电调试中逐渐显现出来,并被一一攻克。

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一系列关键技术难题的解决,为神龙二号最终定型研制扫平了道路,2012年4月18日,神龙二号加速器顺利实现安装“合龙”,并进入分系统和整机调试阶段。2014年11月,神龙二号全面达到设计指标,正式投入武器装备闪光照相技术研究。

可以看到,当今世界上最先进的两台同轴多幅闪光照相装置神龙二号和DARHT-II采用了完全不同的技术路线。与美国的DARHT-II相比,我国神龙二号设计方案突出的优越性在于:3个短脉冲是完全独立产生的,脉冲间隔独立可调,实验中可以根据具体的武器物理需求,获得不同时刻的内爆实验物理图像;同时,其束流利用效率高,几乎达到100%,造价只是DARHT-II的约1/5。

2015年1月22日,神龙二号顺利通过了由14位院士组成的鉴定委员会的技术成果鉴定,鉴定委员会一致认为:“该项目系统复杂,研制难度很大,有重大创新,总体技术处于国际先进水平,部分重要指标国际领先,神龙二号研制成功是直线感应加速器和我国尖端武器闪光照相技术发展中的一个重要里程碑。”

神龙二号从设计思想到装置的研制完全独立自主,研制难度之大和调试之艰辛前所未有。神龙二号的重大创新于2015年度入选“2013—2015年度中国十大核科技进展”,2018年1月入选“2017年度国防科技工业十大新闻”。

在2017年6月于英国召开的国际脉冲功率会议上,美国科学家公布了其先进多幅闪光照相系统(“天蝎座”计划)的最新进展情况,报告提出DARHT双轴闪光照相装置存在缺陷,并希望能研制新的照相装置以弥补其能力缺陷。而多脉冲直线感应加速器方案是该计划的首选,该设计方案与中国的“神龙二号”加速器十分相似。

经过几代人的努力,神龙二号研制团队打破了技术封锁,依靠自力更生,走出了一条从无到有,再到完全自主创新的发展道路。10年一个台阶,使我国闪光照相能力完成从缩比装置照相到全尺寸装置精密单幅,再到全尺寸装置精密多幅双轴照相的跨越发展,完成了我国直线感应加速器闪光照相技术从初期的跟跑,到神龙一号实现并跑,再到神龙二号实现领跑的转变,大幅提升了我国在该领域的国际影响力,备受国际同行瞩目。

神龙二号的研制成功也是我国科研工作者不忘初心的结果。未来,研究团队将不断砥砺前行,助东方神龙再次飞跃。 

致谢:感谢中国工程物理研究院流体物理研究所神龙二号研制团队成员石金水、邓建军、章林文、李劲、夏连胜、陈思富、代志勇、李勤、李洪、赖青贵、禹海军、江孝国、杨安民、黄子平、李远、张篁、李欣、蒋薇、秦玲、刘小平、谌怡、廖树清、谢宇彤、陈德彪、何佳龙、章文卫、朱隽、丁亨松、戴光森、王远、王毅、马冰、王敏鸿、龙继东的辛苦付出。 

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