劳伦斯利弗莫尔国家实验室SIRIUS脉冲功率原型机完成3000次脉冲测试

美国劳伦斯利弗莫尔国家实验室设计和制造的SIRIUS脉冲功率原型系统近日完成超过3000次脉冲测试。研究人员表示，这一进展表明一种新型加速器架构已从基础概念验证进入更成熟的研发阶段，也为评估其在未来聚变能源、高能量密度科学和动态材料实验等方向的规模化应用提供了关键数据。

SIRIUS是劳伦斯利弗莫尔国家实验室研发的四级阻抗匹配马克思发生器(IMG)原型机，也是该实验室下一代脉冲功率概念的基础。与传统通过堆叠电压工作的马克思发生器不同，IMG架构采用“堆叠波”的方式：系统先并联为电容器充电，再通过精确控制的时序分阶段串联放电，在内部传输线中形成行进电磁波。研究人员将其形容为“脉冲功率版的激光器”。

此次测试得到了劳伦斯利弗莫尔国家实验室与商业聚变能源企业Pacific Fusion签署的合作研发协议支持。Pacific Fusion正在开发相关脉冲功率技术，用于驱动惯性聚变能源系统。双方通过共享测试平台，对不同模型、硬件性能以及原型机重复运行后的可靠性进行评估。

研究人员认为，完成3000次脉冲是SIRIUS系统从技术成熟度等级(TRL)4级迈向TRL 5级的重要一步。TRL 5级对应美国能源部对类似系统在相关实验室环境中完成演示的要求。测试期间获得的数据将用于记录组件可靠性和寿命表现，并为未来更大规模加速器概念设计提供依据。

劳伦斯利弗莫尔国家实验室脉冲功率研究员、IMG概念共同发明人比尔·斯蒂加表示，未来采用IMG技术的加速器概念对可靠性要求很高，相关组件可能需要在长期运行条件下保持稳定。研究团队希望验证这些组件能否承受3000次脉冲，并达到下一代装置的需求。

此次测试还关注了未来加速器设计中的若干关键目标，包括延长组件寿命、实现单级脉冲压缩，以及避免使用六氟化硫(SF6)。六氟化硫是一种强效污染物，目前仍用于部分传统脉冲功率开关系统。

据介绍，SIRIUS原型机早期研发和演示工作由劳伦斯利弗莫尔国家实验室2020至2022财年的实验室定向研发项目资助。随后签署的合作研发协议进一步支持了原型机组件寿命和可靠性的实验活动，相关聚变能源合作项目由利弗莫尔聚变技术研究所管理。

在技术表现方面，该四级原型机以100纳秒脉冲宽度向电阻负载输送了60吉瓦功率，能量效率最高达到95%。项目经理库马尔·拉曼表示，IMG方案的优势在于相对简化：传统脉冲功率装置通常需要多级脉冲压缩，增加系统复杂性、维护需求和安全隐患;IMG方案则可一步生成所需快速脉冲并直接传输至负载，从而减少硬件数量。

研究团队指出，实际硬件测试提供了计算机模拟难以获得的信息，例如组件寿命、开关预击发率和电容器故障率等。测试结果显示，原型机开关在3000次实验过程中运行正常，包括电容器故障在内的组件故障率保持在既定要求范围内。这一结果增强了研究人员对IMG架构的信心，也为后续评估更大规模脉冲功率加速器提供了可靠性数据。