图片：为桶形FEBETRON 供电的是电容器模块，这种技术40 多年来没有看到设计更新。  图片来源：洛斯阿拉莫斯国家实验室

在国家安全的尖端科学中，对材料和物理过程的快速发展的理解对应用至关重要，中年技术是行动的核心。小型运动型多功能车的大小，形状像一个桶，称为 Febetrons 的设备产生 X 射线来拍摄作为爆炸的一部分以极高速度移动的物体，并允许测量它们的位置、速度、形状和内部密度分布。为Febetron 供电的是电容器模块，这种技术在 40 多年内从未出现过设计更新，直到洛斯阿拉莫斯国家实验室的一个研究团队开发了一种新的“K-module”设备。

“电容器模块就像这些 Febetron 设备的汽车发动机，”脉冲电源系统团队的项目负责人 Kalpak Dighe 说。“这意味着 Febetron 用户社区被困在使用四年来没有变化的引擎上。我们所做的是完全重新设计发动机，具有最新性能、可靠性和效率的所有优势。”

X射线设备也有民用用途，新开发的电容模块技术可应用于医学影像设备，以及在石油化工、能源和航空航天领域的应用。但这项技术对国家安全任务尤其重要。因此，大约四分之三的闪光射线照相用户是国防部和能源部实验室。射线照相数据和图像用于约束高温和高压状态下材料行为的计算机模型。

当水平堆叠在 Febetron 内的电容器组(也称为马克思组)中时，盘形电容器模块存储脉冲功率并将其传送到阳极 - 阴极 (AK) 间隙以产生 X射线。当电荷加速通过堆栈时，80 个模块长的电池组将电压倍增，冲向 AK 间隙并释放 X射线。以爆炸为目标，并与爆炸同步，X射线可以对爆炸过程中发生的过程进行成像——这是了解和改进武器机制的重要信息。X射线越强大，它们就能越深入地穿透爆炸活动以“看到”材料中的细节。

两年前开始设计工作时，Dighe 和他的团队通过几个原型来改进和优化模块设计。研究技术专家 Robert Sedillo 在将 K 模块与下一代组件(例如能够承受高能脉冲的高压电容器和电阻器)组装在一起方面发挥了重要作用，有助于提高性能和可靠性。与电流模块的并排设计相反，电路开关的梯形设计有助于提高放电期间流过电容器组的电流效率。相邻模块之间重新设计的坚固电气连接可防止电弧放电。技术人员 Timothy Byers 和 John Wilson 帮助 Dighe 规划和执行实验室测试，以验证 K 模块的性能。

与产生大约 200 万伏电压的当前模块相比，K 模块显着提高了闪光X射线设备的输出电压和功率。新设计的 K 模块预计将产生大约 330 万伏和 1 万安培的电流，从而在 20 纳秒内产生 33 吉瓦的峰值功率。输出电压的增加也将增加 X射线光谱，换句话说，加速光子的能量，允许 X射线穿透材料更远，并在射线照片中提供更好的对比度，从而提高清晰度。这些能力在成像高 Z 元素时特别有价值，元素在原子核中具有高原子序数 (Z) 的质子。当安装在电子束设备中时，K 模块还将增加目标上的电子通量。

除了性能限制之外，当前一代电容器模块的可靠性也受到限制——想象一辆 1980 年代早期的车辆，40 年后，不能总是相信它可以从 A 点到达 B 点。在 X射线校准中Dighe 位于洛斯阿拉莫斯的实验室可以指出，当前技术模块只持续了 39 次射击，而不是预期寿命应该达到的 3,000 次。由于电路被环氧树脂包裹在塑料外壳内，电流产生的模块很容易因可能的电弧而受到内部损坏。在过去两年的初始现场测试中，通过大约 400 次射击，K 模块保持了其效率并继续可靠地运行。

当前一代模块没有修复;即使是针孔缺陷也意味着它的终结。订购替代品可能会导致数月甚至一年的延迟，这对实验时间表构成了持续威胁，并且在这些时间表中占用了大量时间和资源。相比之下，K 模块是用户可维修的。商业现成的组件易于使用并且可以轻松更换，使维修成为一种可行的选择，而不是丢弃模块。此外，大部分 K-module 组件都是可回收的。

K-modules 是专门为Febetrons 开发的，它们可以立即应用于这些机器。但脉冲功率电容器模块技术也可用于X射线设备，用于对医疗设备、保健产品(如注射器、手套、氧气管等)和药品进行消毒。K 模块可用于航空航天和石油和天然气行业的便携式X射线设备，用于结构缺陷或断裂检测。同样，K-modules 可以在食品包装行业使用的电子束设备中找到应用，以杀死大肠杆菌和沙门氏菌等微生物。电磁脉冲应用也可能是可行的，例如，测试军事目标的辐射硬化，或使用设备校准复杂但远程的设备，如卫星。

K 模块的可定制制造为许多可能的应用打开了大门——毕竟路上有很多汽车。现在他们终于可以选择引擎了。