表面放电等离子体产生冲击波特性

采用压力传感器,分析XeF(C→A)激光器高电压表面放电光泵浦方式不同位置、不同放电电压条件下冲击波特性。研究结果表明,表面放电等离子体膨胀产生的冲击波持续时间为ms量级,在冲击波过后伴随有相对较弱的压力波。随着充电电压增加,放电过程释放能量增多,冲击波峰值压强也变大,最大压强可达1 MPa,同时冲击波峰值延后,冲击波持续时间变长。     

MV级Marx发生器恒流充电过程分析

设计了一种输出电压为4 MV的超前触发型Marx发生器,为了进一步优化采用电阻充电的Marx发生器输出特性,提高系统的充电效率并且减小级间充电电压不均匀性,对Marx发生器恒流充电过程进行了解析求解。结果表明:各级间充电电压差为与充电电阻、电容和充电速率成正比,与时间无关的定值,充电时间越长电压效率越高,且与电压变化率无关 。该结论具有普遍适用性。结合我们设计的4 MV超前触发型Marx发生器回路,利用PSpice对Marx发生器的恒流充电过程进行了模拟,得到了自洽的结果,并且与恒压充电进行了对比。当充电电阻为10 k,各级电容为400 nF,充电速率为10 kV/s时,恒流充电能量效率达到90%,约为恒压充电能量效率的2倍,充电时间为恒压充电的1/3。     

基于Parylene C的单触发开关性能实验研究

为了研制具有高导通电流和高导通速率能力的单触发开关,利用微加工技术制备了基于Parylene C的三明治结构单触发开关。在主回路充电电压1.0~1.6kV的范围内,分析了开关触发回路电流、电压特性,导通峰值电流、上升时间、开关延迟时间,并且对单触发开关的电感、电阻做了估算。结果表明,基于Parylene C的单触发开关性能优于基于聚酰亚胺的单触发开关;随着开关加载电压的升高,开关导通的峰值电流呈现不断增大的趋势,但是上升时间几乎不变,其延迟时间分布在1~200μs之间,呈随机性分布,开关电阻随其作用时间增加不断增大。     

爆磁压缩发生器初级紧凑型电脉冲源设计及实验

设计了一种爆磁压缩发生器(FCG)初级紧凑型电脉冲源,分析了电脉冲源组成、工作原理及最佳输出时序模型。采用爆炸驱动滑块型放电开关方案,实验测试了开关高压下闭合放电性能。电脉冲源体积132 mm200 mm,质量12.5 kg,工作电压5 kV,初始储能约750 J,充电时间不大于30 s;静态馈电FCG(42 H,78 m),输出电流峰值不小于5.4 kA,输出能量不小于600 J;动态馈电FCG,时序控制误差不大于5 s,耦合电流值不小于5.2 kA,耦合能量不小于550 J;电脉冲源有效储能密度不小于200 mJ/cm3,能量传递效率不小于75%。     

点电极下负电场对火焰的影响

本文研究了常温常压不同过量空气系数下定容燃烧弹中对点电极加载不同电压时甲烷一空气预混燃烧火焰的传播与燃烧特性。结果表明:点电极加载电压后使得火焰传播速度变快,压力峰值变大,峰值到达时间缩短。混合气φa=0.8、1.0、1.2在加载电压为-5 kV时,火焰横向传播速度分别比未加电压时增加12.6%、2.3%、9.7%,压力峰值到达时间分别比未加电压时缩短5.9、0.3、5.1 ms;加载电压为-10 kV时,火焰横向传播速度分别比未加电压时增加22.2%、9.6%、24.4%,压力峰值到达时间分别比未加电压时缩短9.9、3.7、11.8 ms。     

激光能量注入控制Ⅳ型激波干扰的数值研究

激光能量注入可以控制Ⅳ型激波干扰,有效地减小钝头体压力载荷。基于有限体积法和分区结构网格划分的高分辨率数值方法,在来流马赫数为3.45的条件下,计算了单脉冲激光能量注入和连续激光能量注入对Ⅳ型激波干扰的影响。研究结果表明:单脉冲激光能量注入后一个较短时期内(50~60μs),钝头体表面压力突然升高,随后压力有一个较为明显的下降过程,然后恢复原状态;当注入的连续激光能量较小时,钝头体表面压力略微增大,随着注入能量增大,钝头体表面压力峰值减小;在注入能量到一定程度时,钝头体表面压力峰值减小已不明显。     

爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电的理论分析

 将爆磁压缩等效为电流源的方法，对爆磁压缩发生器通过脉冲变压器对脉冲形成线充电进行了理论分析，得出爆磁压缩发生器在负载上产生电流波形（简称负载电流）为直线情况和任意电流波形情况下充电电流和充电电压的表达式。分析表明变压器耦合互感与负载电流随时间变化增长率是脉冲形成线充电的两个重要参数，脉冲形成线第一个充电电压峰值与变压器的耦合互感和负载电流波形斜率成正比，负载电流波形斜率的变化可以改变充电电压峰值的时间，斜率不断增加可以延长第一个充电电压峰值时间，从而可能增加充电电压的幅值，提高爆磁压缩发生器能量的利用效率。     

150kV/1 kHz可调脉宽电晕等离子体驱动源

建立了重复频率、可调脉宽线板放电型电晕等离子体驱动源实验平台,该平台由谐振充电、脉冲升压变压器和磁开关宽脉冲调制等部分构成,试验平台输出脉冲电压峰值150 kV、最高重复频率1 kHz、输出脉冲前沿0.53μs、脉冲宽度5~25μs可调节。阐述了该平台脉冲调制原理,通过实验结果分析了脉冲变压器分布电容对系统能量传输的影响,指出提高脉冲氢闸流管开关能力、改善脉冲变压器绝缘结构设计、降低匝间分布电容可以进一步提高输出电压和重复频率。     

基于振动耗能的真空管道HTS磁浮列车能量回收方法研究北大核心CSCD

为了提高真空管道高温超导磁浮列车的运行效率,减少能量损耗,本文采用将动能转化为振能机械能再转化为电能的方式回收车体的制动能量.在高温超导磁浮系统的永磁轨上按一定规律排列永磁体得到不均衡分布的磁场,在磁浮车底布置绕圈,当车体振动时线圈感应电动势向储能电容充电.仿真结果表明该方法的合理性与有效性,可以作为高温超导高速运行系统设计时的参考.     

新型低电压大变形微驱动器数值求解及仿真

针对横向加载单向变形MEMS静电微驱动器位移过小或驱动电压过大问题,提出一种基于纵横弯曲变形原理的硅基大位移低驱动电压静电驱动器模型;基于拉格朗日-麦克斯韦机电动分析力学,建立轴向横向同时加载的微驱动器动力方程;分析温度应力、静电调节力和轴向挤压力对轴向载荷的影响;基于龙格-库塔算法和有限差分法分别将横向分布载荷和轴向载荷等效转化为横向集中载荷;仿真得到变形同驱动电压、调节电压、轴向挤压量和温差的关系;结果显示当驱动电压仅为16 V时,位移高达10.861μm,远大于传统横向加载单向变形微驱动器的位移量.实验验证了仿真结果.     

Expansion,compression and triangular shockwaves in traffic flow above critical point

We study the formation of shockwaves from an initial condition of the pulse form in supercritical flow of traffic by using the optimal velocity model. The jam with the pulse form propagates with changing the initial form. The wave velocity is derived numerically and analytically. The dependence of wave velocity on headway is clarified. When the headway is lower than the safety distance, the rear of initial pulse evolves to the expansion shockwave, while the front of initial pulse evolves to the compression shockwave if the headway is higher than the safety distance. The dependence of wave velocity on headway determines whether either expansion or compression waves evolve to the shockwave. After the rear of initial pulse collapses with the front, the wave evolves to the triangular shockwave. It is shown that the triangular shockwave is described by the Burgers equation.     

高能表面电弧放电控制圆柱激波实验

采用风洞实验和高速纹影系统研究高能表面电弧等离子体激励控制圆柱激波. 在Ma=2的超声速风洞中, 分别放置了带有10, 15, 20 mm这3个不同高度圆柱的实验模型, 对比分析了不同高度圆柱的初始流场特征, 以及高能表面电弧放电的放电电容、直流源电压和圆柱高度对圆柱脱体激波控制的影响. 实验结果表明, 高能表面电弧等离子体激励诱导的冲击波和热气团与激波产生相互作用, 激波形状改变, 强度削弱. 圆柱高度越高其上方的弓形激波角越大, 在施加等离子体激励后, 弓形激波角减小, 激波强度减弱; 放电电容和直流源电压对激波控制效果的影响均呈正相关关系; 随着圆柱高度的增加, 控制效果减弱、有效控制作用时间缩短.      

微通道板动态特性的数值模拟

对皮秒高压脉冲驱动下微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性进行了数值模拟,在电压脉冲波形分别为高斯形、三角形和梯形时,得到了电子渡越时间与电压脉冲宽度、幅度的关系曲线。在考虑入射电子为一高斯电子脉冲的情况下,获得了增益曲线的半峰全宽和峰值随脉冲电压幅度、宽度的变化规律。分析结果表明：当微通道板两端所加电压为梯形波时,微通道板中电子的渡越时间特性和增益特性较加三角波和高斯波要好。     

The interaction of shockwaves with a vapour bubble in boiling histotripsy: The shock scattering effect

Boiling histotripsy is a High Intensity Focused Ultrasound (HIFU) technique which uses a number of short pulses with high acoustic pressures at the HIFU focus to induce mechanical tissue fractionation. In boiling histotripsy, two different types of acoustic cavitation contribute towards mechanical tissue destruction: a boiling vapour bubble and cavitation clouds. An understanding of the mechanisms underpinning these phenomena and their dynamics is therefore paramount to predicting and controlling the overall size of a lesion produced for a given boiling histotripsy exposure condition. A number of studies have shown the effects of shockwave heating in generating a boiling bubble at the HIFU focus and have studied its dynamics under boiling histotripsy insonation. However, not much is known about the subsequent production of cavitation clouds that form between the HIFU transducer and the boiling bubble. The main objective of the present study is to examine what causes this bubble cluster formation after the generation of a boiling vapour bubble. A numerical simulation of 2D nonlinear wave propagation with the presence of a bubble at the focus of a HIFU field was performed using the k-Wave MATLAB toolbox for time domain ultrasound simulations, which numerically solves the generalised Westervelt equation. The numerical results clearly demonstrate the appearance of the constructive interference of a backscattered shockwave by a bubble with incoming incident shockwaves. This interaction (i.e., the reflected and inverted peak positive phase from the bubble with the incoming incident rarefactional phase) can eventually induce a greater peak negative pressure field compared to that without the bubble at the HIFU focus. In addition, the backscattered peak negative pressure magnitude gradually increased from 17.4 MPa to 31.6 MPa when increasing the bubble size from 0.2 mm to 1.5 mm. The latter value is above the intrinsic cavitation threshold of –28 MPa in soft tissue. Our results suggest that the formation of a cavitation cloud in boiling histotripsy is a threshold effect which primarily depends (a) the size and location of a boiling bubble, and (b) the sum of the incident field and that scattered by a bubble.     

激光驱动冲击波在铝-金阻抗匹配靶中的传播稳定性

 针对神光Ⅱ第九路激光条件，利用1维JB程序和多台阶靶技术对冲击波在铝 金阻抗匹配靶中的传播稳定性进行了理论和实验研究，实验结果与理论结果基本吻合。结果表明，激光驱动冲击波在铝 金阻抗匹配靶中传播时，高阻抗待测材料金中的冲击波稳定传播最大距离急剧减小。因此，在进行铝-金阻抗匹配靶物理参数设计时，应保证高阻抗材料金台阶厚度满足冲击波传播稳定性，然后再按照阻抗匹配实验中两种材料的冲击波速度比来确定低阻抗标准材料铝的台阶厚度。根据神光Ⅱ第九路激光条件，铝-金阻抗匹配靶中铝基底厚度选取为30 μm左右较好，金台阶和铝台阶厚度应分别小于10 μm和17 μm。     

利用冲击波作用光子晶体产生蓝光的研究

研究了一种利用冲击波作用光子晶体产生蓝光的新方法.通过模拟光子晶体受冲击波作用后折射率的变化,对470 nm蓝光,设定光子晶体的参量,研究了冲击波引起光子晶体带隙的变化,计算了需要冲击波的速度,分析了影响蓝光线宽和中心波长的因素.结果表明,变频后的光波线宽随冲击波和固定反射面的距离而变化,距离大时,线宽较小,距离小时,线宽较大,可以利用光子晶体的滤波作用对输出光波线宽进行控制,获得带宽稳定的或变化的输出光波.环境温度变化、光子晶体材料吸收特性影响光子晶体的带隙分布,进而影响蓝光的中心波长.研究结果对研制新的蓝光光源具有重要参考价值,同时也为其他相干光源的产生提供了一种新的技术.     

充空气的同轴慢波结构高功率微波器件粒子模拟

 粒子模拟了电子碰撞空气产生的等离子体对同轴慢波结构高功率微波器件的影响，并且在充空气条件下对器件结构参数进行了进一步优化。模拟表明，气压越高，产生的二极管电流越大，二极管电压越低，频率越低。等离子体离子对电子束的空间电荷中和及等离子体电子对微波的能量吸收共同影响输出微波功率的大小。在一定的气压范围内，提高气压能够提高输出功率，此时等离子体离子对电子束的空间电荷中和起主导作用。气压高于一定值时，所产生的等离子体电子强烈吸收微波，输出功率迅速下降，甚至引起脉冲缩短。此外，由于等离子体的存在，器件最佳相互作用区长度以及最优端面反射系数均有可能发生改变。最后还对慢波结构周期数以及漂移段长度等进行了研究，优化的器件内、外导体周期数为11和8.5，慢波结构前端以及内外慢波结构末端分别接4, 17和2 mm的漂移段，在气压4 Pa下获得了1.64 GW的输出功率，效率39%。     

真空及空气中金属丝电爆炸特性研究

开展了铝丝在真空和空气环境中的电爆炸特性研究.从金属丝电爆炸的电压、电流波形得到了金属丝内的沉积能量,并基于以上电参数特征分析了电爆炸产物的状态,获得了空气中铝丝电爆炸电流暂停时间随初级储能电容充电电压的变化规律.真空和空气中铝丝电爆炸在电压击穿时刻的沉积能量分别为2.8和6 eV/atom.采用波长为532 nm、亚纳秒激光探针对金属丝电爆炸物理过程开展了高时空分辨率的阴影和纹影诊断.阴影图像清晰地展示了不同气氛环境中高密度电爆炸产物的膨胀过程,根据光学诊断图像分析了高密度丝核沉积能量的结构和空气中铝丝电爆炸产生的激波的膨胀轨迹.真空和空气环境中高密度电爆炸产物的平均膨胀速度分别为1.9和3 km/s.基于实验数据和输运参数模型,估算了金属丝在电压击穿时刻的温度.     

Interaction of short laser pulses with biological structures

Focusing of light pulses emitted by a Q-switched laser, which have a duration of some nanoseconds, into a medium leads to laser-induced breakdown. The shockwaves produced by this propagate through the medium and can interact with inhomogeneities situated within the medium and consequently cause destruction. Because of the increasing interest in these short light pulses in the medical field the interaction of the shockwaves with biological tissue has been investigated. The observed results indicate the influence of two physical quantities of the shockwave: the peak pressure and the duration.