高能闪光X射线二极管设计与模拟

 为了研制出便携式的具有较高性能的高能闪光X射线系统,需要发展新型紧凑型的高能闪光X射线二极管,要求其体积小,能工作在较高电压下。简要介绍了冷阴极X射线二极管的结构和工作原理;阐述了二极管绝缘结构设计原则,设计了一种新型的紧凑型轴向绝缘结构的X射线二极管;在高压端和地电极之间采用绝缘环和金属均压环交替叠加进行轴向绝缘,有利于减小二次电子发射几率,降低绝缘体表面爬电几率,缩短轴向绝缘距离。二极管工作电压为1 MV,轴向绝缘距离约260 mm,结合ANSYS数值模拟软件进行了静电场数值计算。二极管轴向绝缘区最大工作场强为95 kV/cm,各阳极三相点最大场强为26 kV/cm。计算结果表明：二极管的工作场强低于真空闪络场强;所有三相点的工作场强均满足绝缘要求。     

冲功率装置汇流区由电子发射导致的电流损失机制

面向大型脉冲功率装置聚龙一号(PTS装置),以电磁粒子模拟方法(PIC)为依托,围绕真空汇流区双层柱-孔盘旋(DPHC)结构区域,研究电子发射对DPHC结构在电流传输、汇聚过程中的影响。使用全三维大规模并行粒子模拟软件NEPTUNE3D,简化并建立DPHC结构的物理和几何模型,利用全电路数值模拟的方法获得PTS装置真空轴向绝缘堆处开路和短路电压波形曲线作为输入条件,计算得到DPHC结构中磁场强度分布。分别考虑是否存在电子发射过程,获得输出端电流损失随时间变化曲线,经过对比得到峰值时刻由阴极表面电子发射所导致的电流损失率为0.46%~0.48%。     

"聚龙一号"4层绝缘堆和真空区电路模拟方法

建立了"聚龙一号"驱动器4层绝缘堆和真空区电路模型。在4层绝缘堆入口处,采用预测-校正的计算方法处理4层绝缘堆的输入电流分配问题,避免了复杂的二维电路模拟,既保证了精度,又大大提高了计算效率。将此新模型加入FCM-PTS程序中,与零维负载内爆动力学程序耦合,得到了各层外磁绝缘传输线的电流波形模拟结果,并改善了负载电流峰值的模拟结果与实验结果的一致性。     

基于统计学模型的真空绝缘堆闪络概率计算分析

对比了几种不同类型的过电压因子下绝缘堆闪络概率的特点, 考虑了多层均压及圆周渡越时间后得到的闪络概率更能反映绝缘堆耐压水平;简化计算统计学经验公式中矩阵可保持绝缘堆闪络概率计算值准确性并减少过电压因子的静电场计算次数。分析在固定间隙距离下绝缘环个数与电压峰值及电场强度峰值的关系, 计算结果表明:存在最优绝缘环个数承受最高电压峰值与电场强度, 承受最大工作场强的绝缘环个数下, 工作电压幅值已降低很多。在选择绝缘环个数时应综合考虑, 该计算方法可应用于工程绝缘结构设计中合理选取绝缘环个数。     

高压径向均压绝缘堆设计

以形成线储能结合脉冲压缩方式产生数MV高压输出,是脉冲功率系统中常见的技术途径,其中绝缘堆是该类装置工程成败的关键。分析了几种径向均压绝缘堆的均压机制,基于静电场分析程序对径向均压绝缘堆结构进行了优化设计,给出了径向电阻的设计方法。研究表明:采用均压环且均压环与径向电阻电气接触的绝缘堆结构可以获得较均匀的径向电场分布,而径向电阻是绝缘堆设计的关键。在有效作用时间100ns的4.5MV加载电压下,优化设计的绝缘堆阴极三相点电场控制在25kV/cm,Martin电场约120kV/cm,低于理论击穿值。     

脉冲功率装置汇流区由电子发射导致的电流损失机制

面向大型脉冲功率装置聚龙一号(PTS装置),以电磁粒子模拟方法(PIC)为依托,围绕真空汇流区双层柱-孔盘旋(DPHC)结构区域,研究电子发射对DPHC结构在电流传输、汇聚过程中的影响。使用全三维大规模并行粒子模拟软件NEPTUNE3D,简化并建立DPHC结构的物理和几何模型,利用全电路数值模拟的方法获得PTS装置真空轴向绝缘堆处开路和短路电压波形曲线作为输入条件,计算得到DPHC结构中磁场强度分布。分别考虑是否存在电子发射过程,获得输出端电流损失随时间变化曲线,经过对比得到峰值时刻由阴极表面电子发射所导致的电流损失率为0.46%~0.48%。     

多层轴向绝缘堆的电压电流测量

为获取初级试验平台(PTS)装置分层真空轴向绝缘堆的电压电流,设计、标定了微分型电容分压器和微分环。探头的频响实验表明:绝缘堆电压、电流探头的频响上限分别为270MHz和100MHz。两种探头均采用在线标定方法来确定幅值灵敏度系数。电压探头在标定时应当保留绝缘堆外侧的水介质,以保证探头附近电场分布不发生改变。PTS装置的实验结果表明:当装置外围馈入电流基本均匀时,绝缘堆电压电流测量结果与相关测试结果自洽,与理论值基本符合;当馈入绝缘堆的电流分布不均匀时,不同角向探头测量结果的偏差导致总电流计算结果的误差较大。     

Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计和分析方法

通过分析比较国外Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计，对轴向绝缘堆设计中的关键问题进行了归纳与总结。在总体描述绝缘堆研制方法和思路的基础上，详细论述了静电场数值模拟、电感参数计算和电路模拟、闪络概率计算、结构稳定性力学分析以及材料选择等绝缘堆研制中的几个关键问题，并对闪络概率分析方法的完善和拓展应用进行了讨论。     

Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计和分析方法

 通过分析比较国外Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计，对轴向绝缘堆设计中的关键问题进行了归纳与总结。在总体描述绝缘堆研制方法和思路的基础上，详细论述了静电场数值模拟、电感参数计算和电路模拟、闪络概率计算、结构稳定性力学分析以及材料选择等绝缘堆研制中的几个关键问题，并对闪络概率分析方法的完善和拓展应用进行了讨论。     

等离子体融断开关磁场Hall渗透机制的模拟研究

 利用自行研制的2-1/2维全电磁柱坐标粒子模拟程序对等离子体融断开关磁场渗透机制进行了模拟研究。模拟结果表明在磁场Hall渗透机制特征长度远远小于等离子体离子的无碰撞趋肤深度的条件下,等离子体内部磁场渗透过程主要由电子流体运动的Hall项来控制。对于等离子体空间分布存在较大的密度梯度的物理问题,必须考虑二维空间特性对磁场渗透速度的影响。在磁场已渗透经过的等离子体区域中,等离子体呈现非电中性,离子受静电场的作用会加速运动到达阴极,最终形成真空鞘层。     

PTS装置绝缘堆工作性能的初步分析

绝缘堆为PTS装置的核心部件之一,其工作性能很大程度上决定了PTS装置整机的运行状态。在前期整机调试的基础上,对PTS装置绝缘堆的工作性能进行了介绍与初步分析。基于真空沿面闪络的统计学经验公式和瞬态电磁波分析方法,对实验中出现的两种典型异常电压波形的原因进行了探讨,初步验证了环间闪络引起的瞬态电磁波在绝缘堆内部不同介质中传输、衰减与合成的规律。实验表明,在最高2 MV的工作电压下近30发的实验中,绝缘堆未出现贯穿性闪络现象。在实验中也观测到,随着发次的累积,绝缘堆的环间闪络会在随机分布的基础上呈现一定的系统性偏差。     

多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析

 对基于J.C.Martin经验公式的多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析方法进行了分析与总结。在对比各种类似分析方法优劣的基础上，提出了一种较为成熟的针对多层长渡越时间轴向绝缘堆的闪络概率分析方法，为类似绝缘堆结构的设计提供了理论依据。同时，对其中的不确定因素和存在的问题也进行了较为详细的分析和讨论，为闪络概率分析方法的进一步完善奠定了基础。     

不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性

针对单极性脉冲电压下不同微槽结构绝缘子真空沿面闪络特性开展实验研究。根据二次电子运动特性,设计了多种微槽宽度,对比了微槽结构和平面结构的绝缘子耐压特性差异。槽宽为1mm的微槽样品耐压水平与平面结构样品耐压水平相当,槽宽小于1mm的样品组耐压水平均高于平面结构样品,最高电压提高倍数约为1.4,说明一定尺寸范围内的微槽设计将提高绝缘子真空耐压水平。通过电场强度计算分析微槽结构对二次电子运动的影响过程可知,较大的微槽宽度可使电子限制在槽内运动,较小的微槽宽度将抑制初始电子的发展,最终二者都能达到抑制闪络的目的。通过显微镜观测各组样品表面特征,材料表面微观缺陷将可能降低材料耐压水平。     

周期永磁聚焦电子注性能计算机模拟

 使用全三维电磁场粒子模拟程序MAFIA建立了行波管周期永磁聚焦系统模型，计算了磁系统中的磁场分布和静态电子注传输特性。分析了周期永磁系统聚焦电子注传输特性，并重点讨论了磁场强度、磁场端部效应和横向速度分布对电子注聚焦性能的影响。为周期永磁聚焦系统的工程设计和优化提供了有价值的模拟结果。     

一种陶瓷径向绝缘强流二极管耐压结构设计

 对外径230 mm的陶瓷绝缘板，依据强流真空二极管径向绝缘的设计思想，设计加工了“锥-柱”型阳极外壳，并在传输线内筒和阴极杆末端位置增加了均压罩和屏蔽环结构。利用静电场有限元程序计算了陶瓷-真空界面电场分布，通过对外壳细节结构以及均压罩、屏蔽环形状和位置的调整，使得真空界面上沿面场强和三结合点处场强均得到了有效控制。在单线长脉冲加速器上进行了实验研究，结果显示，二极管能够耐受400 kV、脉宽大于200 ns的脉冲电压，运行稳定，达到了理论设计要求。     

4 MV激光触发多级多通道开关特性

 报道了4 MV激光触发多级多通道开关的结构设计和初步的实验结果及分析。该开关采用轴向聚焦触发方式，设计为匀场结构，采用场调整环与匀压环调整开关间隙电场分布，电极-绝缘子序列采用堆栈结构替代榫接结构，独立定位、紧固。实验结果表明：4 MV激光触发多级多通道开关的自击穿电压偏差小于5%，自击穿电压与工作气压呈良好的线性关系；触发延迟时间约25 ns，极差小于±2.5 ns，抖动1.5 ns；等工作电压-气压比条件下，随着气压和工作电压的上升触发延迟时间及其抖动趋向下降。