磁绝缘传输线电流损失的计算方法

 磁绝缘传输线电流损失的计算方法是丝阵Z箍缩电路模拟的关键问题之一。以传输线模拟方法TLCODE为基础,将磁绝缘传输线分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成,根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况,磁绝缘形成之前损失电流由空间电荷限制流与传导电流的定量关系来计算,磁绝缘形成之后则根据阻抗匹配关系及流动阻抗模型来计算;同时将丝阵负载内爆动力学方程与TLCODE表达式、流动阻抗方程进行耦合,可求解磁绝缘传输线、丝阵负载在电压脉冲作用下全时空域的动态响应特性。     

Z箍缩装置外磁绝缘传输线全尺寸粒子模拟研究

采用电路模拟得到的柱孔结构处向外磁绝缘传输线传输的电压反射波来等效Z箍缩装置中的柱孔结构至丝阵负载部分,实现了Z箍缩装置四层外磁绝缘传输线的全尺寸粒子模拟.为了进一步提高柱孔结构和丝阵负载等效电路模型的精度,通过粒子模拟,对电路模拟得到的电压反射波进行了修正.PBFA Z装置四层外磁绝缘传输线部分的全尺寸粒子模拟结果表明,修正电压反射波后得到的绝缘堆处电压波形和电流波形比原有电路模拟结果更接近实验结果.另外,利用粒子模拟结果分析和解释了丝阵负载内爆对外磁绝缘传输线脉冲功率传输物理过程的影响. 关键词： Z箍缩 外磁绝缘传输线 粒子模拟 等效电路模型     

磁绝缘传输线电路模拟与分析

结合磁绝缘传输线运行特征,阐述了磁绝缘传输线的电路模拟方法,开发了基于波过程的磁绝缘传输线电路模拟程序。探讨了磁绝缘传输线运行状态判断、运行阻抗、电子流损失等的物理描述,分析了不同物理模型对电路模拟结果的影响。结果表明:因阻抗过匹配所致电子流损失是Z箍缩装置磁绝缘传输线电路模拟中需重点关注的问题。建立在现有物理模型基础上的电路模拟是后验的,可为丝阵负载结构优化设计、负载电流和内爆特性评估提供参考,可满足磁绝缘传输线一级近似设计要求。但对未来更高电流参数下磁绝缘传输线的设计还需从试验和理论上深入理解磁绝缘现象和运行过程。     

同轴圆柱形磁绝缘传输线前沿损失与工作电压关系

在磁绝缘传输线层流模型基础上,基于极限电流近似,推导获得了同轴圆柱形磁绝缘传输线在自磁限制绝缘时,前沿损失电子电流、功率的解析解．通过粒子模拟,获得了磁绝缘传输线在源阻抗不变的条件下,不同电压条件下的损失电子电流、损失功率．对比分析了模拟结果与极限电流近似下和最小电流近似下的理论结果．结果表明：损失电子电流与损失功率比例随电压增大而减小;电压高于4MV时,极限电流近似更符合模拟结果,电压大于10MV时,极限电流近似与模拟结果的相对误差从最小电流近似的50％以上减小到10％以下．对于建立磁绝缘传输线系统中,高压电脉冲从真空传输、磁绝缘传输线上传输到工作负载的全电路模拟具有一定的指导意义．     

磁绝缘传输线的有损线模型

 开发了一种磁绝缘传输线(MITL)的电路模拟方法。以传输线模拟方法TLCOD为基础，将MITL分成若干段有损传输线单元，每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成。根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况并计算相关参量，推导丝阵负载条件下MITL末端界面电压的表达式，阐述模型的求解方法及步骤；用有损线模型计算阳加速器MITL得到的结果与实验结果基本吻合，表明模型正确有效。     

不同Z-箍缩负载磁绝缘传输线电流损失特性

 在装置“S-300”上，通过测量真空磁绝缘传输线中电极间电子流轫致辐射和负载上的电流、电压等参数，研究了磁绝缘传输线中的电流损失特性。实验中使用了阻抗特性不同的3种负载，结果表明，磁绝缘传输线中的电流损失特性显著地取决于负载。当负载为丝阵靶时，电流损失出现在丝阵等离子体最大箍缩时刻，且其值不超过负载总电流的5％。     

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线损失电流的电路模拟

采用TL-code电路编码方法,建立了15 MA Z箍缩装置多层圆盘锥磁绝缘传输线的全电路模型,分析了外磁绝缘传输线、汇流柱和内磁绝缘传输线三个区域电流损失特性.外磁绝缘传输线磁绝缘形成过程的空间电荷损失持续时间约30 ns,对负载电流影响小.进入磁绝缘稳态时,外磁绝缘传输线末端鞘层电子流损失约300 k A.汇流柱区域电流损失与电极等离子体运动速率密切相关,当等离子体运动速率为21 cm/μs时,负载峰值电流时刻损失电流约4 MA.内磁绝缘传输线电流损失取决于阳极离子流种类,电流损失在负载峰值电流时刻之后,损失电流约2.1 MA.当15 MA装置驱动长度2 cm、半径2 cm、质量3 mg丝阵负载时,绝缘堆峰值电流约18 MA,负载峰值电流约13.5 MA、峰值时间(0—100%)约为100 ns.     

磁绝缘传输线阻抗变化对空间电子流的影响

介绍了磁绝缘传输线的阻抗大小、传输电压及电流大小对其产生的空间电子流大小及阴极电子鞘层厚度的影响。运用CHIPIC软件建立四层圆盘锥形磁绝缘传输线A层的近似化三维模型进行模拟,对比理论计算值与模拟值,并与相关文献的二维模拟结果进行对照,验证三维模拟的正确性。最后,模拟研究了圆盘锥形磁绝缘传输线阴阳极之间的间距变化对传输效率的影响。     

磁绝缘传输线损失电流等效电路模型

在粒子模拟的基础上,结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式,拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式,并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程,计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟,得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形,插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。     

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。     

阳加速器水传输线及磁绝缘传输线的电路模拟

 根据阳加速器传输线的阻抗分区特性，建立电路模型，并对短路实验及丝阵内爆实验进行模拟。短路实验的模拟结果与实验测试结果非常接近；通过对丝阵具体条件的分析，合理地引入串联电阻，同样准确地模拟了丝阵内爆的传输线响应特性，并利用模型简单描述了丝阵内爆的一般特性。模拟结果表明，模拟方法正确有效、电路模型可用于变阻抗水传输线及MITL的设计分析及基本规律研究。     

Continuing Studies of Plasma Erosion Switches for Power Conditioning on Multiterawatt Pulsed Power Accelerators

Recent PITHON experiments with plasma erosion switches (PES) have extended the range of operation of the switches by about 50 percent, in terms of closed time and charge passing through the switch. The quantity of charge passed through the switch has been increased to as much as 35 mC. Currents as large as 1 MA and voltages as great as 1.8 MV have been switched off to be diverted to a downstream load. The impedance of the erosion switch can be described as having three stages: 1) essentially zero impedance, 2) a transitional opening phase, and 3) an impedance which is very large (greater than 5 ?) in comparson with the subohm downstream load. Current diagnostics, consisting of Rogowski coils and segmented shunts, have been successfully developed to monitor the current which propagates to the load region. These monitors have measured rise times as short as 38 ns and slew rates as great as 1014 A/s at the load. With wire array loads, the pulse conditioning of the switch has been observed to reduce the magnitude of the current losses in the feed which are present when no switch is used. Correlations have been made between the switch closed time, voltage, current, and power with the feed inductance and the generator power injected into the magnetic insulated transmission line (MITL).     

阳加速器新磁绝缘传输线的设计与检验

 介绍了阳加速器新磁绝缘传输线(MITL)的物理设计及实验检验。在缩短MITL整体长度及绝缘环宽度的同时，将原结构改成以共顶点同轴圆锥段为主体的新结构，使阴极表面、绝缘环及三相点满足电场设计要求，最小磁绝缘电流较原结构有所降低，将结构电感从原来的70.9 nH减小到31.7 nH。利用短路实验及丝阵内爆实验对新MITL进行了检验，结果表明新MITL的性能指标有所提高。     

二极管波过程理论分析

 理论分析了二极管磁绝缘传输线（MITL）区阻抗不连续和二极管阻抗随时间的变化对波过程的影响。结果表明：若MITL区电长度远小于入射波脉宽,则二极管前端测得的电压电流幅值反映了阴极处电压、电流,电压与电流的比值由二极管阻抗确定;为加快阴极处电压、电流前沿,MITL区各段传输线沿波的传输方向可采用阻抗渐增的方式,且取中间元件的阻抗为其两端元件阻抗的均方根;测点电压、电流前沿在时间上可分为传输、全反射和束流形成阶段;梯形电压波入射下,测点波形前沿全反射阶段电压较传输阶段增长速度倍增,电流为一段平台;实际电压波入射下,测点电压波形前沿为一条不断增长的曲线,电流波形前沿存在振荡。