回流罩结构Z-箍缩实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序(MDSC2)对大电流脉冲功率装置FP-2上的回流罩结构Z-箍缩实验exp90和exp60进行了数值模拟。数值模拟表明,回流罩结构Z-箍缩实验测量电流/回路电流不是负载套筒电流,回流罩结构Z-箍缩实验中回路电流不完全从负载套筒通过,回路电流和负载套筒电流之间存在一个结构系数,提出了边界磁场强度与回路电流关系的新公式。采用具有结构系数的边界磁场强度公式和磁流体力学程序能正确模拟exp90和exp60两个回流罩结构Z-箍缩实验,模拟的套筒内径运动速度和实验测量速度相一致。回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数为一常数,仅由回流罩的初始结构确定。90 mm和60 mm内直径套筒的结构系数分别为0.87和0.90。在套筒初始厚度、绝缘材料等其它条件相同的情况下,套筒内径越大,回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数越小。     

紧凑型X-pinch装置探头标定

 介绍了紧凑型X-pinch脉冲功率装置的电流电压测量设计方法。根据该装置的同轴传输线结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载外筒,构成回路测量负载电流的探头。在传输线末端设计电容分压器作为测量负载电压的探头,并利用电路模拟软件对此过程进行模拟,同时这两个探头需要进行在线标定。实验研究结果表明,该探头性能稳定、响应快,是测量负载电流与电压的理想工具。     

电爆金属丝质量密度分布的演变过程

基于X-pinch软X射线辐射点源对直径10μm钨丝单丝以及8μm钨丝双丝电爆发展过程进行了背光成像研究,实验平台为清华大学电机系研制的脉冲功率装置PPG-1(500kV/400kA/100ns)。成像光路安排为:作为X射线源的X-pinch和作为目标物的钨丝分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间和回流导电杆处,成像胶片采用高分辨率、高灵敏度的X光胶片。利用自行设计的电流传感器和罗氏线圈对目标物实际流过的电流进行监测,从而计算得8μm钨丝丝爆过程中电导随时间变化的曲线。为了观测电爆金属丝质量密度分布的演变过程,设计了μm级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了丝芯膨胀、晕层等离子体形成及其向外扩张等过程的相关物理图像以及基于原始胶片绘制的质量密度分布图。     

复杂结构沿面闪络产生发展阶段模拟研究

以天光Ⅱ-A装置X-pinch负载腔为例，采用包含场致发射、二次电子倍增模型的三维模拟软件OPAL，对复杂结构中真空绝缘体沿面闪络的产生与发展阶段进行了模拟研究。模拟结果表明，阳极产生的二次电子在平行于绝缘体表面的电场分量的作用下从阴极座向大半径的运动，是导致沿面闪络的主要原因。并提出了阻断沿面闪络的方法及其原理。采用阻断沿面闪络的措施后，后续多次X-pinch负载腔放电实验证明，正常的回流电流增加了近20%，真空绝缘体上的沿面闪络得到了抑制。；     

“阳”加速器钼丝X-pinch初步实验研究

 在“阳”加速器上进行了直径分别为10, 15, 20 μm, 交叉角为32°,45°,60°的钼（Mo）丝X-pinch实验。“阳”加速器产生的电流峰值约520 kA，上升时间80 ns。实验中通过X射线功率谱仪和纳秒分幅相机等仪器对Mo丝X-pinch辐射特性进行了诊断。实验表明：Mo丝X-pinch过程中会出现多次X射线爆发，箍缩过程中产生的热点辐射出能量超过3 keV的X射线，探测到的最小热点直径小于30 μm。     

基于低频部分元等效电路法的共地干扰

基于低频部分元等效电路（PEEC）模型计算接地回路电流和电势分布,研究分析了共地传导干扰机理。基于混合位积分方程建立了低频PEEC模型,并与边界元方法的结果对比验证其准确性。基于PEEC模型实现对导体中三维电流分布的计算,获得了典型大导体接地回路的电流分布,分析了频率对电流分布的影响特性。结果表明,地导体中电流分布主要集中在接地极附近,两接地极间会由于电感感抗的影响而呈现出电势差,揭示了接地回路中的共地传导干扰机理,建立的PEEC模型能够有效应用于共地干扰分析与抑制。     

似稳场中的涡旋电场和电流源的关系

推导了涡旋电场与它的电流源之间的关系，利用此关系和磁场矢势计算了球形线圈内外的磁感应强度，并证明了两个闭合回路之间的互感系数相符。     

从功能关系导出互感系数计算式

互感系数是电磁学基本概念之一。在电磁学教材中,由于数学工具的限制,未能给出互感系数基本公式;两个相邻回路之间的互感系数与顺序无关,仅由两回路的大小形状及相对位置决定的结论不能得到直接证明。本文根据互感磁能公式,应用功能关系导出互感系数计算式。 设导体回路L1,L2中分别载有稳值线电流I1和I2,在两回路相距无穷远的情况下,由于彼此之间无相互作用,可取它们之间的相互作用能为零。当两回路间的距离有限,根据安培定律,回路L1施于L2的作用力F12与回路L2施于L1的作用力F21等值反向,Bp式中,I;dl;、Izdl。分别为L;,L;上的任意电流…     

管壁取样器分流比例调节及两相流量测量

分流比例的大小和波动范围直接影响到管壁取样分配器的体积大小和流量测量精度,为此开展了对气液相分流系数影响因素的理论分析,并在空气-水两相流实验环道上进行了实验研究.实验分配器主管直径为40 mm,管路中出现的流型包括分层流、波状流、环状流以及弹状流.通过改变取样孔数目以及分流回路安装阻力调节孔板研究调节前后分流系数的变化规律.研究发现,旋流型管壁取样分配器液相分流系数主要取决于取样孔总面积的大小,而气相分流系数大小主要由分流回路和主回路的阻力特性决定.     

基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟

大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响，在高性能计算集群的帮助下，使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究，模拟区域（34 cm×34 cm×18 cm）包括双层柱-孔盘旋（DPHC）结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹，电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射，在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处；对电子能量沉积的统计结果表明，受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面，来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果，最大电流损失率（437 kA，27%）发生在电流传输的早期时刻（～15 ns），而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%，此时磁绝缘已完全生效，表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。     

箍缩背光照相

 利用PPG-Ⅰ脉冲功率装置（500 kV,400 kA,100 ns）驱动X箍缩负载,得到了μm量级的亚纳秒脉冲X射线辐射点源。在阴阳极轴线和回流柱上同时安装X箍缩负载,前者可作为背光照相的X射线点源;后者可作为被拍照的目标X箍缩。获得了X箍缩发展过程不同时刻的时间序列图像,在背光照相的图像中可以清晰观察到X箍缩交叉点处等离子体的外爆、箍缩以及最终的崩溃阶段。将阴阳极轴线上的X箍缩负载用Z箍缩丝阵负载代替,实现了对丝阵负载Z箍缩放电起始阶段的X射线背光照相,观察到了最初的各单丝电爆炸、等离子体膨胀及融合过程,同时观察到了双丝Z箍缩发展过程中的等离子体不稳定性。实验结果有助于深入理解Z箍缩发展的物理过程,同时可为有效的模拟建模分析提供基本的实验数据。     

X-pinch source of subnanosecond soft X-ray pulses based on small-sized low-inductance current generator

For the first time, the regime of a micrometer-size hot spot formation is impemented for an X-pinch in a plasma, which is fed from a current generator based on low-inductance capacitors and rapid current switches. The configurations of X-pinches, which can be used effectively as point sources of soft X-rays with this type of current generator, are determined. A prototype of a small-size radiation source for high-resolution point projection X-ray radiography has been constructed. The main parameters of X-pinch as a radiation source are analyzed and compared with X-pinch parameters in high-voltage setups with shaping lines. An analysis of the data on the operation of X-pinches in generators with different parameters has led to simple relations that can be used to select optimal initial X-pinch parameters.     

单丝及多丝Z箍缩的X射线背光成像

基于X箍缩软X射线辐射点源对单丝及多丝Z箍缩发展过程进行了背光成像研究,实验平台为清华大学电机系研制的脉冲功率装置PPG-Ⅰ（500 kV/400 kA/100 ns）。成像光路安排为:作为X射线源的X箍缩和作为目标物的单丝或多丝（双丝）Z箍缩分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间或回流导电杆处,成像胶片采用高分辨力、高灵敏度的X射线胶片。利用自行设计的电流传感器和罗氏线圈对目标物实际流过的电流进行监测。为了测定目标物金属细丝的质量消融率,设计了m级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了Z箍缩等离子体融合、先驱等离子体形成及不稳定性发展等过程的相关物理图像以及质量消融率、丝芯膨胀率等重要定量参数。     

小型X箍缩的初步实验研究

基于一台紧凑型脉冲电流发生器,对小型X箍缩进行了初步的实验研究。当改变X箍缩双细丝的直径和材料时,流过负载的总电流几乎不变,这表明双细丝阻抗远小于负载的总阻抗。使用这些细丝,X箍缩均能辐射X射线,但随着细丝质量的增大,X射线辐射时刻相对于电流起始时刻的延迟逐渐增大,X射线脉冲通常为亚纳秒脉宽的单峰或几乎重叠的双峰。对于小质量的细丝负载,若驱动电流足够大,时常观察到时间间隔较长的两个X射线脉冲,并被确认为二次箍缩所致。     

Inreased Power Concentration and its Effect on the Discharge Parameters on the Low Pressure Hg-Rare Gas Positive Column III. Effects of an Axial Rod

After the investigation of the influence of current and tube radius on the power concentration of the Hg-rare gas discharge in the two previous parts, part III deals with the corresponding effects of additional recombination surfaces. The plasma parameters (radiant flux of the resonance lines, field strength, electron density, electron energy distribution function) are measured in a discharge tube with an axial glass rod. With increasing rod diameter and increasing distance from the tube axis radial radiation intensity distribution becomes asymmetric. The field strength increases with the radius of the rod. The dependence of the field strength and that of the radiant flux on the parameters of the discharge do not basically change. The measured UV-radiation efficiency of the positive column is higher than that of discharges without axial rod for equal tube radius. This is attributed primarily to the changed radial electron density distribution and its effect on the collision processes.     

灰控制棒价值对机械补偿运行控制的优化

快速、精确和高度自动化的大幅功率调节能力是先进核电厂控制策略研究的主要目的之一。在目前压水堆核电厂设计中,主要采用控制棒控制方式的机械补偿运行控制策略,可以较好地满足上述要求。在该控制策略下,控制棒价值对其运行控制能力具有重要影响。针对灰控制棒组价值增大对于运行控制能力的提升进行了研究,结果表明:适度地增大控制棒价值,并对控制棒轴向价值分布进行优化,能够显著提高核电厂负荷跟踪运行能力。相关分析结果对控制棒组件的设计改进和压水堆核电厂先进控制策略的研究具有重要的借鉴意义。     

Studying the Dynamics of Hybrid X-Pinches

Since the first experiments with hybrid X-pinches (HXP), it has been shown that a short wire between two conical tungsten electrodes produces the same radiation as a standard X-pinch. Since HXP has a simple construction, it is commonly used in many laboratories instead of standard pinches. Although details of the HXP dynamics remain poorly studied, the main factors governing HXP formation are investigated experimentally in this work. It is shown that the process of the electrode plasma formation is one of the main factors that lead to single hot spot bursts. Experimental results allow the fitting of HXP parameters and determination of the size of the source of X-ray radiation. It is also shown the radiation of HXP can be used as a source for point projection radiography in the wavelength range of soft to hard X-rays. Such sources can be also used for absorption spectroscopy and even electron beams.     

Micro-optic devices for fiber-optic communications

A novel approach, “micro-optics”, is proposed to realize coupling/branching in fiber-optic communications. The operation is based on the beam transformation in a graded index rod (beam undulation and beam size change), in association with reflection or refraction at a graded index rod facet. Small-size couplers/dividers have been devised by inserting a semitransparent mirror between the facets of two graded index rods with a length of a quarter of the undulation period. Their best features are small size, simple structure, low insertion loss, and wide application areas. An excess insertion loss as low as 0.5 dB has been realized in a 3-dB divider with SELFOC® rods. As further applications of them, wavelength division multiplexers/demultiplexers have been developed by replacing the semitransparent mirror with a dielectric interference filter. An insertion loss of as low as 1.2 dB and isolation of more than 20 dB for wavelength separation of 20 nm have been realized. Results are also shown on the other type of micro-optic couplers/dividers.     

激光二极管侧抽运双棒串接准连续Nd∶YAG高功率绿光激光器

研制一台激光二极管(LD)侧面抽运双棒串接准连续Nd∶YAG折叠腔高功率绿光激光器,理论分析了热致双折射效应对系统的影响,并对用石英旋转片补偿前后的情况进行模拟对比。在考虑了补偿后的情况下设计了热稳定谐振腔。实验中采用两个串接的由30个20 W的LD阵列侧面抽运的Nd∶YAG棒和Ⅱ类临界相位匹配HGTR-KTP晶体,在抽运电流均为21.6 A,重复频率为27.2 kHz时,获得了最大平均输出功率为164 W,脉冲宽度为130 ns的532 nm绿光输出,光-光转换效率为13.7%,测得光束质量因子为M2x=9.52, M2y=9.86,不稳定度为2.3％。实验结果显示,经补偿后的激光系统能在宽的稳区范围内稳定运转。