20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究

 对电感储能/电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟，研制了输出峰值功率大于20GW的小型化低阻负载电感储能/电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明：以电容器作为初始能源，在6~10Ω电阻负载上输出脉冲电压大于400kV、脉冲电流50~60kA，峰值功率大于20GW，能量转换效率大于30%。     

Evidence for separatrix formation and sustainment with steady inductive helicity injection

The first sustainment of toroidal plasma current of 50 kA at up to 3 times the injected currents, added in quadrature, using steady inductive helicity injection is described. Separatrix currents-currents not linking the helicity injectors-are sustained up to 40 kA. Decreases in the n=1 toroidal mode of the poloidal magnetic field at higher current amplifications indicate more quiescent, direct toroidal current drive. Results are achieved in HIT-SI (with a spheromak of major radius 0.3 m) during deuterium operations immediately after helium operation. These results represent a breakthrough in the development of this new current drive method for magnetic confinement fusion.     

MA量级螺线圈型爆磁压缩发生器

 采用多分支螺线圈型爆磁压缩发生器数值模拟程序MFCG8-7进行理论模拟及参数优化,设计了EMG-125型螺线圈型发生器,并开展了实验研究。电感负载实验结果表明：EMG-125型发生器可以在25 nH电感负载上输出大于3 MA脉冲电流,负载能量大于100 kJ,电磁能量放大50倍。     

爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

ITER直流隔离开关短路试验研究

基于ITER极向场变流器系统,分析了直流隔离开关短路故障,提出ITER直流隔离开关短路试验要求。基于中国科学院等离子体物理研究所直流测试平台,为ITER直流隔离开关短路试验设计了先建立直流电压再闭合短路开关的后短路试验方案,包括选取变压器档位、计算试验电流所对应的直流电压等内容。通过仿真和试验验证了试验方案的可行性,试验结果证明了直流隔离开关对短路故障的抑制能力满足ITER极向场变流器运行要求。经分析计算,350 kA试验电流需要直流电压270 V。在试验中,预设直流电压270 V时,试验电流达不到350 kA,将预设直流电压提高到300 V后,试验电流峰值达到362.5 kA,且超过350 kA的部分达到100 ms。实际预设直流电压比理论计算值大30 V,这是电网电压的波动造成的。     

Generation of a 75-MW 5-kHz Pulse Train from an Inductive Energy Store

The first demonstration of fully controlled high-power high-repetition-rate burst-mode operation of an inductive energy storage and transfer system with nondestructive switches was achieved with fast-recovery vacuum switches and a new repetitive transfer circuit. The system delivered a S-kHz pulse train with a peak power of 75 MW (at 8.6 kA) to a 1-? load.     

缩短两级爆磁压缩发生器输出脉冲宽度的一种途径

 缩短两级爆磁压缩发生器输出脉冲宽度的一种有效办法是增大第二级螺旋线圈的锥角，但增大锥角会降低发生器电感压缩比，合理的锥角设计是此类发生器的关键。介绍了三种能带大电感负载、结构紧凑的两级爆磁压缩发生器，第一级结构参数相同，第二级螺旋线圈锥角分别为6°，8°，10°。在电感负载上进行的实验结果表明：其输出电流分别达到140，90和50 kA，电流脉冲宽度分别为12.5，8.5和6.3 μs，对应的名义输出功率分别为7，7和3 GW。     

电感支撑磁绝缘传输线的设计与初步实验

 为了研究电感支撑内筒对磁绝缘传输线(MITL)功率流传输的影响,设计了一套电感支撑的MITL及其诊断系统,对MITL各个位置电参数进行了测量,获得了MITL阴阳极电流波形和MITL电压波形。其中一发支撑前阴极电流为90.08 kA,支撑后阴极电流为93.88 kA,阴极电流传输效率为95.96%,多次实验传输效率平均值为92.8%,证实了电感支撑MITL的可行性。     

A compact pulse generator for radiographic source supply

Radiography of short-living objects using X-pinch radiation is a new perspective direction in diagnostics developed at the P. N. Lebedev Institute of Physics. High spatial (up to a few tenth of a micrometer) and temporal resolutions (up to 0.1 ns) achieved with the use of the X pinch is extremely interesting to the researches of transient processes and substances in extreme states. The X pinch is produced by two or more crossed wires (with wire diameters up to 30 μm) exploded under the influence of current running through them. Scanning radiation is generated in a dense high-temperature plasma (up to several kiloelectron volts) arising in the region of wire crossing. Among the main requirements on the generator used to create the X pinch are current amplitudes of 150–300 kA and rates of current increase of 1–2 kA/ns. Up to now, these current pulse parameters have been provided only by bulky stationary generators weighing from 300 kg to several tons. In the present paper, a small-size (weighing 70 kg) high-current pulse generator (with current amplitude exceeding 300 kA and pulse rise time of 200 ns) of soft x-ray radiation from high-temperature X-pinch plasma is described. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 2, pp. 87–92, February, 2007.     

Spheromak formation by steady inductive helicity injection

A spheromak is formed for the first time using a new steady state inductive helicity injection method. Using two inductive injectors with odd symmetry and oscillating at 5.8 kHz, a steady state spheromak with even symmetry is formed and sustained through nonlinear relaxation. A spheromak with about 13 kA of toroidal current is formed and sustained using about 3 MW of power. This is a much lower power threshold for spheromak production than required for electrode-based helicity injection. Internal magnetic probe data, including oscillations driven by the injectors, agree with the plasma being in the Taylor state. The agreement is remarkable considering the only fitting parameter is the amplitude of the spheromak component of the state.     

等离子体断路开关装置上的多丝Z箍缩初步实验

 开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验，实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列，其中钨丝的直径分别为7 mm和20 mm。利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像。实验结果表明：导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%~78%的电流转换至金属丝阵负载上，负载电流上升沿为84~110 ns。高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程。     

改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器

采用2.5维粒子模拟软件对改进型低阻类膜片加载同轴渡越时间振荡器进行了研究。研究结果表明:提取腔工作于类模场时，具有较高的束波互作用效率；引入渐变型输出波导，提高了提取腔内微波向外耦合输出的能力；通过加载感性支撑杆，一方面对金属膜片起支撑固定作用，另一方面可以及时将膜片上的感应电荷导流至接地外筒、从而降低间隙附近的空间电荷效应，以增加可提取的束动能。经优化设计，该结构在二极管电压为530 kV，二极管电流为12.9 kA、外加导引磁场为0.5 T的条件下，输出微波功率2.74 GW，微波频率7.76 GHz，束波功率转换效率达40%。     

0.1 Hz 800 kA驱动源模块研制北大核心CSCD

介绍了面向Z箍缩驱动聚变裂变混合堆(Z-FFR)能源的重复频率800kA快上升沿的线性变压器驱动源(LTD)模块的设计和测试。LTD模块由34组RLC电路组成,每组包含2台100kV/40nF脉冲电容器、1个多间隙气体开关和非晶磁芯。研制的模块可以在匹配水电阻负载上以0.1 Hz的重复频率输出上升沿约100ns的800kA的电流脉冲。采用了一个高压触发信号来触发整个模块的新触发方式,将外触发信号通过模块内布置的角向传输线等网络同时到达并触发所有的高压开关,实验结果表明采用一路140kV、25ns前沿的触发脉冲可以可靠地触发整个模块。为了保证LTD模块每10s输出一个80kV/800kA的电流脉冲,非晶磁芯的去磁复位采用了一个5.2kA、脉宽30!s的电流脉冲,其运行频率为0.1 Hz。模块采用的多间隙气体开关运行寿命超过10 000次,其抖动小于3ns。     

猝发强流多脉冲电子束源物理设计

给出一台脉冲间隔100～1 000 ns、脉冲数2~5个、二极管电压3 MV、引出束流强度2.5 kA的猝发多脉冲电子束源的物理设计及初步调试结果。在设计中,采用感应叠加和阻抗匹配方案获得二极管高电压脉冲;试验中分别采用天鹅绒和大发射面储备式热阴极获得猝发多脉冲电子束。调试结果表明:采用大发射面热阴极可避免阴极等离子体产生,确保二极管在猝发多脉冲状态下稳定运行。初步调试获得大于2.7 MV猝发三脉冲二极管高压,并获得1.6 kA的三脉冲电子束流。     

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%。     

HL-2M 装置运行控制技术初步研究

重点介绍了 HL-2M 装置的运行技术和初步的等离子体控制实验结果,包括等离子体放电方案设计、 线圈电流控制、击穿阶段零场匹配和等离子体电流以及位移的控制。为了降低放电运行风险,HL-2M 装置初始放 电采用了简化的放电方案,通过整定 PID 参数实现了线圈电流控制,在击穿阶段获得了 10V 以上的环电压和较大 范围的零场区域,成功实现等离子体击穿。最后,投入了等离子体电流和水平位移反馈控制算法,成功将等离子 体放电脉宽提升至 200ms 以上,且维持 I_p≥100kA 的时间超过了 100ms,上述结果表明 HL-2M 装置运行控制技术 得到了初步的检验。      

紧凑型爆炸脉冲电源

采用等效电路模型程序——BCYSSYS对系统参数进行优化,设计了04型爆磁压缩发生器及用04型发生器驱动的紧凑型爆炸脉冲电源。紧凑型爆炸脉冲电源长度小于1.2 m,直径0.4 m,质量约100 kg。实验结果表明:04型爆磁压缩发生器能够在3μH电感负载上获得脉宽约10μs、峰值为100 kA的脉冲大电流输出;当负载电阻为8.7Ω时,输出电功率大于20 GW。典型实验结果与采用BCYSSYS程序得到的计算结果吻合较好,验证了BCYSSYS程序用于爆炸脉冲电源理论设计的可行性。     

ITER 68 kA高温超导特大电流引线研发

国际受控热核聚变试验堆由18个D形环向场线圈、6个中心螺管线圈、6个圆形极向场线圈和18个校正场线圈组成巨大的超导磁体系统.为大幅度减小磁体系统的低温制冷设备投资和日后的运行费,采用容量分别为68、52、45和10 kA总共30对高温超导电流引线馈电.不仅电流容量特大、安全性要求特高,而且还需承受低真空下巴申放电条件的30 kV直流高电压.本文介绍68 kA电流引线的相关设计和研发.     

CT-6托卡马克研究(Ⅰ)——实验装置的研制和调试

托卡马克是一种产生高温环形等离子体的聚变实验装置,也是一类复杂的现代化的电物理装备。CT-6是我国首先投入运行的小型托卡马克装置,其主要参数为:大半径45cm;小半径9.2cm;环向磁场2TL;等离子电流30kA;经过调试阶段,达到了预期目标,产生了平衡、稳定的电子温度为250eV左右的环形高温等离子体。CT-6由电磁系统(包括环向场、涡旋场、平衡场)、超高真空系统(包括环形真空室和抽气机组)、电源控制系统和诊断测量系统等部份组成,它是由中国科学院物理研究所、电工研究所及其他许多单位协作研制成功的。本文描述CT-6装置的设计、结构、工程研制和调试过程,以及有关的试验结果。 关键词：     

Plasma density evolution in plasma opening switch obtained by a time-resolved sensitive He-Ne interferometer

To understand the formation process of vacuum gap in coaxial microsecond conduction time plasma opening switch (POS), we have made measurements of the line-integrated plasma density during switch operation using a time-resolved sensitive He-Ne interferometer. The conduction current and conduction time in experiments are about 120 kA and 1 μs, respectively. As a result, more than 85% of conduction current has been transferred to an inductive load with rise time of 130 ns. The radial dependence of the density is measured by changing the radial location of the line-of-sight for shots with the same nominal POS parameters. During the conduction phase, the line-integrated plasma density in POS increases at all radial locations over the gun-only case by further ionization of material injected from the guns. The current conduction is observed to cause a radial redistribution of the switch plasma. A vacuum gap forms rapidly in the plasma at 5.5 mm from the center conductor, which is consistent with the location where magnetic pressure is the largest, allowing current to be transferred from the POS to the load.