聚龙一号装置准等熵压缩实验负载优化研究

准等熵压缩实验技术已用来研究材料在高压下的状态方程。基于聚龙一号装置平台,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射,进行了一系列实验来加深对负载构型的理解。通过对负载结构的设计,研究了构设电极尺寸与电极间隙对磁应力的大小与分布的影响。基于模拟和实验结果,带状线负载结构可以很好地提高磁压和提升装置的运行水平,其电极表面磁压分布也具有良好的均匀性和平面性。目前为止,已经可以用带状线负载在聚龙一号装置上获得峰值压力高达约100 GPa的准等熵压缩,并获得速度超过10 km/s的超高速飞片。     

kJ脉冲激光器控制系统设计

对大型高功率激光器控制系统的工作环境和应用特点进行了研究和分析。结合kJ脉冲激光器控制系统设计实例,介绍了一套优化的高可靠性控制系统模型。以以太网和EtherCAT总线为基本框架,设计了开放异构的分布式计算机控制系统,软件是基于CORBA中间件C/S调用模式的三层结构体系。能适应kJ脉冲激光器控制对象分布分散、电磁环境恶劣的特点,对整个激光器控制对象进行有序控制,满足装置正常打靶运行要求。     

聚龙一号装置上首次铝套筒Z箍缩X射线背光照相实验

在聚龙一号脉冲功率装置上首次完成了对带正弦扰动铝套筒Z箍缩的X射线背光照相实验。实验采用千焦耳激光器（1053 nm, 1 kJ, 1 ns）驱动固体靶材产生X射线, 然后利用基于球面晶体的单色背光照相技术以及直接点投影背光照相技术, 成功观测到约7.5 MA电流驱动条件下, Z箍缩铝套筒的外边界不稳定性发展情况。该实验验证了在聚龙一号装置上联合千焦耳激光器开展X射线背光照相实验的能力, 为后续精密Z箍缩物理研究奠定了基础。     

聚龙一号装置磁驱动加载实验的全电路模拟

聚龙一号装置由24路模块并联组成, 通过调整24路模块中激光触发气体开关的导通时序可实现负载电流波形的精确调节, 以满足磁驱动加载实验所要求的负载电流波形灵活调节的需求。针对聚龙一号装置开展的磁驱动加载实验, 建立了能够描述能量从Marx发生器开始至负载整个传输过程的全电路模型, 开发了相应的电路计算程序, 并基于实验结果对计算程序进行了校验, 电路模拟结果与实验结果符合较好。电路模拟程序的计算效率比采用Pspice软件进行全电路计算的效率显著提高, 其不仅可应用于在给定激光触发气体开关导通时序的情况下对聚龙一号装置的输出特性进行预测和评估, 同时也为负载电流波形调节的方案设计提供了一种有效工具。     

聚龙一号装置波形调节北大核心CSCD

在聚龙一号装置(PTS装置)上开展了系列波形调节实验,成功在负载上输出脉冲上升时间达到600ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下,负载电流的上升时间约90ns,峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整,实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状,通过全电路模拟计算,调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态,在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明,输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差,该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发,除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外,还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差,该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究,聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。     

“聚龙一号”装置不同光子能段X射线积分成像系统研制

成功研制了用于"聚龙一号"装置上Z箍缩实验中等离子体图像诊断的三通道不同光子能段的X射线积分成像系统。该系统主要由针孔阵列调节组件、X射线真空飞行管道、X射线分光器件及成像板组成,各通道的光谱响应分别为277eV,小于700eV和大于800eV,其对应的成像针孔直径为100,100和50μm,成像放大倍率2倍,成像空间分辨率均优于0.2mm。在"聚龙一号"装置上完成了该成像系统的性能考核,获取了不同光子能段的等离子体时间积分图像。结果表明,该成像系统满足"聚龙一号"装置上Z箍缩实验的诊断需求,在提升了单台相机光谱响应范围的同时提高了低能段图像的空间分辨率。     

“聚龙一号”装置荣获国家科技进步一等奖

在2018年1月8日召开的国家科技奖励大会上,《强激光与粒子束》副主编邓建军院士为项目第-完成人的“聚龙一号”装置荣获国家科技进步一等奖.“聚龙一号”装置,是中国工程物理研究院流体物理研究所独立自主研制、达到同类装置国际先进水平的超高功率脉冲装置,是我国脉冲功率技术发展的里程碑.该装置建设项目于2014年12月27日通过国家验收.作为国内首台多路并联超高功率脉冲激光装置,其采用超高功率脉冲装置驱动柱形金属丝阵负载,使其汽化并向轴心箍缩（即Z箍缩）,技术指标达到国际同类先进水平.     

聚龙一号丝阵负载Z箍缩硬X射线能谱测量

为获取聚龙一号实验装置负载放电产生硬X射线的能谱分布,设计了一套7通道硬X射线能谱仪。介绍了这套多通道硬X射线能谱仪的测谱原理、主要参数及根据测量结果回推光源辐射能谱的解谱算法。在聚龙一号装置丝阵负载物理实验中对测量系统进行考核,获得了信噪比较高的测量波形。利用最大熵方法进行解谱,获得了丝阵负载产生的硬X射线能谱分布,辐射能段主要集中在200~500 keV附近,且1 MeV以上光子份额较低。     

“聚龙一号”装置24路模块精确控制技术

介绍了Z箍缩初级实验平台“聚龙一号”装置24路模块的精确控制技术和实验结果, 通过采用24个激光触发开关来控制24路模块的精确导通, 实现了对“聚龙一号”装置输出电流波形的精确控制和调节。24个激光触发开关由12台Nd: YAG四倍频脉冲激光器来触发, 每台激光器分光后触发2路激光开关。实验结果表明: 24路激光之间的抖动小于1.0 ns, 激光开关的抖动小于1.5 ns,“聚龙一号”装置在主Marx充电电压为65 kV时, 当24路模块同步导通时,获得负载电流9.8 MA, 电流前沿上升时间(10%~90%)为75 ns;在24路模块分时放电时,实现了对电流波形的精确调节,电流前沿上升时间(10%~90%)可以拓展到600 ns, 对应的负载电流峰值为5.5 MA,电流波形的模拟值与实验测量结果基本一致,在相同负载和实验条件下,获得的电流波形具有很好的重复性。     

聚龙一号主开关导通时刻对负载电流的影响

利用FCM-PTS程序与负载动力学程序耦合模拟研究了聚龙一号装置中主开关导通时刻对Z箍缩实验中负载电流峰值和上升时间的影响。结果表明,虽然聚龙一号装置上下支路三平板传输线的单向传输时间相差20 ns,但是当上下支路主开关导通时刻的时间差为22 ns时,负载电流的峰值最大,上升时间最短。将上下支路主开关导通时刻的时间差设置为20 ns和22 ns时,主开关导通时刻10 ns的抖动导致负载电流峰值损失最大值分别为163 kA和136 kA,上升时间最多分别延长2.4 ns和2.9 ns。     

“聚龙一号”装置同步性实验研究北大核心CSCD

分析了"聚龙一号"装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响,Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率,主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键,即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通,12台激光器可以独立调整精确的出光时间,用下方的主开关比上方的提前20ns导通的方式来修正传输线长度上的差异,将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明,Marx发生器同步性抖动为11ns,主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4ns和10ns,"聚龙一号"装置的同步性抖动为6ns。在同一负载参数下,磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。     

智能激光测距机组件检测系统

为了解决目前各激光测距机检测仪功能单一、检测准确度低等问题,研制了一种新型智能激光测距机参数检测仪.系统采用先进的控制技术和方便快捷的微机软件,且配有结构巧妙的分光束光学系统,能同时实现对测距机的光轴平行性、光束性能参数,包括光束发散能量、脉宽、编码准确度的测试;天线的视场和灵敏度测试;系统整体性能测试.2 048×2 048高空间分辨率CCD的引入,使系统的角分辨率达到了5″;15 GHz示波器用于捕获窄达 100 ps的激光脉冲;高准确度,大动态范围的激光能量计可精确测量出激光的能量.     

Study of laser output power stabilization for a deuterium cyanide laser interferometer on the Experimental Advanced Superconducting Tokamak

A control system which can improve stabilization of laser power in long-term operation automatically is designed for a deuterium cyanide (DCN) far-infrared laser interferometer on the Experimental Advanced Superconducting Tokamak. It stabilizes the output power of the laser by a closed-loop control system aided by a programmable logic controller. The system has been applied to the DCN laser and it has been proven that it is effective in stabilizing the laser near the highest scope of the output power.     

Z箍缩初级实验平台的激光触发系统

介绍了Z箍缩初级实验平台激光触发系统的设计和单路样机验证实验结果.采用12台激光器、24个激光触发主开关来实现24路电流脉冲的精确同步,由Nd:YAG四倍频脉冲激光来触发开关,采用水平分光将一台激光器的激光脉冲等分为两束激光,激光聚焦后分别触发相邻的两路主开关.单路样机验证实验获得的激光脉冲的抖动极差小于等于3 ns.主开关的抖动极差小于等于5 ns,3台激光器之间的抖动极差小于等于3 ns.实验结果表明:在主Marx充电电压小于等于75 kV时,光路管道双隔离气室具有良好的绝缘性和密封性;激光光路系统稳定可靠;能量为100 mJ、脉冲宽度为7 ns的266 nm激光经过分光后,能够满足Z箍缩初级实验平台的设计要求.     

PTS装置工作模式及波形调节

为了对即将建成的PTS装置的实验能力进行分析,对装置的工作模式及波形调节能力进行了分析。装置具有三种工作模式:短脉冲模式、长脉冲模式和波形调节模式。在不同的工作模式下,装置可以进行不同负载的实验研究。在基本工作模式下,在15 nH负载上输出前沿90 ns、幅值8~10 MA脉冲电流。通过电路模拟,对装置在三种工作模式下预计的负载电流输出进行了分析,短脉冲模式下装置负载电流的上升时间约90 ns,长脉冲模式时约200 ns,波形调节模式时可以达到400 ns。模拟结果表明,通过调节激光触发气体开关的触发方式和脉冲输出开关及装置其他参数,PTS装置可以输出脉冲前沿100~400 ns、波形形状在一定范围可调的强电流脉冲。     

大电流恒功率放电技术在大功率DPL中的应用

针对大功率激光二极管泵浦固体激光器(DPL)对大功率驱动电源的特殊要求,设计了一种大电流恒功率放电及驱动控制电路。将该电路与现有的充电和过流保护电路组成一套完整的激光二极管阵列驱动电源,并应用于基于大功率激光二极管阵列的DPL系统中。该驱动电源可为DPL系统提供频率为20 Hz,脉冲宽度为230 s,200 A以上的驱动电流,这将对多种以DPL为基础的激光武器系统产生重要的实际应用价值。