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。     

融断开关等离子体中磁场的异常渗透

简单地介绍了柱坐标粒子模拟算法及实现 ,利用粒子模拟方法对等离子体融断开关导通过程中的磁场渗透问题进行了模拟计算 ,针对不同的模拟条件出现的模拟结果进行了理论分析 ,给出了合理的物理解释。     

高密度等离子体融断开关融蚀现象的粒子模拟研究

利用自行研制的2.5维全电磁柱坐标粒子模拟程序对高密度等离子体融断开关融断区域中的融蚀现象进行了模拟研究,详细地介绍了计算模型的建立以及复杂边界的算法处理。模拟结果表明在融断开关导通电流的最后阶段,由于磁压力、磁场渗透作用和非中性静电融蚀作用,在融断区域的阴极附近会形成一定宽度的真空鞘层。由于等离子体密度的下降以及初始真空鞘层的存在,使得即使只有较小的离子电流,融蚀机制也完全可以导致PEOS最终断开。     

高密度等离子体融断开关融蚀现象的粒子模拟研究

 利用自行研制的2.5维全电磁柱坐标粒子模拟程序对高密度等离子体融断开关融断区域中的融蚀现象进行了模拟研究,详细地介绍了计算模型的建立以及复杂边界的算法处理。模拟结果表明在融断开关导通电流的最后阶段,由于磁压力、磁场渗透作用和非中性静电融蚀作用,在融断区域的阴极附近会形成一定宽度的真空鞘层。由于等离子体密度的下降以及初始真空鞘层的存在,使得即使只有较小的离子电流,融蚀机制也完全可以导致PEOS最终断开。     

融断开关等离子体中磁场的异常渗透

简单地介绍了柱坐标粒子模拟算法及实现,利用粒子模拟方法对等离子体融断开关导通过程中的磁场渗透问题进行了模拟计算,针对不同的模拟条件出现的模拟结果进行了理论分析,给出了合理的物理解释。     

低密度等离子体融断开关的粒子模拟研究

 采用2.5维柱坐标粒子模拟程序研究了低密度等离子体融断开关（PEOS）工作过程中的物理现象,介绍了计算模型的建立和复杂边界的算法处理。模拟结果表明,在PEOS导通电流的过程中,电流通道最初在等离子体的发生器端形成,并且随着导通时间的增大而向负载端漂移。离子的空间分布并没有明显的变化,当PEOS发生断路时,等离子体离子的密度会迅速降低,并最终导致PEOS阴极附近的等离子体的密度已接近为零,此时,阴极电子完全受磁场箍缩作用而不能到达阳极,PEOS完全断开。     

低密度等离子体融断开关的粒子模拟研究

采用2.5维柱坐标粒子模拟程序研究了低密度等离子体融断开关（PEOS）工作过程中的物理现象,介绍了计算模型的建立和复杂边界的算法处理。模拟结果表明,在PEOS导通电流的过程中,电流通道最初在等离子体的发生器端形成,并且随着导通时间的增大而向负载端漂移。离子的空间分布并没有明显的变化,当PEOS发生断路时,等离子体离子的密度会迅速降低,并最终导致PEOS阴极附近的等离子体的密度已接近为零,此时,阴极电子完全受磁场箍缩作用而不能到达阳极,PEOS完全断开。     

带辅助磁场等离子体断路开关的数值模拟

 利用全电磁网格粒子方法模拟了外加磁场对等离子体断路开关（POS）断路性能的影响，给出了电压倍增系数与外加磁场的关系曲线。数值模拟表明，外加轴向磁场线圈必须放在同轴型POS阴极的同侧才能显著改善开关的断路性能；当外加角向磁场时，内电极为阴、阳极的同轴型POS的断路性能都得到了不同程度的改善。随着外加磁场的增大，电压倍增系数将达到饱和。     

带辅助磁场等离子体断路开关的数值模拟

利用全电磁网格粒子方法模拟了外加磁场对等离子体断路开关（POS）断路性能的影响,给出了电压倍增系数与外加磁场的关系曲线。数值模拟表明,外加轴向磁场线圈必须放在同轴型POS阴极的同侧才能显著改善开关的断路性能;当外加角向磁场时,内电极为阴、阳极的同轴型POS的断路性能都得到了不同程度的改善。随着外加磁场的增大,电压倍增系数将达到饱和。     

能量输运对柱状等离子体开关磁场穿透过程的影响

对于高密度、导通时间为μs级的柱状等离子体开关,利用磁流体动力学理论(MHD),对其导通阶段的磁场穿透过程进行了模拟,得到了磁场分布随时间的变化;研究了开关导通过程中能量输运导致的温度不均匀分布对磁场穿透过程的影响。模拟结果表明：对于高密度等离子体开关,磁场以远大于磁扩散速率的速度穿透到等离子体中;在磁压对等离子体产生的压缩效应和欧姆加热效应共同作用下,激波区域的等离子体温度显著升高,这进一步加速了磁场穿透;当考虑能量输运方程时,开关导通时间为0.87 μs,比等温模型的结果0.92 μs短,与实验结果0.87 μs相一致。     

长导通等离子体开关断路过程的粒子模拟

 利用PIC(particle-in-cell) 粒子模拟方法对长导通等离子体断路开关的断路过程进行了模拟研究。介绍了计算模型的建立和边界的处理。模拟结果揭示了断路间隙的形成过程和机制,并据此对等离子体断路开关断路阶段的现有模型进行了定性的修正,认为断路过程中Hall融蚀和静电融蚀机制将同时存在,静电融蚀在开关最终的断路中占主导作用,且静电融蚀是由于磁场排斥引起的。     

能量输运对柱状等离子体开关磁场穿透过程的影响

 对于高密度、导通时间为μs级的柱状等离子体开关,利用磁流体动力学理论(MHD),对其导通阶段的磁场穿透过程进行了模拟,得到了磁场分布随时间的变化;研究了开关导通过程中能量输运导致的温度不均匀分布对磁场穿透过程的影响。模拟结果表明：对于高密度等离子体开关,磁场以远大于磁扩散速率的速度穿透到等离子体中;在磁压对等离子体产生的压缩效应和欧姆加热效应共同作用下,激波区域的等离子体温度显著升高,这进一步加速了磁场穿透;当考虑能量输运方程时,开关导通时间为0.87 μs,比等温模型的结果0.92 μs短,与实验结果0.87 μs相一致。     

半导体断路开关数值模拟

 为了研究半导体断路开关(SOS)的截断过程及其在脉冲功率系统中的工作特性,建立了半导体断路开关的电流控制模型,对p⁺-p-n-n⁺掺杂结构的半导体断路开关进行了数值模拟研究。通过数值模拟,给出了p⁺-p-n-n⁺型半导体断路开关在正、反向泵浦过程中的载流子及电场分布,并获得了电流截断效应。计算结果表明,半导体断路开关的截断过程首先发生在p区。     

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。