PW级Ｚ箍缩驱动源指数传输线的电路模拟

采用PSPICE软件,以PW级Z箍缩驱动源指数传输线为例,模拟分析了用有限多段分段阶跃变阻抗传输线序列模拟连续指数变阻抗传输线时,直角波、半周期正弦、全周期正弦平方等入射脉冲的电压和功率传输效率与分段数以及脉冲参数的关系,并计算了水电阻率对功率传输效率的影响。模拟结果表明：直角波波头的电压和功率传输效率随分段数增大而迅速趋近于理想传输线变压器的值;但对于非直角波入射脉冲而言,分段数并非越多越好,而是存在一个与传输线电长度和输入脉冲波前时间相应的最佳值;随着水电阻率下降,功率传输效率加速降低。     

指数传输线输出波形和传输效率的级数近似解

以传输线分布参数模型为基础,推导给出了Ｚ箍缩感兴趣条件下典型脉冲通过指数变阻抗传输线后脉冲波形和传输效率的级数近似解。分析了变阻抗传输线的阻抗变比、长度及脉冲形状和参数对传输效率的影响,以适合PW量级Z箍缩驱动源的水介质整体径向指数变阻抗传输线的参数组合为例计算给出了其传输效率。电压传输效率随传输线阻抗变比、长度增大而增加,随脉冲频谱向高频移动而增加;功率传输效率随传输线阻抗变化剧烈程度减小而增大,随脉冲频谱向高频移动而增大。给出了电压和功率传输效率的简化计算公式。     

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     

快Z箍缩物理过程的PSPICE电路模拟方法分析

PSPICE电路模拟方法是脉冲功率驱动源电路模拟设计的一种实用方法。应用PSPICE电路模拟方法，把Z箍缩物理过程的薄壳模型同驱动源的电路模型集中参数有机地结合，应用PSPICE电路模拟方法中的电路积分和微分方法，计算上述微积分方程组，可以得到同驱动源参数相关的Z箍缩零级近似物理参数，如箍缩时间、箍缩速度、内爆动能、负载上的电流、电压等内爆物理量变化规律。     

40级串联FLTD驱动杆箍缩二极管的箍缩特性模拟

快放电直线型变压器 (FLTD)直接驱动阳极杆箍缩二极管(RPD)技术的紧凑型闪光照相装置是当前研究的热点。采用数值模拟(PIC)方法,建立了40级串联FLTD的粒子模拟模型,研究了不同触发时序下次级分别为正、负极性时的输出特性;在此基础上,初步模拟了RPD在4 MV电压下的箍缩特性。结果为：在脉冲源参数和负载相同的情况下,次级MITL内筒为正极性时的阴极传导电流比例明显低于负极性情况;在脉冲源输出电压4 MV时,RPD电子束箍缩良好,电子束的轴向分布较为集中,38%的电子束沉积在距离针尖1.5 mm的区域。     

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源（LTD）原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100 kV/100 nF脉冲电容器和一只200 kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9 m,厚度约27 cm。电路模拟结果表明,在90 kV充电电压下,输出电流幅值为1.0 MA,电流上升时间（10%～90%）约118.6 ns。初步实验结果表明,在约90 m近似匹配电阻负载上获得的电流为995 kA,上升时间（10%～90%）为120.8 ns,脉冲宽度约335.2 ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。     

脉冲功率驱动器与Z箍缩负载耦合的全电路数值模拟

为了研究电磁能量从脉冲功率驱动器到Z箍缩负载的传输与转化过程,采用电路模型描述驱动器关键部件的充放电过程,采用辐射磁流体模型描述负载的动力学过程并获取动态电感和动态电阻参数,建立了驱动器与负载耦合的全电路数值模拟程序.将该程序应用于"强光一号"装置,研究表明,模拟获得的驱动器电压波形、负载电流波形与实验结果符合较好,各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大.在典型的钨丝阵Z箍缩辐射源物理实验条件下,当初级储能电容器充电35 kV时,中储电容处的电磁功率(峰值)为0.23 TW,上升时间(10%—90%)为550 ns,形成线处的电磁功率为0.80 TW,上升时间为160 ns,水介质传输线末端的电磁功率为1.46 TW,上升时间为45 ns.负载电流为1.5 MA,产生的X射线辐射功率为0.58 TW.     

快Z箍缩物理过程的PSPICE电路模拟方法分析

简单介绍了快Z箍缩概念和物理过程,以及Z箍缩物理过程不稳定性因素和简单分析。用PSPICE电路模拟方法解薄壳模型得到了箍缩时间、等离子体壳的速度、负载上的电流、电压变化规律等Z箍缩物理量。     

Z箍缩直线变压器驱动源原型模块设计

介绍了用于Z箍缩驱动器的快脉冲直线型变压器驱动源(LTD)原型模块设计和初步实验结果。该模块采用32个子块并联,每个子块由两台100kV/100nF脉冲电容器和一只200kV多间隙气体开关串联组成。32只开关由4路高压脉冲分别触发。模块直径为2.9m,厚度约27cm。电路模拟结果表明,在±90kV充电电压下,输出电流幅值为1.0MA,电流上升时间(10%~90%)约118.6ns。初步实验结果表明,在约90mΩ近似匹配电阻负载上获得的电流为995kA,上升时间(10%~90%)为120.8ns,脉冲宽度约335.2ns。实验结果与电路模拟结果较为接近。     

快Z箍缩物理过程的PSPICE电路模拟方法分析

 简单介绍了快Z箍缩概念和物理过程，以及Z箍缩物理过程不稳定性因素和简单分析。用PSPICE电路模拟方法解薄壳模型得到了箍缩时间、等离子体壳的速度、负载上的电流、电压变化规律等Z箍缩物理量。     

托卡马克等离子体电流爬升阶段逃逸电子行为

分析了电流爬升阶段等离子体密度和电流爬升率对逃逸电子行为的影响,研究了低杂波辅助电流驱动条件下的逃逸电子辐射行为。结果发现:电流爬升阶段等离子体密度的大小严重影响了电流爬升阶段甚至电流平顶阶段逃逸电子的行为,较低的等离子体密度将会导致放电过程中比较强的逃逸电子辐射;低能逃逸电子辐射随着电流爬升率的增大而增强;低杂波辅助电流爬升可以有效地节约装置的伏秒数;降低放电过程中的环电压,可有效抑制逃逸电子的产生。     

基于等阻抗差分段法的变阻抗线电路模拟

新型Z箍缩驱动源系统采用变阻抗线结构形式的径向阻抗变换器进行能量传递和变换,为了获得最大的能量效率,需要应用电路模拟方法研究变阻抗线传递功率的特性。采用了等阻抗差分段法对变阻抗线进行了建模计算,与以往的等长度分段方法比较,在相同的分段数量下,等阻抗差分段法在阻抗变化的连续性上优于等长度分段法。给出了具有指数形式的变阻抗线的算例,分别采用两种分段法进行了计算,对计算结果的比较表明:等阻抗差分段法可以使计算更快地收敛到真实解。     

小型整体径向传输线的设计与实验

设计了一个小型整体径向传输线并对其传输特性进行了实验研究。该传输线由两块相距1 cm的铝合金平板组成,其特征阻抗采用双曲线型。1个输出端口位于传输线中央,20个输入端口均匀分布在传输线的外圆周上,最多可供20路脉冲同时注入。此传输线浸没于去离子水中,其单向传输时间为15 ns。负载由20个154 的电阻并联而成,以保证输出端的阻抗匹配。实验测得的输出电压波形与3维电磁场仿真结果非常接近。此外,还通过实验研究了不同驱动脉冲路数情况下小型整体径向传输线的输出电压,发现在驱动脉冲路数较少的情况下,输出电压的幅值几乎正比于驱动脉冲的路数。     

同轴型变阻抗线传输特性的电磁场与电路仿真比较

利用CST微波工作室软件对新一代Z箍缩驱动装置中变阻抗传输线部分进行了三维电磁场仿真,建立了同轴型指数线模型,在外导体内半径保持100 mm不变、输入端特性阻抗0.203 、输出端特性阻抗2.16 、输入角频率14106 rad/s的半正弦脉冲TEM波的情况下,发现传输过程中会产生少量非TEM模,线的尺寸变化越剧烈, 产生的非TEM模能量越多。在传输线足够长的情况下,电磁场仿真得到的电压传输效率与电路仿真结果相差不到1%,因此可以用电路仿真结果代替电磁场仿真。     

同轴型变阻抗线传输特性的电磁场与电路仿真比较

利用CST微波工作室软件对新一代Z箍缩驱动装置中变阻抗传输线部分进行了三维电磁场仿真,建立了同轴型指数线模型,在外导体内半径保持100mm不变、输入端特性阻抗0.203Ω、输出端特性阻抗2.16Ω、输入角频率14×106 rad/s的半正弦脉冲TEM波的情况下,发现传输过程中会产生少量非TEM模,线的尺寸变化越剧烈,产生的非TEM模能量越多。在传输线足够长的情况下,电磁场仿真得到的电压传输效率与电路仿真结果相差不到1%,因此可以用电路仿真结果代替电磁场仿真。     

快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展

 实现惯性约束聚变（ICF）和高产额(high yield,HY)要求脉冲驱动电流峰值达到约60 MA，采用类似SATURN和Z装置等传统的技术途径进一步提高驱动电流，从装置造价、结构复杂性和运行可靠性等方面看都具有相当大的难度，因此，需要发展新的短脉冲大电流驱动源技术，解决快Z箍缩技术发展的瓶颈。概述了国际上快Z箍缩驱动源技术的研究现状和趋势，介绍了有代表性的ICF/HY等离子体辐射源（plasma radiation source 简称PRS）或威胁级大型X射线模拟源初步概念设计、拟采用的技术途径，如俄罗斯大电流所（HCEI）基于FLTD（fast linear transformer driver）技术的直接驱动源、美国基于FLTD的新SATURN驱动源和基于FMG（fast Marx generator）技术的快Z箍缩驱动源，提出了快Z箍缩直接驱动源需要发展的关键技术。     

基于等阻抗差分段法的变阻抗线电路模拟

新型Z箍缩驱动源系统采用变阻抗线结构形式的径向阻抗变换器进行能量传递和变换,为了获得最大的能量效率,需要应用电路模拟方法研究变阻抗线传递功率的特性。采用了等阻抗差分段法对变阻抗线进行了建模计算,与以往的等长度分段方法比较,在相同的分段数量下,等阻抗差分段法在阻抗变化的连续性上优于等长度分段法。给出了具有指数形式的变阻抗线的算例,分别采用两种分段法进行了计算,对计算结果的比较表明:等阻抗差分段法可以使计算更快地收敛到真实解。