大型脉冲功率系统真空功率传输问题

脉冲功率科学与技术广泛应用于X射线闪光照相、惯性约束聚变(ICF) 和高能量密度物理等研究领域,其基本特征是将能量在时间和空间上进行压缩来获得极高的功率密度,进而获得高温、高压、强辐射和高能量密度的极端条件。大型脉冲功率装置是获得高功率脉冲的载体,真空功率传输系统是此类装置的重要组成部分,是将储能系统的能量传递给负载的关键,也是决定大型脉冲功率系统技术可行性的重要方面。分析了大型脉冲功率系统真空功率传输的物理基础,综述了相关物理问题的国内外研究状况,结合Z箍缩聚变驱动器特定的需求,具体分析了技术现状与目标的差距,最后针对后续研究提出了建议和看法。     

爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配调制电路

通过对以电容器替代爆磁压缩发生器的系统等效电路进行理论分析,对影响这种调制电路性能的关键问题及其解决方法进行了讨论。根据理论分析结果对调制电路进行了设计。在初步实验中,当用于去除电爆炸丝上附加电压的撬断开关保持断开时,变压器原边电流切断不彻底,电容负载上充电电压峰值为-264 kV;保持其他电路参数不变,而使撬断开关在电爆炸断路开关断开过程中闭合时,变压器原边电流切断彻底,在相同负载上充电电压峰值为-374 kV。实验结果验证了理论分析结果,并证明了采用这种调制电路能够实现爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配。     

爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配调制电路

通过对以电容器替代爆磁压缩发生器的系统等效电路进行理论分析,对影响这种调制电路性能的关键问题及其解决方法进行了讨论。根据理论分析结果对调制电路进行了设计。在初步实验中,当用于去除电爆炸丝上附加电压的撬断开关保持断开时,变压器原边电流切断不彻底,电容负载上充电电压峰值为-264 kV;保持其他电路参数不变,而使撬断开关在电爆炸断路开关断开过程中闭合时,变压器原边电流切断彻底,在相同负载上充电电压峰值为-374 kV。实验结果验证了理论分析结果,并证明了采用这种调制电路能够实现爆磁压缩发生器与高阻抗负载匹配。     

Z箍缩内爆产生的电磁脉冲辐射

讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆,部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明,电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA,10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验,根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW,能量约为0.5 J,能量转换效率约为10^-7;峰值频率位于20–70 MHz,具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW,能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下,电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方,随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式,本文的研究结论表明,在更高的驱动电流下,电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径,势必会对诊断设备造成严重影响;此外,这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值. 关键词： Z箍缩 内爆 电磁脉冲     

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%。     

中国脉冲功率科技进展简述

从脉冲功率科学技术的基本内涵出发,回顾我国脉冲功率发展历史,按照高功率脉冲加速器建设历程,我国脉冲功率技术发展史可大致分成三个阶段：自主创业、加速成长到创新超越;尝试以国际视野介绍我国在闪光照相、Z箍缩、高功率微波、电磁发射和工业应用等方面的发展成就;简要阐述脉冲功率技术未来发展趋势,建议大力发展先进辐射源技术,关注爆磁压缩技术,加强HPM、抗核加固和电磁发射等各类负载技术攻关,加大协同创新和应用推广。     

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%。     

紧凑小型脉冲功率源ARC-01/02及其应用

脉冲功率技术的重要发展方向是高功率密度、紧凑小型化和高稳定可靠。液体介质由于具有绝缘强度高、易流动、快恢复、散热性好等方面的特点,广泛应用于脉冲形成线型紧凑小型脉冲功率源的电容储能器件作为储能介质。主要围绕紧凑小型脉冲功率源ARC系列的技术难题,开展了关键技术、系统研发及其工程应用等方面的工作。首先,提出了基于液体介质和慢波结构的形成线,采用场均匀和绝缘配合技术,研制出紧凑小型脉冲功率源ARC-01和ARC-02,输出功率1～2 GW、脉冲宽度5～30 ns、重复频率1～100 Hz,紧凑化水平较国际先进同类装置最多提高了2倍。之后,以凑小型脉冲功率源为核心搭建液体介质击穿测试平台,针对变压器油、蓖麻油、甘油、碳酸丙烯酯等常见液体介质,开展了微秒脉冲击穿特性研究,采用统计分析方法建立了数据库,以“小成本”换取“高可靠性”;并采用超高速光学诊断方法,将击穿瞬间流注、冲击波、亚微观断裂面产生、传播、截止过程与张力理论结合,建立了液体介质击穿物理模型。最后,成功将紧凑小型脉冲功率源应用于驱动宽带/窄带微波产生、碳纤维阴极稳定性及寿命测试。     

高电压脉冲功率调节系统的数值模拟

介绍高电压脉冲功率调节系统（储能电感／断路开关）的模拟计算方法．根据使用的初始能源种类不同，分别对电容器模型和简单的爆炸应压缩发生器（ＭＦＣＧ）模型作了初步计算．对于后者，分别考虑不带断路开关和带断路开关负载两种情况，从结果比较可知电流将变化２０％—３１％．在电容器模型中，分别考虑了负载、初始充电电压、储能电感等因素的影响．通过计算表明，要得到理想的输出结果，必须对系统运行参数进行优化．     

1.2 MV重复频率脉冲电源的测试诊断系统

为了更好分析系统的放电特性和工作状态,优化脉冲功率源系统的设计,研制了一套1.2 MV重复频率高功率微波驱动电源测试诊断系统。通过研究高电压、大电流测试技术和数据采集、信号处理、故障诊断技术,同时运用虚拟仪器和电磁兼容等技术,探索开发了一套重复频率脉冲电压电流测试诊断系统。结合系统的研制需求,通过分析各种数据采集设备的优缺点,硬件选用了凌华公司的PXI数据采集系统,软件采用LabVIEW,设计开发了重复频率快信号的采集诊断程序,研制出实时诊断系统,并在1.2 MV重复频率脉冲电源系统中应用,实现了对重复频率电源关键点电压电流的测试以及数据的诊断、处理和远程在线监测,出现故障时报警、存储数据并自动断电等功能。     

Generation of 1.5-kW, 1-THz coherent radiation from a gyrotron with a pulsed magnetic field

To cover a so-called terahertz gap in available sources of coherent electromagnetic radiation, the gyrotron with a pulsed solenoid producing up to a 40 T magnetic field has been designed, manufactured, and tested. At a 38.5 T magnetic field, the gyrotron generated coherent radiation at 1.022 THz frequency in 50 musec pulses. The microwave power and energy per pulse were about 1.5 kW and 75 mJ, respectively. Details of the gyrotron design, manufacturing, operation and measurements of output radiation are given.     

1.2MV重复频率脉冲电源的测试诊断系统

为了更好分析系统的放电特性和工作状态,优化脉冲功率源系统的设计,研制了一套1.2MV重复频率高功率微波驱动电源测试诊断系统。通过研究高电压、大电流测试技术和数据采集、信号处理、故障诊断技术,同时运用虚拟仪器和电磁兼容等技术,探索开发了一套重复频率脉冲电压电流测试诊断系统。结合系统的研制需求,通过分析各种数据采集设备的优缺点,硬件选用了凌华公司的PXI数据采集系统,软件采用LabVIEW,设计开发了重复频率快信号的采集诊断程序,研制出实时诊断系统,并在1.2MV重复频率脉冲电源系统中应用,实现了对重复频率电源关键点电压电流的测试以及数据的诊断、处理和远程在线监测,出现故障时报警、存储数据并自动断电等功能。     

The X-1 Z-pinch driver

X-1 is a program initiative to develop the next-generation laboratory X-ray source using fast Z-pinch drivers. X-1 will provide unique applications utility to high-energy density physics, inertial confinement fusion, and radiation effects simulation research. The advent in the 1980's of pulsed power accelerators capable of delivering tens of terawatts to imploding plasma loads led to a quantum improvement in Z-pinch performance by reducing the implosion time to less than 100 ns. Further progress in Z-pinch performance capabilities was achieved in 1996, using a cylindrical wire-array load, and led to the production of 85 TW, 350-500 kJ of X-rays using the Saturn accelerator at Sandia. The PBFA-II accelerator has been converted to drive Z-pinch loads (PBFA-Z), and will provide a factor of 2 increase in current, and 4 in energy, over that provided by Saturn. X-1 is the next step beyond PBFA-Z and, as presently envisioned, represents a factor of 8 increase in energy. It will require a ~360 TW, ~100 ns pulsed power generator to impart ~16 MJ kinetic energy to the reference imploding plasma load. A baseline concept for X-1 has been developed. It utilizes a highly modular, robust architecture with demonstrated performance reliability     

Development of affordable technologies for large X-ray simulators

Nuclear weapons effects simulators are large pulsed power installations for generating intense X-ray fluxes, which are used in testing the susceptibility and hardening of military systems in the radiation environment. These simulators are expensive because of the requirement for very high power pulsed output to drive radiation loads that can provide the necessary spectral and temporal characteristics of the X-radiation suitable for testing. During the past 40 years, the Defense Threat Reduction Agency, as well as the Sandia National Laboratory, have developed pulsed power components and systems and improvements in load designs that are lowering the cost of X-ray simulators. The progress in pulsed power development encompasses elements from energy-storing capacitor banks to radiation loads and has led to the formulation of concept studies for future simulators with fewer components and with radiation loads as an integral part of the system     

Z箍缩和闪光照相用快脉冲功率源技术的发展

 Z箍缩和闪光照相在惯性约束聚变（ICF）、核辐射效应和高性能爆轰流体动力学等研究中具有重要应用,Z箍缩ICF和多脉冲多角度高能脉冲X射线闪光照相对脉冲功率源提出了巨大挑战,国际上正在积极发展和探索可实现直接驱动Z箍缩和闪光照相二极管的快脉冲功率源新技术。综述了国际上近年来快Marx发生器（FMG）和快直线型变压器（FLTD）等脉冲功率源方面的发展动态,初步分析了两种技术途径的优缺点和制约性因素,以及需要开展的关键技术,介绍了西北核技术研究所的相关研究进展,最后提出了几点看法和建议。     

基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场;研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性;利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究;磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力;采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量（率）的X射线和γ射线;利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外,还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。     

Electricity,Heat, and Gas Load Forecasting Based on Deep Multitask Learning in Industrial-Park Integrated Energy System

Different energy systems are closely connected with each other in industrial-park integrated energy system (IES). The energy demand forecasting has important impact on IES dispatching and planning. This paper proposes an approach of short-term energy forecasting for electricity, heat, and gas by employing deep multitask learning whose structure is constructed by deep belief network (DBN) and multitask regression layer. The DBN can extract abstract and effective characteristics in an unsupervised fashion, and the multitask regression layer above the DBN is used for supervised prediction. Then, subject to condition of practical demand and model integrity, the whole energy forecasting model is introduced, including preprocessing, normalization, input properties, training stage, and evaluating indicator. Finally, the validity of the algorithm and the accuracy of the energy forecasts for an industrial-park IES system are verified through the simulations using actual operating data from load system. The positive results turn out that the deep multitask learning has great prospects for load forecast.     

Physical source realization of complex source pulsed beams

Complex source pulsed beams (CSPB) are exact wave-packet solutions of the time-dependent wave equation that are modeled mathematically in terms of radiation from a pulsed point source located at a complex space-time coordinate. In the present paper, the physical source realization of the CSPB is explored. This is done in the framework of the acoustic field, as a concrete physical example, but a similar analysis can be applied for electromagnetic CSPB. The physical realization of the CSPB is addressed by deriving exact expressions for the acoustic source distribution in the real coordinate space that generates the CSPB, and by exploring the power and energy flux near these sources. The exact source distribution is of finite support. Special emphasis is placed on deriving simplified source functions and parametrization for the special case where the CSPB are well collimated.     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15 kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100 kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明：占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500 ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200 kHz和100 kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500 kHz和25 kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。     

脉冲激光控制高超声速进气道来流捕获

针对高超声速进气道在非设计工况下来流捕获量减少的问题,进行了激光能量沉积控制来流捕获的物理建模和数值模拟,在连续激光能量沉积和脉冲激光能量沉积两种方式下获得了进气道的性能参数。激光功率为15kW时,脉冲重复频率越高,与连续能量注入情况下的进气道性能越接近。脉冲重复频率为100kHz时,计算了脉冲方波占空比为0.1,0.2,0.3和0.4时的进气道流场,结果表明:占空比对进气道性能的影响不大;激光脉宽为500ns时,保持激光平均功率不变,当频率为200kHz和100kHz时,流场结构与连续能量注入时类似,而当频率为500kHz和25kHz时的进气捕获量都有所降低,因此,提高激光脉冲重复频率的同时,降低平均功率,不仅可以有效增大来流捕获,还可降低能耗。