The Atlas power-flow system-a status report

Atlas is a high-energy, pulsed-power facility under development to study materials properties and hydrodynamics under extreme conditions. Atlas will implode heavy liner loads (m ~ 45 gm) with a peak current of 27-32 MA delivered in 4 μs, and it is energized by 96, 240-kV Marx generators storing a total of 23 MJ. The power-flow system transports current from the Marx generators to the load. It includes a load protection switch to protect the load in case of a prefire; 24 oil-insulated, vertically oriented, radially converging, triplate transmission lines; a transition region that couples the transmission lines to the power-flow channel; and a radially converging, dielectric-insulated, horizontal and conical, power-flow channel. Proposed experiments, the design of the power-flow system, test results, and status are presented     

全固态Marx脉冲调制器设计

固态Marx脉冲调制器是基于IGBT固态器件根据Marx发生器的原理设计的脉冲调制器, 即阵列堆叠的多个单元模块把并联充电的电容串联起来向负载放电. 固态Marx脉冲调制器的设计摒弃了传统高压脉冲调制器中的脉冲变压器、脉冲形成线和重氢闸流管, 基于IGBT固态器件的模块化设计和冗余设计, 提高运行可靠性和效率, 降低建造成本和系统体积. 介绍固态Marx脉冲调制器的设计和关键技术的解决方法, 并给出仿真结果.     

感应电压叠加器中水介质开关脉冲自击穿特性

 设计了应用于感应电压叠加器中的水介质主开关与峰化开关,主开关的电极结构为“平板 环型”,峰化开关的电极结构为“环型”。研究了开关在300 ns脉冲电压下的自击穿特性,给出了不同工作电压下开关的间隙距离。实验结果表明,主开关与峰化开关的结构合理、击穿特性稳定、相互配合良好,峰化开关可以有效地峰化主脉冲,降低预脉冲的幅值。主开关的实验结果同时验证了Martin经验公式的适用性。     

模块化低阻抗紧凑型Marx发生器

设计的10级低阻抗紧凑型Marx发生器整体体积约0.12 m3,输出功率为30 GW,脉宽200 ns。该发生器采用正负充电,触发开关为三电极场畸变开关,其余开关采用过压自击穿开关;经优化设计,自击穿开关高33 mm、电感13.1 nH,触发开关高42 mm、电感15.2 nH。电容正负电极片与开关电极采用挤压连接,电极片间绝缘材料为聚丙烯薄膜,薄膜共100层,总厚度2 mm,耐受电压大于100 kV;Maxwell模拟表明:此种连接方式可将每个电极连接片电感降低到4.16 nH。Pspice电路模拟和实验均表明:电容器充电100 kV条件下,12 负载上可获得电压高于600 kV、峰值电流大于50 kA的输出。     

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。     

大电流两电极气体开关研究

 由于引燃管难以满足现在能源系统对放电开关承受大电流的要求,因此研制了大电荷转移量两电极气体开关。这种新型气体开关电极间距可调,无触发极,采用同轴结构,并将主电极置于金属腔体内,减少了放电对绝缘支撑的污染。主电极为铜钨合金材料,设计为平顶圆柱状,以提高烧蚀均匀度和热传导效率,减少电极材料喷溅,延长其寿命。绝缘支撑采用碗状结构,提高了机械强度,增加了沿面击穿距离。该开关工作电压达25 kV,放电电流超过100 kA（脉冲宽度600 μs）,单次脉冲电荷转移量达50 C。实验结果显示该气体开关触发性能稳定,电极表面烧蚀均匀,多次大电流实验后电极表面保持完好,可应用于强激光能源系统。     

Enhancement of the radiation yield, in plasma flow switchexperiments

The Shiva Star fast capacitor bank, an inductive store, and a plasma flow switch were used to deliver multimegaampere currents with submicrosecond rise times to cylindrical foil loads. A series of numerical simulations of the plasma flow switch/imploding load system were performed with the goal of discovering a way to boost the total power radiated by the imploding plasma as it stagnates on the axis of symmetry. The changes to the experimental design that were investigated include variations of the shape of the electrodes, size and mass of the load foil, structure of the axial view vanes, shape and mass of the switching plasma, material from which the load is constructed, the degree to which the load is bowed, and the energy of the capacitor bank. Radiation yields in the range 6-9 TW are predicted for future experiments on Shiva Star     

Simulations of a Plasma Flow Switch

In a portion of the experimental program using the SHIVA Star capacitor bank at the Air Force Weapons Laboratory (AFWL), a cylindrical foil load is imploded using an inductive store and a plasma flow switch. We have performed a number of two-dimensional simulations of the switch and load using the MHD code MACH2. In addition to explaining the data from the first series of experiments, the simulations led to design modifications of the basic plasma flow switch that resulted in improved current delivery and in enhanced radiation yield. The experimental results are reported in a companion paper by Degnan et al. The key modification was closing portions of the vane structure. The switch must be sealed shut or else substantial current will flow in the diffuse gas that is ablated from the walls of the switch barrel.     

Z箍缩初级实验平台模块样机

 正在研制的Z箍缩实验装置（Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置）,由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。     

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。     

高频脉冲功率源初级单元的设计

针对半导体断路开关型、数十kHz高频脉冲功率源设计了初级单元。该单元在低频电路的基础上进行了改进和优化,放电主开关采用IGBT串并联组件,解决了同步触发问题,增加了过流保护系统,设计了高频脉冲触发器。研究发现,初级单元的放电电容放电后有残余电压存在,这会降低脉冲功率源的输出稳定性。该初级电路加强了高频率脉冲功率源的稳定性和可靠性,成功应用于数十kHz高频脉冲功率源。从波形上看,初级充电电源工作电压约为1 kV,放电电流约1.5 kA,在10 kHz条件下可以稳定工作。     

一种基于电爆炸丝断路开关的多脉冲产生技术

 介绍了一种基于电感储能和电爆炸丝断路开关的多脉冲发生器。该发生器是由作为初级能源的脉冲电容器组、储能电感和多级串联的不同长度、不同截面积的电爆炸丝断路开关组成。实验中在约10 W电阻负载上获得了2个大于250 kV和3个大于200 kV的脉冲输出。脉冲数由串联丝阵级数决定,脉冲幅度和脉冲间隔可通过爆炸丝参数、电容器充电电压调节。     

电爆炸箔断路开关的理论和实验研究

 采用金属箔电爆炸过程的二维数值计算模型，对含电爆炸金属箔断路开关的电感储能脉冲功率调节系统进行了数值计算。以此为基础，研制出了一种低电感型的电爆炸箔断路开关，并以4μF/75kV脉冲电容器组作为初级能源，13Ω电阻作为负载进行实验研究。研究结果表明：在负载上可获得约250kV，脉宽大于400ns的脉冲电压。     

100 kV重频气体开关初步研究及应用

为了减小脉冲功率源装置的体积, 对三电极气体开关和两电极气体开关的结构进行了小型化设计。采用电磁场仿真软件对局部结构进行优化, 对初步设计的触发开关和自击穿开关在不同SF6气压（0～0.2 MPa）、不同开关间隙条件下的击穿电压及触发工作电压等进行了实验研究。结果表明:设计的触发开关和自击穿开关在0～0.2 MPa气压范围内, 自击穿电压随气压具有很好的线性关系; 自击穿开关间隙为8 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现自击穿电压90～125 kV可调; 触发开关主间隙为7 mm, 改变气压（0.1～0.2 MPa）可实现触发工作电压40～95 kV 可调; 初步估算, 触发开关和自击穿开关的工作电感均约20 nH。利用重频脉冲电源, 测试了开关的重频工作能力, 在工作电压80 kV、导通电流约20 kA的条件下, 重复工作频率在20 Hz以上。此外, 利用研制的开关构建了八级紧凑型Marx发生器, 实现了5和10 Hz重频多脉冲输出。     

同轴-三平板型水介质脉冲输出开关实验研究

 设计了用于脉冲功率装置的4 MV水介质同轴 三平板型输出开关。该脉冲功率装置将由24路相同的独立模块组成，每路模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发气体开关、脉冲形成线、水介质脉冲输出开关、脉冲传输线等组成。水介质脉冲输出开关是同轴 三平板结构水介质多通道自击穿开关，由输入输出电极、预脉冲屏蔽板和连接部件组成。进行了有预脉冲屏蔽板结构和无预脉冲屏蔽板结构的自击穿水开关实验研究。有预脉冲屏蔽板结构开关的输入、输出电极都是半球电极，直径分别是8 cm和5 cm；无预脉冲屏蔽板结构开关为针 板结构，输入电极为平板电极，输出电极为直径3 cm的电极棒。Marx发生器充电70 kV，开关的击穿电压为3 MV，放电电流为450 kA。在3 MV等级的击穿电压下，有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动约6 ns，没有预脉冲屏蔽板结构开关的抖动减小至3 ns。     

A long conduction time compact torus plasma opening switch

Experiments to form and accelerate compact toroid (CT) plasmas have been performed on the 0.4-MJ Shiva Star fast capacitor bank at Phillips Laboratory. Theoretical investigations of employing a CT as a very fast opening switch are reported. A particular axisymmetric, geometrically complex switch design is studied with the help of 2-1/2-dimensional magnetohydrodynamic computer simulations. This design, called a magnetically-confined-plasma opening switch (McPOS), accumulates magnetic energy in an inductive store. Because of its intrinsic stability, the switch can conduct current for ten or more microseconds and can open in less than 100 ns-substantially less than the risetime of the capacitively produced electric current. A long conduction time compact torus plasma opening switch     

MHz重复频率脉冲功率技术

采用串联单传输线、并联Blumlein脉冲形成线和高重复频率固体开关等技术路线开展了MHz重复频率脉冲功率技术研究。利用串联单传输线获得了幅度约200 kV,时间间隔约500 ns的双脉冲。利用并联使用的Blumlein系统和特殊设计的汇流/隔离网络获得了幅度约275 kV,时间间隔约500 ns的三脉冲。利用并联MOSFET和感应叠加原理研制了6 kV/2.5 MHz固体调制器。结果表明:3种方式均可以猝发MHz的方式输出高品质的高压脉冲串,可根据实际的需求选择合适技术路线。     

纳秒脉冲电压下气体开关的击穿特性

 采用快速Marx发生器产生ns量级的高电压脉冲,分别开展了不同脉冲电压值下气体开关自击穿实验,获得了气体开关在不同气压下的击穿电压和击穿延迟时间以及抖动。详细介绍了纳秒脉冲电压作用下,气体火花开关击穿电压和击穿延迟时间随工作气压变化的特点,指出了气体开关在不同场合应用时的要求。     

“闪光二号”5 T脉冲强磁场装置

为了满足闪光二号加速器材料热力学效应研究的新需求,设计了一套电容器储能型脉冲强磁场装置。装置主要由储能电容器、半导体放电开关、磁场线圈及高压恒流充电源组成。磁场线圈中心处最大磁感应强度可达5 T,并且可以通过调整磁场线圈与二极管的相对位置实现磁透镜比的调节。通过理论计算和数值模拟相结合的方法对脉冲强磁场的关键参数进行了分析,然后进行了脉冲强磁场的工程设计,最后使用该强磁场装置进行了实验研究。强磁场实验中,当储能电容器充电21 kV时,在磁场线圈中心处获得了5.3 T脉冲强磁场。     

聚龙一号电磁脉冲形成与传输过程的全电路模拟北大核心CSCD

为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律,优化调节其运行状态,获得满足负载设计需求的电流波形,建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟,能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下,模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大的过程,驱动器充压65kV时,大约1MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下,模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程,模拟的O121发实验负载区电流上升时间（0～100％）为450FIS、峰值约6MA。