磁绝缘传输线电路模拟与分析

结合磁绝缘传输线运行特征,阐述了磁绝缘传输线的电路模拟方法,开发了基于波过程的磁绝缘传输线电路模拟程序。探讨了磁绝缘传输线运行状态判断、运行阻抗、电子流损失等的物理描述,分析了不同物理模型对电路模拟结果的影响。结果表明：因阻抗过匹配所致电子流损失是Z箍缩装置磁绝缘传输线电路模拟中需重点关注的问题。建立在现有物理模型基础上的电路模拟是后验的,可为丝阵负载结构优化设计、负载电流和内爆特性评估提供参考,可满足磁绝缘传输线一级近似设计要求。但对未来更高电流参数下磁绝缘传输线的设计还需从试验和理论上深入理解磁绝缘现象和运行过程。     

初级试验平台磁绝缘传输线的电路模拟

 初级试验平台磁绝缘传输线的电路模拟描述了电压脉冲从水传输线、绝缘堆、内外磁绝缘传输线到丝阵负载的传播及作用过程。在模拟中将脉冲传输经过的所有电路结构,等效成具有不同电长度及阻抗的273个传输线单元,其中包括195个磁绝缘传输线单元;通过计算得到了各个传输线单元的传导电流、界面电压,磁绝缘传输线单元的损失电流、流动阻抗、接地电阻,以及丝阵负载内爆过程中的半径变化、电流及电压等,并对主要计算结果进行了分析比较。模拟结果的可靠性及精度有待于相关实验结果的检验。     

真空磁绝缘传输线损失电子模拟

真空磁绝缘传输线建立磁绝缘状态的初始阶段,损失电子轰击阳极,发生轫致辐射。针对自限制流同轴圆筒模型,通过粒子模拟获得了损失前沿在能量传输方向的推进速度、电子到达阳极时的能谱和角分布情况,在此基础上采用蒙特卡罗方法模拟得到了轫致辐射所产生的X射线能谱。数值计算结果表明:电磁波损失前沿在能量传输方向的推进速度小于光速;损失前沿电子密度稳定。在自限制流磁绝缘传输线中,损失电子处在较宽的能量范围内,其电子偏移角度较小。建立了对应于同轴圆筒真空磁绝缘传输线的电子/光子输运模型,获得了损失电子轰击阳极产生的X射线能谱。     

真空磁绝缘传输线损失电子模拟

 真空磁绝缘传输线建立磁绝缘状态的初始阶段,损失电子轰击阳极,发生轫致辐射。针对自限制流同轴圆筒模型,通过粒子模拟获得了损失前沿在能量传输方向的推进速度、电子到达阳极时的能谱和角分布情况,在此基础上采用蒙特卡罗方法模拟得到了轫致辐射所产生的X射线能谱。数值计算结果表明:电磁波损失前沿在能量传输方向的推进速度小于光速;损失前沿电子密度稳定。在自限制流磁绝缘传输线中,损失电子处在较宽的能量范围内,其电子偏移角度较小。建立了对应于同轴圆筒真空磁绝缘传输线的电子/光子输运模型,获得了损失电子轰击阳极产生的X射线能谱。     

同轴圆柱形磁绝缘传输线前沿损失与工作电压关系

在磁绝缘传输线层流模型基础上,基于极限电流近似,推导获得了同轴圆柱形磁绝缘传输线在自磁限制绝缘时,前沿损失电子电流、功率的解析解．通过粒子模拟,获得了磁绝缘传输线在源阻抗不变的条件下,不同电压条件下的损失电子电流、损失功率．对比分析了模拟结果与极限电流近似下和最小电流近似下的理论结果．结果表明：损失电子电流与损失功率比例随电压增大而减小;电压高于4MV时,极限电流近似更符合模拟结果,电压大于10MV时,极限电流近似与模拟结果的相对误差从最小电流近似的50％以上减小到10％以下．对于建立磁绝缘传输线系统中,高压电脉冲从真空传输、磁绝缘传输线上传输到工作负载的全电路模拟具有一定的指导意义．     

脉冲功率传输线磁绝缘的建立与特性分析

分析了脉冲功率传输线建立磁绝缘的暂态过程,对暂态过程中传输线的击穿与磁绝缘关系、电子的分布规律及其与建立磁绝缘的关系进行了阐述。分析了磁绝缘传输线电极间的电子分布改变传输线工作阻抗值的现象,给出了传输线稳态工作阻抗的求解方法和用稳态工作阻抗计算传输线暂态工作阻抗的方法。研究了截面尺寸变化时传输线中电子的分布和电磁波传播的折反射情况。结果表明:传输线在建立磁绝缘的过程中损失电子是必然的,损失电子是建立磁绝缘的必要条件。截面半径沿轴向变化时,其工作特性与极间距的变化有关。极间距增大时,后半段的电子电流增大,使其工作阻抗增大并与前半段相等,因而在尺寸变化处不产生反射波。极间距减小时,由于后半段提前产生损失电子,因而尺寸变化处产生反射波。     

脉冲功率传输线磁绝缘的建立与特性分析

 分析了脉冲功率传输线建立磁绝缘的暂态过程,对暂态过程中传输线的击穿与磁绝缘关系、电子的分布规律及其与建立磁绝缘的关系进行了阐述。分析了磁绝缘传输线电极间的电子分布改变传输线工作阻抗值的现象,给出了传输线稳态工作阻抗的求解方法和用稳态工作阻抗计算传输线暂态工作阻抗的方法。研究了截面尺寸变化时传输线中电子的分布和电磁波传播的折反射情况。结果表明:传输线在建立磁绝缘的过程中损失电子是必然的,损失电子是建立磁绝缘的必要条件。截面半径沿轴向变化时,其工作特性与极间距的变化有关。极间距增大时,后半段的电子电流增大,使其工作阻抗增大并与前半段相等,因而在尺寸变化处不产生反射波。极间距减小时,由于后半段提前产生损失电子,因而尺寸变化处产生反射波。     

磁绝缘传输线损失电流等效电路模型

在粒子模拟的基础上,结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式,拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式,并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程,计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟,得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形,插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。     

磁绝缘传输线损失电流等效电路模型

在粒子模拟的基础上,结合经典空间电荷限制流、磁绝缘临界电流的理论公式,拟合得到磁绝缘传输线中空间电荷限制流的修正计算公式,并进一步建立磁绝缘传输线损失电流的插值计算模型。该模型不需要求解广义泊松方程,计算效率高。通过对长同轴磁绝缘传输线的等效电路模拟,得到了与全尺寸粒子模拟结果基本一致的负载电压波形,插值计算模型不仅正确地反映了磁绝缘传输线中的电流损失过程,而且其等效电路模拟计算效率比粒子模拟提高3000倍以上。     

磁绝缘传输线的有损线模型

开发了一种磁绝缘传输线(MITL)的电路模拟方法。以传输线模拟方法TLCOD为基础,将MITL分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成。根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况并计算相关参量,推导丝阵负载条件下MITL末端界面电压的表达式,阐述模型的求解方法及步骤;用有损线模型计算阳加速器MITL得到的结果与实验结果基本吻合,表明模型正确有效。     

磁绝缘传输线电流损失的计算方法

磁绝缘传输线电流损失的计算方法是丝阵Z箍缩电路模拟的关键问题之一。以传输线模拟方法TLCODE为基础,将磁绝缘传输线分成若干段有损传输线单元,每个单元由一段无损传输线及一个对地损失电阻组成,根据磁绝缘准则判断单元的磁绝缘状况,磁绝缘形成之前损失电流由空间电荷限制流与传导电流的定量关系来计算,磁绝缘形成之后则根据阻抗匹配关系及流动阻抗模型来计算;同时将丝阵负载内爆动力学方程与TLCODE表达式、流动阻抗方程进行耦合,可求解磁绝缘传输线、丝阵负载在电压脉冲作用下全时空域的动态响应特性。     

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。     

一种磁绝缘传输线真空功率流的电路计算方法

介绍了基于电报方程的磁绝缘传输线真空功率流电路计算方法的基本原理,开发了相应的计算程序,对Angara-5-1装置4600发次实验进行了计算,电路模拟结果与实验结果符合较好,提供了一种新的计算磁绝缘传输线真空功率流的方法,分析了Angara-5-1装置磁绝缘传输线阻抗突变处损失电流随时间的变化规律,讨论了该方法与TLCODE和Bertha等电路模拟方法的区别,采用该电路模拟方法计算Angara-5-1等工作在超磁绝缘状态的脉冲功率装置,不仅能够保证计算精度而且提高了解的收敛性,使得对磁绝缘传输线损失电流的计算更加自洽。     

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     

长磁绝缘传输线动态特性

基于粒子模拟研究了长磁绝缘传输线的电压电流关系、自限制流状态和损失前沿传播速度的变化规律, 验证了稳态流假设下建立的不同磁绝缘传输线模型在描述长磁绝缘传输线工作状态时的精确程度。结果表明：Mendel模型在描述长磁绝缘传输线电压电流关系时较精确; Rescaled模型计算长磁绝缘传输线自限制流状态下的阳极电流较精确; 损失前沿在长磁绝缘传输线中的传播速度沿着能量传输方向是动态变化的, 其速度的大小与输入电压上升速率相关。     

长磁绝缘传输线动态特性

基于粒子模拟研究了长磁绝缘传输线的电压电流关系、自限制流状态和损失前沿传播速度的变化规律,验证了稳态流假设下建立的不同磁绝缘传输线模型在描述长磁绝缘传输线工作状态时的精确程度。结果表明:Mendel模型在描述长磁绝缘传输线电压电流关系时较精确;Rescaled模型计算长磁绝缘传输线自限制流状态下的阳极电流较精确;损失前沿在长磁绝缘传输线中的传播速度沿着能量传输方向是动态变化的,其速度的大小与输入电压上升速率相关。     

Investigation of an X-band magnetically insulated transmission line oscillator

An X-band magnetically insulated transmission line oscillator （MILO） is designed and investigated numerically and experimentally for the first time. The X-band MILO is optimized in detail with KARAT code. In simulation, the X-band MILO, driven by a 720 kV, 53 kA electron beam, comes to a nonlinear steady state in 4.0 ns. High-power microwaves （HPM） of TEM mode is generated with an average power of 4.1 GW, a frequency of 9.3 GHz, and power conversion efficiency of 10.870 in durations of 0-40 ns. The device is fabricated according to the simulation results. In experiments, when the voltage is 400 kV and the current is 50 kA, the radiated microwave power reaches about 110 MW and the dominating frequency is 9.7GHz. Because the surfaces of the cathode end and the beam dump are destroyed, the diode voltage cannot increase continuously. However, when the diode voltage is 400 kV, the average power output is obtained to be 700 MW in simulation. The impedance of the device is clearly smaller than the simulation prediction. Moreover, the duration of the microwave pulse is obviously shorter than that of the current pulse. The experimental results are greatly different from the simulation predictions. The preliminary analyses show that the generations of the anode plasma, the cathode flare and the anode flare are the essential cause for the remarkable deviation of the experimental results from the simulation predictions.