15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线鞘层电子流分析

基于建立的15 MA Z箍缩装置等效电路模型,获得了外层磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line,MITL)鞘层电子流分布规律:从时间上看,鞘层电子流幅值先减小、后增大,波形呈“马鞍”型;从空间上看,鞘层电子流沿着功率流方向逐渐减小.分析了MITL参数,包括恒阻抗段真空阻抗、恒间隙段间距,以及柱孔盘旋面位置半径对MITL末端鞘层电子流的影响.计算结果显示:MITL末端鞘层电子流受MITL末端阻抗和柱孔盘旋面位置半径的影响较大.当15 MA装置四层MITL并联真空阻抗从0.42Ω增大到0.84Ω时,在负载聚爆前5 ns时刻,MITL末端鞘层电子流从184.7 kA降低至106.9 kA,负载峰值电流减小约0.5 MA.     

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.     

脉冲功率传输线传输效率的分析与计算

 基于脉冲功率系统磁绝缘传输线的时域仿真结果,分析了磁绝缘建立过程中不同阶段电极间的电子产生的能量损失特性;提出了造成能量损失的因素,包括损失的电子和磁绝缘的电子;给出了影响能量损失大小的因素,包括传输线的线长、半径比和加载脉冲的最大电压、电压的时间变化率等。通过分析不同脉冲功率波形作用下各传输阶段能量损失的起因、大小和影响因素,提出了依据极间的电子分布状态划分传输阶段,及对传输线的总效率分阶段计算的传输效率模型,给出了基于已知的传输效率数值模拟结果对不同阶段的损耗估算并最终估算传输效率的方法。     

超高速激光纹影技术测量脉冲功率驱动的磁重联现象

用超高速激光纹影技术测量了Z箍缩等离子体磁重联现象。实验采用超高速光电分幅相机,配合激光纹影技术,测量了XP-1装置上两根金属丝产生的等离子体分布,论证了超高速激光纹影技术研究Z箍缩磁重联现象的可行性。双钨丝实验结果表明,电流加载约10ns后金属丝已有明显膨胀,线性拟合得到平均膨胀速度约8km/s,金属丝内外两侧出现了规则的极有可能是垂直磁场的电热不稳定性扰动,并沿角向高度关联。铝丝负载的实验结果表明,早期的不稳定性波长为0.4mm,电流峰值之后金属丝初始位置仍有大量等离子体,后期的不稳定性波长约1.5mm。这些现象揭示了不稳定性发展的一个主要特征:短波模式受抑制,长波模式将占主导。     

超高速激光纹影技术测量脉冲功率驱动的磁重联现象

用超高速激光纹影技术测量了Z箍缩等离子体磁重联现象。实验采用超高速光电分幅相机,配合激光纹影技术,测量了XP-1装置上两根金属丝产生的等离子体分布,论证了超高速激光纹影技术研究Z箍缩磁重联现象的可行性。双钨丝实验结果表明,电流加载约10 ns后金属丝已有明显膨胀,线性拟合得到平均膨胀速度约8 km/s,金属丝内外两侧出现了规则的极有可能是垂直磁场的电热不稳定性扰动,并沿角向高度关联。铝丝负载的实验结果表明,早期的不稳定性波长为0.4 mm,电流峰值之后金属丝初始位置仍有大量等离子体,后期的不稳定性波长约1.5 mm。这些现象揭示了不稳定性发展的一个主要特征：短波模式受抑制,长波模式将占主导。     

单路脉冲功率真空装置的三维数值模拟研究

研究了单路脉冲功率真空装置中脉冲功率的馈入、汇聚及传输, 在CHIPIC平台上, 采用多台计算机进行分进程并行计算的方法, 突破了单台计算机的内存及运行速度限制, 对单路脉冲功率的馈入、汇聚及传输装置进行建模, 并设置相应的参数, 从而对该大尺度装置进行了整体模拟. 模拟得到的该器件各个部分的阴阳极间电压、阴阳极电流等一些重要的物理参数. 模拟结果表明: 该单路真空脉冲功率器件整体都可以保持磁绝缘状态, 并达到了很好的功率汇聚的作用. 该工作验证了真空状态下脉冲功率产生及传输器件的可行性, 为进一步的实验研究提供了有力保证. 关键词： 单路脉冲功率真空装置 并行计算 数值模拟 磁绝缘     

"聚龙一号"4层绝缘堆和真空区电路模拟方法

建立了"聚龙一号"驱动器4层绝缘堆和真空区电路模型。在4层绝缘堆入口处,采用预测-校正的计算方法处理4层绝缘堆的输入电流分配问题,避免了复杂的二维电路模拟,既保证了精度,又大大提高了计算效率。将此新模型加入FCM-PTS程序中,与零维负载内爆动力学程序耦合,得到了各层外磁绝缘传输线的电流波形模拟结果,并改善了负载电流峰值的模拟结果与实验结果的一致性。     

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     

真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

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。     

应用于脉冲功率系统的高储能密度电容器

介绍了现有技术条件下脉冲电容器的各种性能参数及其测试方法,包括储能密度、寿命、保压性能、绝缘电阻等;同时介绍了元件的主要分析测试手段,如大电测试、保压测试等,并研究了后处理工艺、介质系统优化和绝缘系统优化对电容器性能的影响。在此基础上,面向不同应用条件如大电流放电、长寿命、真空环境等,对高储能密度脉冲电容器进行研究,并给出相应的性能参数、限制条件和发展前景。研究结果表明:50 kV/20 F的电容器,可实现120 kA/80 s的大电流输出,并通过-50~60 ℃的高低温考核;基于绝缘系统优化的浸渍型脉冲电容器,充放电寿命为干式结构的2~3倍,储能密度为2.0 kJ/L时,寿命大于1 000次,储能密度为1.3 kJ/L时,寿命大于10 000次;1.4 kJ/L高储能密度电容器,可以工作在气压小于10-3 Pa的真空条件下,输出电流达100 kA。     

应用于脉冲功率系统的高储能密度电容器

介绍了现有技术条件下脉冲电容器的各种性能参数及其测试方法,包括储能密度、寿命、保压性能、绝缘电阻等;同时介绍了元件的主要分析测试手段,如大电测试、保压测试等,并研究了后处理工艺、介质系统优化和绝缘系统优化对电容器性能的影响。在此基础上,面向不同应用条件如大电流放电、长寿命、真空环境等,对高储能密度脉冲电容器进行研究,并给出相应的性能参数、限制条件和发展前景。研究结果表明：50 kV/20 F的电容器,可实现120 kA/80 s的大电流输出,并通过-50~60 ℃的高低温考核;基于绝缘系统优化的浸渍型脉冲电容器,充放电寿命为干式结构的2~3倍,储能密度为2.0 kJ/L时,寿命大于1 000次,储能密度为1.3 kJ/L时,寿命大于10 000次;1.4 kJ/L高储能密度电容器,可以工作在气压小于10-3 Pa的真空条件下,输出电流达100 kA。     

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。     

基于SOS的脉冲功率源技术新进展

研制了基于SOS的胡杨200和胡杨700脉冲功率源。给出了胡杨200和胡杨700的电路原理、组成结构和实验波形。介绍了在SOS脉冲功率源上开展的高重复频率强流电子束产生、长寿命阴极实验、绝缘介质的高重复频率击穿实验和低引导磁场无箔二极管等实验研究进展。经测试,胡杨200在2 kHz重复频率、负载阻抗200 Ω下,输出电压200 kV,脉冲宽度约35 ns,平均输出功率大于10 kW;在300 Hz条件下可连续运行。胡杨700同样为全固态脉冲功率源,其设计指标:输出电压700 kV,电流5 kA,脉冲宽度约40 ns;经初步调试在150 Ω电阻负载上单脉冲输出指标达到660 kV,4.4 kA,脉宽约70 ns。     

一种高功率微波源真空保持研究

针对一种陶瓷真空界面、天鹅绒阴极和不锈钢外壳的无氧铜压封高功率微波管,利用真空设计软件VacTran建立了系统抽气模型,模拟了真空室主要材料放气率和抽气曲线;通过吸气剂简单吸气模型,对保真空过程中吸气剂的吸气行为进行了模拟。实验对比了高功率微波管真空室在常温和烘烤状态下抽真空至10-4 Pa量级所需的时间。在真空度满足要求后,采用非蒸散型吸气剂（NEG）作为吸气泵进行保真空实验,静态下保真空超过30 d后,真空度仍维持在210-4 Pa。在此基础上,对保真空状态下的高功率微波管进行加速寿命实验：温度为80 ℃,累计时间超过140 h,真空度仍好于110-2 Pa,据此估计高功率微波管在常温下保持真空度高于110-2 Pa的时间超过1年。     

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。     

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0 F/40 nH/100 kV的电容器和100 kV/200 kA气体开关,提出了电流20 MA、前沿300 ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线, Marx为18级串联。分析了关键单元（电容器和气体开关）的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10 ns增加到60 ns时,负载电流前沿从平均282 ns增加到287 ns,峰值从21.0 MA降低到19.8 MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2 等阻抗传输线,负载电流最大。     

紧凑型爆炸脉冲电源

采用等效电路模型程序——BCYSSYS对系统参数进行优化,设计了04型爆磁压缩发生器及用04型发生器驱动的紧凑型爆炸脉冲电源。紧凑型爆炸脉冲电源长度小于1.2 m,直径0.4 m,质量约100 kg。实验结果表明:04型爆磁压缩发生器能够在3μH电感负载上获得脉宽约10μs、峰值为100 kA的脉冲大电流输出;当负载电阻为8.7Ω时,输出电功率大于20 GW。典型实验结果与采用BCYSSYS程序得到的计算结果吻合较好,验证了BCYSSYS程序用于爆炸脉冲电源理论设计的可行性。     

紧凑型爆炸脉冲电源

采用等效电路模型程序——BCYSSYS对系统参数进行优化,设计了04型爆磁压缩发生器及用04型发生器驱动的紧凑型爆炸脉冲电源。紧凑型爆炸脉冲电源长度小于1.2 m,直径0.4 m,质量约100 kg。实验结果表明：04型爆磁压缩发生器能够在3 μH电感负载上获得脉宽约10 μs、峰值为100 kA的脉冲大电流输出;当负载电阻为8.7 Ω时,输出电功率大于20 GW。典型实验结果与采用BCYSSYS程序得到的计算结果吻合较好,验证了BCYSSYS程序用于爆炸脉冲电源理论设计的可行性。