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     

15 MA Z箍缩装置真空磁绝缘传输线损失电流的电路模拟

采用TL-code电路编码方法,建立了15 MA Z箍缩装置多层圆盘锥磁绝缘传输线的全电路模型,分析了外磁绝缘传输线、汇流柱和内磁绝缘传输线三个区域电流损失特性.外磁绝缘传输线磁绝缘形成过程的空间电荷损失持续时间约30 ns,对负载电流影响小.进入磁绝缘稳态时,外磁绝缘传输线末端鞘层电子流损失约300 k A.汇流柱区域电流损失与电极等离子体运动速率密切相关,当等离子体运动速率为21 cm/μs时,负载峰值电流时刻损失电流约4 MA.内磁绝缘传输线电流损失取决于阳极离子流种类,电流损失在负载峰值电流时刻之后,损失电流约2.1 MA.当15 MA装置驱动长度2 cm、半径2 cm、质量3 mg丝阵负载时,绝缘堆峰值电流约18 MA,负载峰值电流约13.5 MA、峰值时间(0—100%)约为100 ns.     

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。     

PTS装置分层真空轴向绝缘堆设计

对PTS装置分层真空轴向绝缘堆的设计和分析方法进行了研究。利用全电路模拟方法得到了绝缘堆各层的电压波形。利用静电场数值模拟方法,对每层堆中的绝缘环、电极环、均压环、场调整环以及两端接口部分的形状都进行了设计和优化。2维和3维静电场模拟结果表明,绝缘堆的设计能够满足静电场设计要求。采用2维PIC程序初步计算了绝缘堆金属均压环真空侧电子发射对电压分配不均压度的影响,计算结果表明,真空侧的电子发射会较大地影响绝缘堆电压分配的均匀度,进而对绝缘堆的全堆闪络概率造成较大的影响。     

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。     

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．     

磁绝缘传输线阻抗变化对空间电子流的影响

介绍了磁绝缘传输线的阻抗大小、传输电压及电流大小对其产生的空间电子流大小及阴极电子鞘层厚度的影响。运用CHIPIC软件建立四层圆盘锥形磁绝缘传输线A层的近似化三维模型进行模拟,对比理论计算值与模拟值,并与相关文献的二维模拟结果进行对照,验证三维模拟的正确性。最后,模拟研究了圆盘锥形磁绝缘传输线阴阳极之间的间距变化对传输效率的影响。     

4层圆盘锥形磁绝缘传输线的电流测量

为获取PTS装置磁绝缘传输线的电流,设计、标定了微分环。探头使用镍铬合金膜屏蔽空间电子,采用在线标定。设计相应的馈入结构从负载区分别对不同层磁绝缘传输线馈入信号,在每个三平板传输线出口的板堆过渡区位置安装短路杆,能够在磁绝缘传输线上得到基本均匀的电流,实现电流探头的逐层标定。频响分析表明金属膜屏蔽效应导致探头的高频特性变差。实验表明,贴膜的探头频响上限为50.3MHz,满足被测信号的要求。实测PTS装置磁绝缘传输线电流与负载区电流的测量结果自洽,且各层电流与总电流等结果符合理论预计。     

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。     

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。     

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。     

4层圆盘锥形磁绝缘传输线的等效电路模型

 根据磁绝缘特征将PBFA Z加速器的4层圆盘锥形磁绝缘传输线结构分成几段串联的集中电感，结合磁绝缘临界电流、空间电荷限制流、Mendel磁压力平衡及丝阵内爆动力学等计算模型，并引入主要的结构参数，建立4层圆盘锥形磁绝缘传输线的等效电路模型，模型计算结果与实验结果、其它模型计算结果符合较好，模型可以用于定性或半定量设计及分析类似结构的磁绝缘传输线。     

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。     

Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计和分析方法

通过分析比较国外Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计，对轴向绝缘堆设计中的关键问题进行了归纳与总结。在总体描述绝缘堆研制方法和思路的基础上，详细论述了静电场数值模拟、电感参数计算和电路模拟、闪络概率计算、结构稳定性力学分析以及材料选择等绝缘堆研制中的几个关键问题，并对闪络概率分析方法的完善和拓展应用进行了讨论。     

Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计和分析方法

 通过分析比较国外Z-pinch装置轴向绝缘堆的设计，对轴向绝缘堆设计中的关键问题进行了归纳与总结。在总体描述绝缘堆研制方法和思路的基础上，详细论述了静电场数值模拟、电感参数计算和电路模拟、闪络概率计算、结构稳定性力学分析以及材料选择等绝缘堆研制中的几个关键问题，并对闪络概率分析方法的完善和拓展应用进行了讨论。     

聚龙一号驱动Z箍缩负载内爆的简化电路模型

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程,基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析,建立了一个简化的集总电路模型,获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压,进一步拟合为正弦平方函数,峰值为3.3 MV（当前驱动器充压为65 kV）,零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟,得到了与实验结果符合的负载电流波形,尤其电流波形的前沿和峰值符合较好,分析了电磁能转化为负载动能的过程。     

磁绝缘形成过程的守恒模型

理论分析了平行板、同轴、共心同轴圆锥3种典型传输线,运用磁通量守恒求解了初始电流的解析表达式,利用电荷守恒求解了初始电压的解析表达式,在此基础上定量计算了一定初始电流、初始电压下形成的稳态磁绝缘电流、阴极电流与电压,并采用粒子模拟软件对其进行2维数值模拟,模拟结果与理论值吻合较好。     

多层轴向绝缘堆的电压电流测量

为获取初级试验平台(PTS)装置分层真空轴向绝缘堆的电压电流,设计、标定了微分型电容分压器和微分环。探头的频响实验表明:绝缘堆电压、电流探头的频响上限分别为270MHz和100MHz。两种探头均采用在线标定方法来确定幅值灵敏度系数。电压探头在标定时应当保留绝缘堆外侧的水介质,以保证探头附近电场分布不发生改变。PTS装置的实验结果表明:当装置外围馈入电流基本均匀时,绝缘堆电压电流测量结果与相关测试结果自洽,与理论值基本符合;当馈入绝缘堆的电流分布不均匀时,不同角向探头测量结果的偏差导致总电流计算结果的误差较大。     

“阳”加速器丝阵负载内爆数值模拟

基于描述Saturn装置的ZORK模型,使用Pspice语言建立了适用于阳加速器计算使用的金属丝阵负载模型并进行了相关计算,经过数值模拟与阳加速器1050#,1043#等相关实验结果的对比,验证了驱动电路与相关模型设计的正确性,并对计算结果进行了讨论,给出了此负载模型的适用性分析。使用计算得到的阳1050#加载电流曲线,进行了1维磁流体力学计算,给出内爆时间、辐射功率峰等相关参数。     

X光二极管实验平台初步设计

采用Marx发生器结合水介质同轴线设计了高压脉冲功率源,在X射线二极管负载上可产生数MV高压输出。通过电压波过程分析,给出了在负载上获得最大电压输出条件下的形成线、传输线的阻抗设计原则。通过集中参数电路模型分析,给出了一定预脉冲幅值下形成线、传输线电长度及中储设计原则。结合水介质正极性耐压Martin经验公式进行绝缘设计,二极管采用径向均压绝缘堆结构,给出了整个装置初步方案设计。基于Pspice的全系统电路模拟表明:当中储运行电压为2.6MV时,对3Ω形成线充电电压为3.3MV,并最终在40Ω负载上获得4MV电压输出,且充电过程中负载脉冲幅值约为形成线充电电压的1.2%,在现有条件下,该平台设计指标能够满足实验预期。