“强光一号”等离子体开关及负载稳定性分析

强光一号等离子体断路开关(POS)及负载二极管系统工作性能不够稳定,通过分析数据指出POS等离子体源参数差异性是导致系统不稳定的主要原因。POS等离子体源参数重复性测量结果表明,在开关断路时刻等离子体源瞬时发射等离子体密度重复性极差在10%左右,而开关区间累积等离子体密度极差超过100 %。开关区间累积等离子体密度和阴极重粒子发射会对POS断路性能产生显著影响。计算表明开关区间累积等离子体密度差异对POS断路电流阈值影响达到200 kA,与运行数据统计结果一致;在断路电流阈值相同的条件下,阴极物质逸出对二极管电压影响显著,MCNP程序计算结果表明,产生辐射剂量差别可以达到80%,与统计数据相当。     

“强光一号”等离子体断路开关及负载的数值计算

等离子体断路开关（POS）是“强光一号”加速器产生短脉冲γ射线的关键器件之一。应用POS融蚀模型分析了“强光一号”加速器POS与二极管系统的基本工作过程,通过该模型计算获得了POS与二极管系统的总电流以及电子束电流,计算结果与实验结果吻合较好。计算结果表明,“强光一号”POS在工作时并未达到完全磁绝缘状态,其阻抗最终为21.5 Ω,约有60％总电流在二极管负载导通时流过POS,且融蚀模型对POS阻抗增长预测偏高,但由于电流变化较大,二极管负载电压仍能达到4.5 MV左右。     

“强光一号”等离子体断路开关及负载的数值计算

 等离子体断路开关（POS）是“强光一号”加速器产生短脉冲γ射线的关键器件之一。应用POS融蚀模型分析了“强光一号”加速器POS与二极管系统的基本工作过程，通过该模型计算获得了POS与二极管系统的总电流以及电子束电流，计算结果与实验结果吻合较好。计算结果表明，“强光一号”POS在工作时并未达到完全磁绝缘状态，其阻抗最终为21.5 Ω，约有60％总电流在二极管负载导通时流过POS，且融蚀模型对POS阻抗增长预测偏高，但由于电流变化较大，二极管负载电压仍能达到4.5 MV左右。     

强光一号POS等离子体源性能参数测量

以强光一号等离子体源（电缆枪）为研究对象,采用电荷收集器（法拉第杯）对强光一号等离子体源性能参数进行测量。实验结果表明:等离子体发射密度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离正相关,而发射速度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离负相关;增大电缆枪驱动电压时,等离子体发射密度增速远小于驱动电流增速。重复性研究表明,对由数十支电缆枪组成的等离子体源而言,单支电缆枪放电分散性对其输出等离子体整体分布均匀性影响不大。不确定度分析表明,通过多次重复实验求平均值,可以有效减小实验结果的不确定度,发射密度测量结果的合成标准不确定度在10%以内。     

强光一号POS等离子体源性能参数测量

以强光一号等离子体源（电缆枪）为研究对象,采用电荷收集器（法拉第杯）对强光一号等离子体源性能参数进行测量。实验结果表明：等离子体发射密度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离正相关,而发射速度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离负相关;增大电缆枪驱动电压时,等离子体发射密度增速远小于驱动电流增速。重复性研究表明,对由数十支电缆枪组成的等离子体源而言,单支电缆枪放电分散性对其输出等离子体整体分布均匀性影响不大。不确定度分析表明,通过多次重复实验求平均值,可以有效减小实验结果的不确定度,发射密度测量结果的合成标准不确定度在10%以内。     

100 kA微秒导通时间等离子体断路开关研究

 研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关,开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验,得到的负载电流上升时间为54-76 ns,最高开关电压为1.38 MV,最高电压倍增系数达到4.9。建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型,初步数值模拟结果表明,该模型对目前开展的实验有较好的预估能力。     

等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性

利用PIC (particle-in-cell) 方法,结合实验装置的几何结构和实验结果,采用动态开关模型,对微秒等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性进行了研究。模拟得到了与实验结果符合较好的开关电压和负载电流波形,并给出了开关下游出现的稀薄等离子体的密度(约1012 cm-3)和速度(约1 cm/ns), 同时也得到了开关下游的空间电流分布。模拟结果表明,开关下游的结构应避免阻抗突变以减少电流损失,同时提高开关阻抗可有利于提高负载上的最大功率。     

等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性

利用PIC (particle-in-cell) 方法,结合实验装置的几何结构和实验结果,采用动态开关模型,对微秒等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性进行了研究。模拟得到了与实验结果符合较好的开关电压和负载电流波形,并给出了开关下游出现的稀薄等离子体的密度(约1012 cm-3)和速度(约1 cm/ns), 同时也得到了开关下游的空间电流分布。模拟结果表明,开关下游的结构应避免阻抗突变以减少电流损失,同时提高开关阻抗可有利于提高负载上的最大功率。     

100 kA微秒导通时间等离子体断路开关研究

研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关,开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验,得到的负载电流上升时间为54-76 ns,最高开关电压为1.38 MV,最高电压倍增系数达到4.9。建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型,初步数值模拟结果表明,该模型对目前开展的实验有较好的预估能力。     

不同驱动电流和电极尺寸下的等离子体断路开关性能

 开展了驱动电流为45,75和105 kA以及阴极直径分别为Φ20 mm和Φ40 mm下的等离子体断路开关性能实验研究。结果表明：随着发生器驱动电流增加,负载电流上升时间逐渐减小,最高电压倍增系数逐渐增加。与阴极直径为Φ20 mm的等离子体开关相比,阴极直径为Φ40 mm的等离子体开关导通时间和负载电流上升时间增加,开关电压和电流转换效率降低。实验获得的最高电压倍增系数和电流转换效率分别为4.9和97%,负载电流上升时间小于100 ns。     

电荷收集法测量低温等离子体密度

利用电荷收集法,在正(135 V)、负(-117 V)偏置和低真空背景(0.5 Pa)三种不同收集条件下,测量了用于等离子体断路开关的电缆等离子体枪产生的低温等离子体的密度和漂移速率,测量值分别为8.3×1014,1.2×1015,4.8×1014 cm-3;2.5,2.0 cm·μs-1。测量结果表明:三种收集条件下测得的等离子体漂移速率相近;在相同测量点处,负偏置收集条件下测得的等离子体密度大于正偏置和低真空背景收集条件下的测量值,而低真空背景收集条件下的测量值最小。     

电荷收集法测量低温等离子体密度

利用电荷收集法,在正(135 V)、负(-117 V)偏置和低真空背景(0.5 Pa)三种不同收集条件下,测量了用于等离子体断路开关的电缆等离子体枪产生的低温等离子体的密度和漂移速率,测量值分别为8.3×1014,1.2×1015,4.8×1014 cm-3;2.5,2.0 cm·μs-1。测量结果表明：三种收集条件下测得的等离子体漂移速率相近;在相同测量点处,负偏置收集条件下测得的等离子体密度大于正偏置和低真空背景收集条件下的测量值,而低真空背景收集条件下的测量值最小。     

长导通等离子体开关断路过程的粒子模拟

 利用PIC(particle-in-cell) 粒子模拟方法对长导通等离子体断路开关的断路过程进行了模拟研究。介绍了计算模型的建立和边界的处理。模拟结果揭示了断路间隙的形成过程和机制,并据此对等离子体断路开关断路阶段的现有模型进行了定性的修正,认为断路过程中Hall融蚀和静电融蚀机制将同时存在,静电融蚀在开关最终的断路中占主导作用,且静电融蚀是由于磁场排斥引起的。     

等离子体源参数对长导通等离子体断路开关性能的影响

 研制了可工作在长导通时间（约1μs）的等离子体断路开关，实验研究了等离子体源参数，包括等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪的工作电压以及等离子体枪的数目对开关性能的影响规律。研究结果表明，开关导通时间和开关电压随触发延时、枪工作电压和数目的增加而增加，但当开关导通时间接近主回路电流四分之一周期时，开关电压呈下降趋势。当Marx发生器工作电压为120kV且采用4个等离子体枪时，实验获得的最大电压倍增系数约为1.8。     

等离子体源参数对长导通等离子体断路开关性能的影响

研制了可工作在长导通时间（约1μs）的等离子体断路开关,实验研究了等离子体源参数,包括等离子体枪与主回路之间的触发延时、等离子体枪的工作电压以及等离子体枪的数目对开关性能的影响规律。研究结果表明,开关导通时间和开关电压随触发延时、枪工作电压和数目的增加而增加,但当开关导通时间接近主回路电流四分之一周期时,开关电压呈下降趋势。当Marx发生器工作电压为120kV且采用4个等离子体枪时,实验获得的最大电压倍增系数约为1.8。     

等离子体断路开关导通过程的2维雪耙模型模拟

等离子体断路开关的物理过程和导通机制非常复杂，其结构参数、驱动电流波形、注入等离子体密度等因素均对其导通的物理机制有影响，产生不同的物理现象。     

等离子体断路开关的一维磁流体力学数值模拟

 采用磁流体力学的方法对等离子体端路开关进行了一维数值模拟，通过对给定的进入等离子体的电流波形模型的计算，给出了轴向上等离子体的运动及其不同时刻的密度分布，分析了磁场在等离子体内部的异常渗透过程，指出考虑Hall效应是产生这一异常现象的最为主要的因素。     

等离子体断路开关装置上的多丝Z箍缩初步实验

 开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验,实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列,其中钨丝的直径分别为7 mm和20 mm。利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像。实验结果表明：导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%~78%的电流转换至金属丝阵负载上,负载电流上升沿为84~110 ns。高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程。     

“强光一号”预脉冲气体开关特性研究

对“强光一号”加速器预脉冲气体开关特性进行了初步研究,估算开关固有电容等电气参数,给出了开关的直流自击穿特性。在此基础上,针对“强光一号”加速器预脉冲的特点,选取加速器中的预脉冲开关的工作间距及工作气压,在开关间距为24mm,气压为6.0×105Pa时,成功的抑制了预脉冲。     

“强光一号”预脉冲气体开关特性研究

 对“强光一号”加速器预脉冲气体开关特性进行了初步研究，估算开关固有电容等电气参数，给出了开关的直流自击穿特性。在此基础上，针对“强光一号”加速器预脉冲的特点，选取加速器中的预脉冲开关的工作间距及工作气压，在开关间距为24mm，气压为6.0×10⁵Pa时，成功的抑制了预脉冲。