爆炸驱动铁电体电源快脉冲产生技术

以发展轻小型高电压脉冲驱动源为出发点,提出采用爆炸驱动铁电体作为初级电源,通过电感储能与电爆炸丝断路开关进行脉冲压缩和功率放大,探索基于爆炸驱动铁电体电源的小型化高电压快脉冲产生技术。从爆炸驱动铁电体电源的全电路模型和铁电陶瓷材料特性出发,通过理论分析和仿真研究,分别对大电流模式和高电压模式的爆炸驱动铁电体电源的物理参数进行了设计,获得了铁电体电源工作模式和电路参数对产生高电压脉冲的影响规律,认为铁电体电源高电压模式更适合于与断路开关技术结合产生高电压快脉冲,并通过实验对该技术原理进行了验证。实验中铁电体电源输出电流约360 A、脉宽约3.8 μs,对17.5 nF电容器充电至75 kV,电容器放电后在电爆炸断路开关中产生峰值大于12 kA的脉冲电流,最终在X射线二极管负载上获得了电压峰值大于180 kV、前沿3 ns、脉宽30 ns、电流峰值3.4 kA的高电压快脉冲。     

300 kA直线型变压器驱动源模块实验研究

介绍了14支路并联的300 kA百ns直线型变压器驱动源单级模块的结构和关键部件。模块通过采用双端引出电极电容器以及小型多间隙串联气体火花开关,可以并联更多的支路数,减小回路电感,提高储能密度;通过采用非晶磁芯,减小磁芯损耗,提高模块耦合效率。实验研究了初级气体开关工作系数对模块输出的影响,实验结果表明:模块开关电压工作系数达到0.7,多间隙串联开关才能较好同步放电;给出了快直线型变压器模块的初步调试实验结果,在模块充电90 kV,开关气压0.32 MPa情况下,匹配负载电流峰值可达到302 kA,上升时间约100 ns,负载上获得的峰值功率为23 GW。     

测量1 MA/100 ns脉冲大电流的微分环

强光一号加速器能输出上升沿约100 ns、幅值约2 MA的电流脉冲。实验中通常采用自积分式Rogowski线圈监测负载电流。为与该线圈比对校验,研制了一种快响应、结构简单、抗电磁干扰性能较好的微分环。标定实验给出,微分环测量的响应时间约1.2 ns,频谱响应范围10 kHz~100 MHz,灵敏度为6.1310-11(Vs)/A。其快时间响应将有助于监测与负载物理特性有关的瞬态电流变化。在加速器二极管短路状态对微分环和积分式Rogowski线圈进行了实验比对,数值积分给出的电流波形与后者基本相符,峰值偏差小于10%,表明微分环的设计合理,同时校验了电流测量的可信度。      

高电压脉冲功率调节系统的数值模拟

介绍高电压脉冲功率调节系统（储能电感／断路开关）的模拟计算方法．根据使用的初始能源种类不同，分别对电容器模型和简单的爆炸应压缩发生器（ＭＦＣＧ）模型作了初步计算．对于后者，分别考虑不带断路开关和带断路开关负载两种情况，从结果比较可知电流将变化２０％—３１％．在电容器模型中，分别考虑了负载、初始充电电压、储能电感等因素的影响．通过计算表明，要得到理想的输出结果，必须对系统运行参数进行优化．     

SUNIST低环径比托卡马克的供电系统

介绍了SUNIST低环径比托卡马克的纵向场线圈、欧姆加热场线圈和平衡场线圈的电学参数。所用电容器组储能系统采用电容换流式准恒流充电回路。测量了这三组线圈中的放电电流,并将测量结果与回路计算结果作了比较。     

高温超导体磁悬浮轴承在低温液体泵中应用的可行性分析

目前低温液体泵用轴承一般为机械轴承,由于机械磨损其工作寿命有限;工作在低温环境下,该轴承润滑条件恶劣,不能满足高转速、重载荷条件下的长期连续应用.高温超导体磁悬浮轴承则直接工作在低温条件下,没有机械接触且无源自稳定,是代替机械轴承的一种选择.近年来关于高温超导磁悬浮轴承的应用研究很多,其承载能力等性能参数提升很多,并在...     

EAST低温系统又一新降温模式

EAST氦低温系统是EAST(Experimental Advanced Super-conducting Tokamak)先进超导托卡马克实验装置重要子系统之一;到目前为止,EAST已经成功进行了6次降温实验。第四次降温实验于2008年8月完成,这次降温实验与前几次降温实验很不相同。前3次的降温实验冷却磁体依赖四台透平膨胀机(透平A、B、C和D),透平B、C和D获得LHe去冷却PF和TF磁体、5&8对电流引线和busline到相应的温度。透平A用于制取80K的冷量冷却外冷屏。而此次降温是采用3台透平膨胀机(透平A、B和C),透平B和C与节流阀获得LHe去冷却PF和TF磁体、5&8对电流引线和busline到相应的温度。透平A还是用于制取80K的冷量冷却外冷屏。此次整个降温过程大概用了20天,比以前多耗时25%;文中给出了透平的启动过程、磁体冷却过程和一些操作经验。     

Magnetodynamic submicrosecond current interrupter

The feasibility of using a magnetodynamic current interrupter for switching multimegaampere current pulses is considered. The operation of the interrupter is based on the fast buildup of edge instabilities. A technical solution is suggested, and the performance of the interrupter when used in the second stage of peaking the current of helical explosive magnetic generators (HEMGs) and capacitor banks is predicted. It is shown by computer simulation that the interrupter can operate in the submicrosecond range and switch currents as high as several tens of megaamperes, the operating speed of the interrupter increasing with linear current density. The limit actuation time of the interrupter may be on the order of 100 ns. A prototype of the interrupter is experimentally verified on a capacitor setup by switching currents with an amplitude of 4.3–4.5 MA.     

铝单丝Z箍缩形成无核冕结构的物理分析

针对铝单丝Z箍缩负载,计算其可形成金属蒸气而不形成核冕等离子体的电路和负载参数范围。提出了铝丝电爆炸形成金属蒸气的能量沉积判据和击穿电压判据;建立了热动力学模型,选取电路参数使得金属丝气化时放电回路电流恰好迅速下降,从而避免发生电压击穿。计算了典型电路下的负载电流、电压、电阻及沉积能量的变化曲线,并分析了回路总电感、充电电压以及负载丝长度、直径对其的影响规律。计算结果表明:当储能电容为150pF、充电电压为65kV、回路电感为300nH时,可驱动直径20μm、长2cm的铝丝电爆炸形成铝丝蒸气。快电流前沿、小丝直径和较短的丝长度有助于提高负载中的单位质量沉积能量,容易电爆炸形成金属蒸气负载。     

低温二次电子产额测试系统设计与研究

在合肥先进光源（HALF）建设中,由低温超导材料组成的真空部件被大量使用,尤其是超导高频腔。超导腔以高加速梯度、低束流阻抗、高无载品质因数和低运行成本等特点,成为21世纪国际上拟建的大型加速器的首选。而超导腔和低温真空室内表面的二次电子发射可能会引发电子云（EC）现象。超剂量的二次电子倍增功率沉积会引起低温区域热负载增加、超导腔失超等现象,因此降低超导高频腔内二次电子发射成为合肥先进光源设计过程中的巨大挑战。在常温材料二次电子产额（SEY）测试系统的基础上,作者自主研发设计低温样品架结构,使液氦流经样品台并通过热传导冷却样品,计算漏热来反推所需要的制冷量和液氦的消耗速率。在系统集成调试后进行降温性能测试,搭建了低温材料二次电子测试系统。     

低温过冷测试平台冷压缩机性能的测试研究

冷压缩机具有工作温度低、尺寸小、功耗低、便于操控等特点,是大型过冷氦低温系统中的关键设备。对低温过冷测试平台的冷压缩机进行测试,方法为采用两台串联的冷压缩机在低温低压下直接抽吸饱和液氦容器,液氦容器内装有电加热器用以模拟超导磁体的热负荷,并调节氦气蒸发速率。测试表明,冷压缩机的稳定工作参数接近设计值,运行过程中冷压缩机始终保持安全运行,未出现喘振情况,液氦容器温度和压力分别达到3 K、22 kPa,满足设计要求。     

基于PIC单片机的种子源设计

对种子源结构进行了优化设计,为了缩短充电时间,在现有的电容和DC变换器基础之上,选用单片机作为控制芯片,利用其脉冲宽度调制(PWM）输出功能产生用于控制DC变换器的线性电压。对单片机PWM输出转化为线性控制电压的性能以及控制DC变换器恒流充电的可行性开展了实验研究。实验结果表明,基于PIC单片机的种子源储能可以达到250 J,充电时间缩短到6 min以内,满足实验要求。     

电感储能加速器运行中电磁辐射的实验研究

发现了一个被普遍忽视的问题, 在电感储能加速器运行中产生很强的电磁辐射. 这种电磁辐射在一定距离范围内可以对测量仪器造成破坏. 通过多次测量, 发现此辐射主频在75MHz左右, 频谱较宽, 是一低频电磁波. 以同轴电缆作为测量仪器的替代物, 测量辐射场对同轴电缆的作用, 罗氏线圈测得电流幅值达217mA. 辐射可能是由回路LC振荡或者加速器中的电爆炸丝开关引起的. 基于LC振荡和电爆炸丝的工作原理, 分别讨论了辐射产生的物理过程. 我们更倾向于认为辐射来源于开关导通引起的回路LC振荡. 此外, 辐射强度受电流的变化率影响, 初级回路电流变化慢, 次级回路变化快, 这样产生了一弱一强的两个辐射信号. 这些为进一步研究电感储能加速器运行中的电磁辐射及防护提供实验支持.     

The Jon Beam Opening Switch

Plasma opening switches (POS's) have shown excellent characteristics in pulsed power applications. Proposed POS scaling predicts that the fastest opening time for a given conducted current should occur using a high-velocity low-density plasma as the switch medium. The ion beam opening switch (IBOS) uses a charge-neutral ion beam of 100-300 kV, ? 120 A/cm2 as the switch "plasma." Its velocity of up to 600 cm/?s and density of ~1012/cm3 make this a very fast low-density plasma compared with typical 10 cm/?s and 1013/cm3 POS plasmas. The IBOS has conducted ? 70 kA flowing in a parallel-plate transmission line driven by a 4-? pulser. IBOS opening time is load dependent, being ? 4 ns into a 15-nH load and about twice as long into a 4-? electron diode load. However, switch impedance is not zero during the entire conduction time, rising to ? 3 ? by the time of peak current. Peak current conducted before opening does not vary linearly with either injected ion current or switch axial length. Instead, the conduction current scales with plasma density in the switch, and is nearly independent of switch area until the area is restricted to a narrow (~1 cm) strip.     

20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究

 对电感储能/电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟，研制了输出峰值功率大于20GW的小型化低阻负载电感储能/电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明：以电容器作为初始能源，在6~10Ω电阻负载上输出脉冲电压大于400kV、脉冲电流50~60kA，峰值功率大于20GW，能量转换效率大于30%。     

太赫兹器件测试用高重复频率高压脉冲电源

为了开展太赫兹器件试验研究,设计了高重复频率脉冲电源系统。电源输出脉冲电压30 kV,脉冲电流200 mA,最大重复频率3 kHz,脉冲宽度10~100 μs,采用本地PLC加远程计算机控制模式来实现电源的本控及遥控。对系统的核心部件:充电电源和脉冲开关的拓扑结构进行了研究,并开展了仿真和试验。结果表明:采用LC串联谐振恒流充电技术以提高充电电源工作效率以及在负载打火情况下的可靠性;基于MOSFET并进行优化设计的串联脉冲开关可以获得快速的脉冲前后沿。电源系统的输出指标满足负载工作要求,在高重复频率、打火条件下能够稳定工作。     

Plasma erosion opening switch using laser-produced plasma

In order to construct a practical inductive energy storage pulsed power generator, an opening switch which can repeatedly conduct a large current and then rapidly interrupt this current is necessary. Though the plasma erosion opening switch (PEOS) can interrupt a large current rapidly, the effective number of switch operations is limited because of the decrease of the carbon sprayed on the insulator with each shot. A PEOS using a laser-produced plasma, which can possibly be operated for hundreds of thousands of shots without maintenance, is proposed, and its operation as an opening switch is confirmed experimentally     

Operation of microsecond plasma opening switches

Closing and breaking of current in microsecond megaampere plasma opening switches are considered. Conductivity current scaling in the switch due to plasma acceleration by a magnetic piston is discussed and compared with experimental data. Two ways of determining the width of a current channel are taken up. This channel results from the diffusion of the magnetic field in the plane of the piston followed by the convective ejection of the field “frozen” in the accelerated plasma flow behind the shock wave into the bridge. Based on experimental data, a scaling law for the voltage on the switch according to the switch parameters is derived. The problem of reverse closing, which limits the efficiency of storage energy extraction into the load, is considered.     

在单一和连续等离子体放电条件下KSTAR PF线圈的运行特性分析

我们使用分析程序SAITOKSCPF研究了KSTAR PF 超导线圈的运行特性.为了控制KSTAR超导托卡马克的运行等离子的外形以便实现受控热核聚变反应,在超导PF线圈内通过高变化率的运行电流.由于电磁感应,在超导线圈、支持结构和低温容器内产生感应电流和损耗.超临界氦流过CICC导体内部保持超导体运行在4.2K的温度.分析表明最大的温度在PF1线圈内部.在这篇论文中,我们对于单一和连续条件下等离子体放电对超导体运行的影响进行了研究.     

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