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。     

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。     

不同Z-箍缩负载磁绝缘传输线电流损失特性

 在装置“S-300”上,通过测量真空磁绝缘传输线中电极间电子流轫致辐射和负载上的电流、电压等参数,研究了磁绝缘传输线中的电流损失特性。实验中使用了阻抗特性不同的3种负载,结果表明,磁绝缘传输线中的电流损失特性显著地取决于负载。当负载为丝阵靶时,电流损失出现在丝阵等离子体最大箍缩时刻,且其值不超过负载总电流的5％。     

聚龙一号电磁脉冲形成与传输过程的全电路模拟北大核心CSCD

为研究聚龙一号驱动器内部电磁脉冲的形成与传输规律,优化调节其运行状态,获得满足负载设计需求的电流波形,建立了描述驱动器各关键部件充放电过程的全电路数值模拟程序。该程序与负载动力学程序耦合模拟,能够在一定范围内得到与实验结果符合较好的电压和电流波形。在典型的丝阵Z箍缩实验条件下,模拟分析了各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大的过程,驱动器充压65kV时,大约1MJ的电磁能量传输到绝缘堆位置。在典型的磁驱动准等熵压缩实验条件下,模拟分析了激光触发气体开关对驱动器24路模块分时放电的控制过程,模拟的O121发实验负载区电流上升时间（0～100％）为450FIS、峰值约6MA。     

Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

PTS装置Z箍缩负载设计分析

介绍了PTS装置丝阵负载设计思路,用简化的薄壳模型(零维)和辐射磁流体力学模型(一维)数值模拟了丝阵Z箍缩内爆过程,给出了PTS丝阵负载设计参数,分析了初步优化结果,确定了优化选择的箍缩常数.经脉冲功率驱动器与负载优化匹配设计,PTS实验平台能够获得100TW量级的X射线功率,最佳插头能量转换效率10%.预计PTS实验平台的X射线输出能力基本达到Saturn装置长脉冲模式放电的水平.结果将为PTS开展Z箍缩研究提供有价值的参考. 关键词： PTS装置 Z箍缩丝阵负载 零维薄壳模型 一维辐射磁流体力学数值模拟     

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。     

同轴型变阻抗线传输特性的电磁场与电路仿真比较

利用CST微波工作室软件对新一代Z箍缩驱动装置中变阻抗传输线部分进行了三维电磁场仿真,建立了同轴型指数线模型,在外导体内半径保持100mm不变、输入端特性阻抗0.203Ω、输出端特性阻抗2.16Ω、输入角频率14×106 rad/s的半正弦脉冲TEM波的情况下,发现传输过程中会产生少量非TEM模,线的尺寸变化越剧烈,产生的非TEM模能量越多。在传输线足够长的情况下,电磁场仿真得到的电压传输效率与电路仿真结果相差不到1%,因此可以用电路仿真结果代替电磁场仿真。     

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。     

基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感的计算

提出了一种基于粒子模拟的磁绝缘传输线等效电容和等效电感计算方法,在层流模型得到的同轴磁绝缘传输线等效电感和等效电容理论公式中引入修正因子,对粒子模拟所得结果进行数值拟合,获得了等效电容和等效电感修正因子依赖于电压的拟合表达式,修正后的等效电容和等效电感理论公式与粒子模拟结果符合较好,所得结果可用于磁绝缘传输线的等效电路建模。     

磁绝缘传输线压力平衡模型的修正

 由于电子的发射,在磁绝缘传输线（MITL）的阴极表面附近会形成一层电子鞘层。当传输线工作在稳定态时,电子鞘层的边缘满足压力平衡。在此基础上,考虑了电子鞘层内部的碰撞,利用PIC计算方法对MITL的电压、阴极电流和阳极电流的关系进行修正,使得阴阳极电流在饱和流条件下与模拟计算结果更加符合,最大误差由9%降到3%。碰撞系数关于电压的拟合曲线适合于工作电压为2～7 MV的理想MITL。     

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。     

"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。     

阳加速器水传输线及磁绝缘传输线的电路模拟

 根据阳加速器传输线的阻抗分区特性,建立电路模型,并对短路实验及丝阵内爆实验进行模拟。短路实验的模拟结果与实验测试结果非常接近;通过对丝阵具体条件的分析,合理地引入串联电阻,同样准确地模拟了丝阵内爆的传输线响应特性,并利用模型简单描述了丝阵内爆的一般特性。模拟结果表明,模拟方法正确有效、电路模型可用于变阻抗水传输线及MITL的设计分析及基本规律研究。