三腔介质壁质子加速器时序优化模拟及设计

采用自主研发的三维粒子模拟软件对三腔介质壁加速器进行系统仿真, 在此基础上, 计算三个腔质子的渡越时间并实现腔体间的时序优化设计。外加电压峰值100 kV, 顶宽1 ns, 半高宽10 ns, 绝缘微堆厚度2.0 cm, 质子初始束能40 keV, 加速电极添加钨网, 模拟结果显示:当电压持续6.5 ns时, 进入高梯度绝缘微堆的H+通过第一腔能得到最大加速效率90.84%, 相应的渡越时间为5.668 ns;当第二腔电压触发落后第一腔4.5 ns时, H+通过第二腔获得最大加速效率94.77%, 相应的渡越时间为3.545 ns;当第三腔电压触发落后第二腔3.0 ns时, H+通过第三腔获得最大加速效率97.30%, 相应的渡越时间为3.018 ns;最大能量H+渡越三个腔体的总时间为12.231 ns, H+总体加速效率94.31%;当质子束中心进入第一腔时刻落后脉冲电压触发6.5 ns, 且一二腔和二三腔电压触发延时分别为4.5 ns和3.0 ns情形下, 能将2.5 ns长度的质子束中的H+实现90%以上的加速, 4.0 ns长度的质子束中的H+实现80%以上的加速。     

“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。     

光导开关Blumlein型脉冲网络电压传输效率

为了在高阻负载上获得高效率的重复频率平顶高压脉冲输出,开展了影响基于光导开关的Blumlein型脉冲形成网络电压传输效率因素的初步实验研究。以陶瓷电容、铝条和GaAs光导开关构成全固态Blumlein型脉冲形成网络（BPFN）,采用气体间隙进行了设计参数的验证实验,在匹配负载上研究了光导开关工作场强、激光触发能量与BPFN电压转换效率的关系。设计的BPFN阻抗7.8 ,电长度32.6 ns,实验表明光导开关较高的导通电阻是影响PCSS-BPFN电压传输效率的主要因素。当触发激光能量30.4 mJ,工作场强25.1 kV/cm时,获得电压效率83.2%,相应最小导通电阻1.89 ;在触发激光能量3.5 mJ时,为了使阻抗为7.8 的BPFN在匹配负载上达到75%以上电压传输效率,应至少使光导开关工作场强为25.1 kV/cm,相应最小导通电阻2.88 。     

高功率Z-pinch装置5 MV主开关及开关区设计

 基于激光等离子体和过电压波击穿原理研制了应用于高功率“Z-pinch”装置的22级5 MV激光触发多级多通道开关,采用钳位环技术解决了狭小空间的匀场问题,过压自击穿间隙场分布不均匀度约为0.080,激光触发间隙场分布不均匀度约为0.056,由绝缘部件沿面电场强度决定的系统安全系数约为0.8。根据J.C.Martin公式和静电场分析计算结果,解决了高功率“Z-pinch”装置主开关及开关区的工程设计问题。     

基于波过程的传输线模拟方法

 从波过程计算的角度,阐述了用传输线对脉冲形成网络进行模拟的原理和方法。该方法可以对元件参数随时间变化的脉冲形成网络,以及包含磁绝缘传输线、开关、内爆等离子体等的脉冲功率系统进行全电路模拟。与商业程序Pspice模拟结果比较表明：两种方法得到的电流、电压的峰值相对偏差不到5‰,在整个时间范围内,电流、电压的最大偏差均小于峰值的5%;两种方法得到波形几乎完全重合。在能保证准确度和收敛性的同时,该方法还具有直观、运算快速、易扩展等特点。     

磁芯伏秒数对直线变压器驱动源输出参数的影响

 介绍了直线变压器驱动源（LTD）中磁芯的工作原理,通过模拟计算分析了磁芯伏秒数对LTD输出参数的影响。通过调整磁芯伏秒数、磁芯复位状态和负载阻值等实验条件进行了一系列实验。实验结果表明：判断磁芯饱和的依据主要有输出电压显著降低、输出脉冲脉宽减小及回路过阻尼状态下出现反向脉冲等;反向电流对磁芯具有复位效应,一定条件下可将磁芯完全复位。实验结果验证了理论分析及模拟计算的结果。根据对实验结果的分析,提出了针对不同应用领域利用磁芯饱和效应进行波形调节的初步设想。     

低预脉冲水介质多通道自击穿开关实验研究

 在“闪光Ⅱ”上进行了水介质多针自击穿开关实验研究。开关由2个或4个开关间隙、预脉冲屏蔽板及其支撑结构组成。介绍了开关结构及其集中参数等效电路模型,并给出了部分参数计算方法。开关间隙在约60 ns时间内被近似线性地充电至约1 MV,开关的放电电流、输入和输出电压分别用罗果夫斯基线圈和硫酸铜水电阻分压器测试。进行了2个间隙结构和4个间隙结构开关实验,开关的放电电流200～550 kA,平均击穿场强600～900 kV/cm。开关间隙抖动小于4 ns,开关间隙的击穿迟滞时间约为60 ns,2个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于3 ns,4个间隙结构开关的间隙之间的击穿同步性能可以优于5 ns。预脉冲被有效地压缩,输出电压的预脉冲幅值约为输入电压预脉冲幅值的50%,从180 kV压缩至约90 kV,作用时间由600 ns压缩至60 ns。