一种角向传输线B-dot标定平台的设计

基于感应电压叠加器感应腔角向传输线电流探头离线标定的需求,设计了离线标定平台。离线标定平台为平板传输线结构,与在线标定相比,对标定信号的畸变更低。分析了跨平台标定误差的来源,并针对性提出降低误差的措施。分析表明,安装偏心及探头纵向安装深度是跨平台标定误差的最大来源,需要在工程设计中重点关注。实际建立了离线标定平台并开展误差分析,得到跨平台标定误差3.3%的结果。

MV级真空绝缘堆考核实验平台研制及其应用

为解决绝缘堆真空沿面闪络的问题,研制了面向脉冲功率装置应用的真空绝缘堆耐压考核实验平台,建立了绝缘堆考核实验平台等效电路模型,分析了真空绝缘堆环间闪络对绝缘堆电压的影响。基于该平台开展了三种材料绝缘堆的真空沿面耐压考核实验,验证了真空绝缘堆考核实验平台的实用性与可靠性。该工作的开展为脉冲功率装置真空绝缘堆的工程化研制提供参考,同时为新型绝缘材料的应用研究提供考核实验平台。

基于CDEGS的脉冲功率装置接地优化设计

为降低脉冲功率装置接地点地电位升(grounding potential rise,GPR),使用PSpice进行了Marx型脉冲功率装置初步电路模拟,使用CDEGS进行了接地网频域仿真,结合施工难度及效费比,对接地网进行优化。研究了水平地网密度、地网形状、垂直接地极长度、引下线参数对GPR的影响。结果表明,水平地网密度对工频接地电阻影响较小,对高频散流性能影响较大;实验室地面混凝土钢筋可有效降低地面跨步电压;电流注入点采用放射线接地方法可有效提高地网高频散流性能;高频情况下,近距离铺设的垂直接地极屏蔽效应明显;引下线电感是影响接地点GPR的最大因素。优化后地网参数包括埋深为0.4 m,引下线截面半径为0.25 m,16条放射线,垂直接地极长度为7 m,地网间距为1 m。当激励电流为11 MHz,2.6 kA时,注入点GPR较未优化时降低66.3%,降阻效果明显。

磁绝缘传输线电流测量差模式B-dot探头

研制了一种用于磁绝缘传输线(MITL)电流测量的差模式B-dot探头;利用PSpice商用软件和标定实验数据,建立了该探头等效电路模型,给出了探头系统传递函数,并分析了探头频率响应特性。计算结果表明,该探头对于被测信号大于2.5MHz频率分量部分的相频响应基本保持不变,而幅频响应曲线呈较好的直线性。该探头已用于强光一号1.0m长、2cm阴阳极间隙的同轴型MITL电流传输特性研究实验,并获得了较好的测量波形。测量结果表明:短路负载条件下,传输线沿线不同位置B-dot电流测量结果基本相同,峰值电流约1.0MA、峰值时间约125ns。即传输线沿线电流损失几乎可以忽略,该实验结果与短路负载MITL工作特性理论较好地吻合。

磁绝缘传输线电压测量用自积分式电容分压器研制

研制了一种用于磁绝缘传输线(MITL)电压测量的自积分式电容分压器;利用PSpice软件和标定实验数据,建立了该分压器等效电路模型,给出了分压器系统传递函数,并分析了分压器频率响应特性。计算结果表明:该分压器对于被测信号大于5MHz频率分量部分的相频和幅频响应无明显畸变。基于"强光一号"长1.0m、阴阳极间隙2cm的同轴型MITL实验平台对该分压器实际工作性能进行了考核。实验结果表明,在相对少量场致发射电子抵达阳极表面的条件下,该分压器能够有效测量MITL沿线电压波形(2.07Ω负载条件下,电压峰值约600kV、峰值时间约80ns)。

同轴型磁绝缘传输线电流损失特性实验研究

基于"强光一号"装置设计了1m长、2cm阴阳极间隙的同轴型磁绝缘传输线(MITL)实验平台,实验研究了负载阻值0,2.07,4.12和5.68Ω条件下该MITL沿线电流损失特性。实验结果显示:满足磁绝缘准则条件下,该MITL沿线电流损失主要发生在阻抗剧变区域;2.07Ω负载阻值条件下,传输于阴阳极间隙的真空电子流可达传输线电流的17.4%,并且其比例随着负载阻值的增大而不断增大。基于空间电子流理论,对上述实验现象进行了定性的机理分析与解释。

磁绝缘传输线实验用电阻分压器型大功率负载设计

研制了一种用于磁绝缘传输线(MITL)实验的分压器型大功率水电阻负载,其阻值可在2.0～14.0Ω变化。利用MATLAB系统辨识工具箱和ANSYS电磁分析模块,分别获取了分压器的系统传递函数和沿面电场分布,给出了其幅频响应特性和沿面闪络可靠性分析,负载设计充分考虑了集肤效应和温升的影响。该负载已用于强光一号1.0m长MITL特性研究实验,并获得了较好的测量波形,在负载阻值2.1Ω条件下,负载峰值电压为1.2MV,峰值电流为494.4kA,峰值时间约125ns。将实验测量结果同TLCODE计算结果进行了对比,获得了较为一致的对比结果。

多级串联磁绝缘感应电压叠加器次级阻抗优化

基于Thevenin原理,建立了一种多级串联磁绝缘感应电压叠加器(magneticallyinsulated induction voltage adder,MIVA)等效电路模型。依据磁绝缘限定条件,给出了MIVA次级磁绝缘传输线(magnetically-insulated transmission line,MITL)最小磁绝缘电流估计方法。仿真分析了12级串联MIVA电压和电流输出特性,结合X射线剂量率计算式,给出了X射线剂量率随次级MITL运行阻抗变化的分布规律。结果表明,多级串联MIVA输出X射线剂量率随次级运行阻抗的增大呈先增大后减小的趋势,MITL存在一个最佳运行阻抗,可使输出的X射线剂量率最大。基于Mendel和Creedon磁绝缘模型,对比给出了次级MITL几何阻抗的两种估计模型,结果表明,除第1级外,其余各级用两种模型估计的几何阻抗偏差系数均小于2%。

快前沿直线脉冲变压器驱动源多间隙气体开关

进行了一种可用于快前沿直线脉冲变压器驱动源系统的多间隙气体开关的设计和实验,给出了开关的静态放电实验结果,获得了静态击穿电压平均值及标准偏差随气体压强的变化规律。开关充0.15 MPa干燥空气时,最高耐压可以达到200 kV。研究了开关在不同欠压比和不同触发脉冲幅值下的触发特性。开关工作电压150 kV、欠压比78.5%、触发电压70 kV时,开关的触发延迟时间34.4 ns,抖动1.6 ns。开关经过5 000余次放电,击穿点分布均匀,可以形成多通道放电。开关结构新颖,安装操作简便,装配精度大大提高,实用性强。

“强光一号”加速器电路模拟与分析

估算了"强光一号"加速器脉冲变压器、传输线、水开关等部分的电路参数,建立了非线性磁芯电路模型和脉冲功率源电路模型,进行了硅钢磁芯特性实验、直线脉冲变压器模块和加速器的电路模拟,模拟结果与实验结果吻合较好。计算表明,当前运行状态下直线脉冲变压器磁芯并没有达到励磁饱和状态,若将初级储能电容由2.8μF改为4.0μF,充电35 kV不影响加速器输出参数,而且为加速器进一步增加储能、提高输出指标奠定基础。

20 MA/300 ns Marx型直接驱动Z箍缩脉冲源

基于金属外壳1.0μF/40nH/100kV的电容器和±100kV/200kA气体开关,提出了电流20MA、前沿300ns Marx型直接驱动Z箍缩负载的脉冲功率源概念设想,共40路并联,每路为6个Marx并联驱动一条水介质传输线,Marx为18级串联。分析了关键单元(电容器和气体开关)的技术可行性,建立了PSpice电路模型,模拟计算了Marx建立时间分散性、水介质传输线阻抗对负载电流的影响,模拟结果表明:Marx建立时间分散性从10ns增加到60ns时,负载电流前沿从平均282ns增加到287ns,峰值从21.0 MA降低到19.8MA,脉宽几乎不变;Marx建立时间分散性对负载电流的影响随着并联数目增加变小;采用4.2Ω等阻抗传输线,负载电流最大。

小型方波脉冲磁场装置的研制

完成了小型方波脉冲磁场装置的双线圈负载设计,在一定区域内获得了近似匀强磁场。采用阻抗2Ω的6级脉冲形成网络作为初级储能和脉冲形成单元,对匹配电阻放电产生了方波脉冲电流波形。研制了一种场畸变气体火花间隙作为主放电开关,有效减小了装置的动作时延和分散性。实验结果表明:负载中心峰值磁感应强度达到0.04T,方波磁场平顶时间约3μs,平顶度小于5%,上升前沿(磁感应强度峰值10%～90%)小于0.5s,装置的动作时延抖动小于10ns(标准偏差)。

单/双路馈入磁绝缘感应电压叠加器感应腔角向传输线的优化

角向传输线作为磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)感应腔的关键部件,对MIVA感应腔馈入电流角向均匀分布,以及感应腔输出响应有决定性影响。为此,从馈入电流角向分布、阻抗匹配、绝缘安全等方面阐述了MIVA感应腔角向传输线的物理设计原则。针对双路和单路两种脉冲馈入方式,分别给出了优化的角向传输线结构。采用3维全尺寸、瞬态电磁模型对馈入电流角向分布和感应腔输出脉冲进行了模拟计算。结果表明,双路馈入MIVA感应腔馈入电流均匀性较好,设计角向传输线时首要考虑因素是降低角向线阻抗来改善感应腔输出脉冲响应,减小输出波形畸变。单路馈入MIVA感应腔馈入电流不均匀程度显著增大,采用非对称的角向线结构可提高馈入电流均匀性。双路和单路馈入MIVA感应腔电流角向不均匀系数最低分别为3%和9%。

一种非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的计算方法

长距离磁绝缘传输线内电极偏心、感应腔注入电流非均匀分布引起电子鞘层边界偏心等非对称磁绝缘特性.电子鞘层边界是研究非轴对称磁绝缘特性的重要参数.本文提出一种计算非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的方法.通过引入角向非均匀分布的模数,将经典一维轴对称Creedon稳态磁绝缘理论推广应用于圆柱坐标系下二维(r,θ)平面.建立了感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘的二维Creedon物理模型,给出了非轴对称磁绝缘电子鞘层边界的数值计算方法和计算误差.当阴极角向磁场(阴极电流)角向分布满足余弦函数时,电子鞘层边界接近高斯分布.阴极电流角向不均匀程度越大,电子鞘层边界偏心程度越严重,计算误差越大.

石墨量热计测量相对论电子能谱的数值模拟

采用数值实验的方法对石墨量热计测量电子能谱的过程进行了模拟,并对解谱方法进行了研究。使用MCNP软件建立了实验模型,根据不同能量入射电子能量沉积分布情况确立了入射电子能量-沉积能量的传递函数,研究确定合适的函数求解方法,并采用添加人为扰动的方式对该函数求解方法的可靠性进行分析,最终得到了有效的解谱方法。

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。

磁绝缘感应电压叠加器注入电流空间非均匀分布及影响因素分析

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)脉冲馈入方式导致感应腔注入电流空间非均匀分布,这对感应腔性能(如等效电感、电磁场分布、输出参数等)和MIVA次级磁绝缘特性(如电子鞘层、流阻抗、电流损失等)产生影响。建立MIVA感应腔全电磁模型,并得到典型结构下感应腔初级注入电流空间分布和次级磁场强度的分布特性。给出电流不均匀系数δ(t)的动态变化过程,仿真分析注入电流脉宽、感应腔初级绝缘介质、脉冲馈入路数及时间抖动等因素对δ(t)的影响规律。结果表明,δ(t)动态过程分为快速下降、稳定和缓慢下降三个阶段,注入电流脉宽影响稳定阶段持续时间和缓慢下降阶段;初级绝缘介质影响感应腔内电磁脉冲传播速率,进而对电流空间分布产生影响;注入脉冲路数对注入电流空间分布有决定性影响;双路脉冲馈入感应腔注入时间不同步时,不均匀系数发生改变。开展了单级感应腔注入电流空间分布实验,验证了电磁计算的正确性。

欠匹配型磁绝缘感应电压叠加器次级阻抗优化方法

磁绝缘感应电压叠加器(MIVA)次级阻抗对脉冲功率驱动源和负载之间的功率耦合具有重要影响.基于稳态磁绝缘Creedon层流理论和鞘层电子流再俘获(re-trapping)理论,建立了负载欠匹配型MIVA电路分析方法,数值分析获得了MIVA输出参数(输出电压、阴/阳极电流和电功率)随负载欠匹配程度的变化规律.考虑阴极传导电流作为闪光X射线照相二极管的有效电流,建立了以MIVA末端X射线剂量率最大为目标的次级阻抗优化方法.获得了欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*的变化规律:随着X射线剂量率对电压依赖程度提高,欠匹配型MIVA次级优化阻抗Z_(op)~*呈指数降低;负载阻抗越大,Z_(op)~*越大.

强流二极管阳极靶温度和热形变模拟

以电子束在靶中的能量沉积剖面为桥梁,建立了二极管阳极靶温度和热形变模拟方法。该方法可获知二极管不同工作状态下靶的温度分布和热形变情况,为靶热-力学损伤研究提供基础数据,为二极管构型设计和寿命提升提供技术支撑。将该方法应用于“强光一号”短γ二极管,计算结果显示:当阳极离子密度大于10^(14) cm^(−3)时(强箍缩),靶表面温度最高可达5500~6000℃,热形变量达约4.5 mm;无离子流时(弱箍缩),温度处在4500℃左右,形变为2.8~3.5 mm。

感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘物理模型和数值分析

针对感应腔注入电流非均匀分布引起的感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘问题,在磁绝缘经典层流理论基础上,通过引入角向非均匀分布的模数,将经典一维轴对称磁绝缘Creedon理论推广至两维（r,θ）平面,建立了圆柱坐标系下二维层流物理模型,推导了磁绝缘电参数（电磁场、空间电子密度、电子鞘层等）与相对论因子γ（r,θ）的关系。当给定边界条件（阴极磁感应强度角向分布）时,数值求解物理模型,获得了感应电压叠加器次级非轴对称磁绝缘电参数的二维分布。当感应电压叠加器次级阴极磁感应强度满足余弦分布时,磁绝缘电子鞘层边界近似呈高斯分布。在靠近馈入点的角向位置,由于磁感应强度较大,电子鞘层较薄,磁绝缘电子密度较大。阳极磁感应强度分布均匀性优于阴极,且两者相位相差180°,数值分析结果与RITS-3装置实验结果基本相符。建立的物理模型和分析方法可用于长距离磁绝缘线内筒偏心等非轴对称磁绝缘问题。