带脉冲形成线的1.0 MV 100Hz紧凑型Tesla变压器的研制

介绍了紧凑型Tesla变压器的工作原理和功能特点,在此基础上对电压1.0 MV、重复频率100Hz的Tesla变压器和阻抗40Ω、宽度40 ns的脉冲形成线(PFL)进行了一体化结构设计。用Tesla变压器的两个同轴开环铁芯作为PFL的内外导体,将传统的形成线结合在Tesla变压器中,从而脉冲发生装置具备了体积小、效率高、性能稳定等特点。设计的紧凑型Tesla变压器在CHP01电子束加速器上实现了对600 pF的PFL单次充电电压达到1.3 MV、重复频率100 Hz、平均电压1.15 MV的技术指标,该变压器在其额定电压和频率下的连续运行时间达到5 s以上。

3MV感应电压叠加器的磁感应腔研制

根据脉冲驱动源和负载参数,提出了3 MV感应电压叠加器磁感应腔的设计指标为1.2 MV/70ns。由感应腔的电流传输效率和真空同轴线绝缘要求,确定了磁芯的几何尺寸;研制了矩形比为0.5的预退火非晶磁环,明确磁环数量不少于6只;在30 T/s时,实验测量的最大脉冲相对磁导率与饱和波模型计算结果相当;估算磁感应腔的等效激磁电感约为7.3μH,涡流损耗电阻约为139Ω。根据临界击穿场强的经验公式,采用电场数值分析方法,确定了磁感应腔的电气结构;实验验证了磁感应腔设计有效性;建立了基于磁感应腔的3 MV感应电压叠加器全电路模型,阳极杆箍缩二极管电压、电流计算波形,与实验结果基本相符。

一种多级串联共用外腔体新结构LTD

提出一种多级串联共用腔体新结构快脉冲直线变压器驱动源(FLTD),每级采用一个不包围磁芯支路和角向传输线实现单级感应腔同步触发,引入一路外触发脉冲实现共用外腔体的多级串联FLTD按理想感应电压叠加器(IVA)时序触发。三级串联共用腔体FLTD和常规三级串联FLTD的等效电路和三维电磁模型初步计算结果表明,新结构FLTD与常规结构FLTD具有相同的输出性能。采用新结构可大幅降低Z箍缩ICF/IFE FLTD驱动源的触发与充电要求,具有重要工程应用价值。

100 GW直线变压器驱动源的物理设计与模拟

基于已有四开关组直线变压器驱动源(LTD)模块设计了对1Ω负载输出电流100 kA、脉冲上升时间小于60 ns的八开关组LTD模块,该模块采用轮辐式结构,由8个储能电容、气体开关、峰化电容器组并联向中心负载放电。在此基础上,给出了峰值功率100 GW、共10级的LTD装置的物理设计,该装置为同轴感应电压叠加型脉冲发生器。通过电路模拟和PIC模拟,对物理设计进行了检验,结果表明:10级八开关组100 kA LTD模块串联可使10Ω负载获得超过100 GW的功率输出,脉冲上升时间小于60 ns,所选取的结构和参数能保证电子流的磁绝缘,高压脉冲能有效传输到负载。

高速旋转氚钛靶系统设计和靶温度的数值模拟

给出了用于强流中子发生器的高速旋转氚钛靶系统的设计方案,并对靶的温度变化进行了数值模拟,给出了强流中子发生器的运行参数。

重复高压脉冲产生与成形一体化装置研制

介绍了脉冲变压器与分布参量形成线相结合的高功率脉冲产生与成形一体技术,简要阐述了采用该技术的高压脉冲发生器的基本设计思想。研制的脉冲变压器与形成线一体化装置利用变压器的同轴开环铁芯来充当分布电参量脉冲形成线的内外导体,将脉冲功率源中最重要的两个独立部件有机结合起来,实现了结构的紧凑性。高压脉冲发生器在重复频率100 Hz、变压器工作电压1.65 MV时能够稳定运行,输出脉冲电压760 kV,峰值功率23 GW,脉冲宽度大于40 ns。

四级串联共用腔体MA级FLTD的设计与仿真

目前MA级快脉冲直线变压器驱动源(FLTD)模块一般引入2~4路快前沿(约20ns)高幅值(100kV)电脉冲触发,百TW级数十MA的FLTD驱动源含有数千个模块,其触发系统非常庞大,并且要求触发脉冲按照精确时序到达各级串联模块,以便实现与次级行波同步的感应电压高效叠加,触发系统成为大型FLTD驱动源的瓶颈之一。在之前提出的一种利用一路外触发脉冲实现数十模块串联FLTD与次级行波同步的感应电压高效叠加触发方式基础上,设计了4级串联共用腔体的MA级FLTD模块组,每级共24支路,其中1个用作触发支路,主放电支路由2只100nF双端引出电极电容器和1只GW级气体开关组成;建立了16级串联、次级为水线的单路FLTD电路模型,数值仿真研究了支路开关自放电、触发支路开关闭合时序与分散性,以及次级传输线阻抗对驱动源的影响。

快脉冲直线变压器气体开关技术

阐述了Z箍缩驱动惯性聚变装置对快脉冲直线变压器气体开关的需求背景,介绍了快脉冲直线变压器气体开关技术发展的基本要求及国际研究进展,归纳了近年来主要研究成果和对当前研究有重要借鉴意义的结论,给出了提高静态稳定性、降低触发阈值和延长开关寿命的措施。介绍了气体放电的汤逊和流注理论,指出:在不大于1.5×106 Pa.cm范围内,汤逊理论完全适用于描述气体开关自击穿过程。根据巴申定律、Meek击穿判据,给出了开关气压和间距设计要点,分析了多间隙开关间隙数量和间隙的电压分布均匀性对开关自击穿电压的影响。根据触发击穿延时经验公式,归纳了降低触发电压阈值的技术途径。介绍了1维的电极熔蚀判据,并总结了减轻电极烧蚀的方法和措施。最后指出开关技术研究总体策略和方法。

400kV强流中子发生器的物理设计

对400kV强流中子发生器进行了物理设计。采用Poisson/Superfish软件对中子发生器高压电极和加速管的电场分布进行了模拟,结果显示,各关键区域的空间电场最大值远低于击穿电场限值。以强流束旁轴包络方程为基本模型,发展了强流束传输系统束包络的计算机模拟程序IONB1.0,模拟了中子发生器传输系统中40mA的D束流包络。结果显示,设计方案中所采取的两间隙高梯度加速结构有较强的聚焦性能,能有效抵消强流束空间电荷效应造成的束流发散,加速管出口处的束包络半径约3cm,由加速管出口处的空间电荷透镜和三重四极磁透镜组成的传输系统能将束流聚焦在约140cm处的靶上,且束斑直径小于2cm。

快Z箍缩百太瓦级脉冲驱动源概念设计的发展

快Z箍缩在强辐射效应、惯性约束聚变、材料特性、天体物理和其他高能量密度物理方面具有重要应用,要满足上述多种需求,迫切需建电流数十兆安、前沿百纳秒,功率百太瓦级的脉冲功率驱动源。本文综述了Marx水线电容储能多级脉冲压缩传统技术路线和直接驱动FLTD型技术路线的快Z箍缩百太瓦级脉冲驱动源的研究现状、发展趋势,分析了两种技术路线的主要制约因素和前景,梳理了研制百太瓦级、电流数十兆安的快Z箍缩驱动源需要解决的主要关键技术和科学问题。

多间隙气体开关电感

介绍了一种用于快脉冲直线变压器的低电感多间隙气体开关。专门构造了多种形式的单通道放电实验,测量了在不同形态单通道放电时的开关电感,研究发现:单通道放电时开关电感除了受到角向电流的影响,还与电弧通道引起的放电回路面积变化有关,开关电感理论计算值与单通道放电时的实测结果最接近;开关在自放电和触发时,均形成了多通道放电,电感明显降低,触发时开关电感最小约为49 nH,电极角向电流的影响可以忽略。

气体开关自击穿概率的分析方法比较

利用实测的多间隙气体开关自击穿电压,比较了高斯正态函数和威布尔函数在分析气体开关自击穿概率方面的异同。检验了自击穿电压的正态性和威布尔性,通过参数估计分别确定了自击穿电压的正态分布和威布尔分布函数。计算表明:两种概率分布得出的概率分析结果基本一致,在相同电压下放电概率差别一般不大于1%,最大为2%(当放电概率大于90%时);在电压高于威布尔分布的阈值参数时,两种方法在相同概率下的放电电压计算结果差别不超过0.3%。

轨道式多间隙气体开关设计与性能测试

针对直线脉冲变压器对低电感、低抖动气体开关的研制需要,采用垂直布放的平板轨道电极,组成具有通视结构的水平间隙,设计了一种多间隙轨道式气体开关。利用Meek击穿判据计算了单间隙自击穿电压,实测了4个单间隙的自击穿电压及其相对标准偏差,并根据单间隙自击穿电压,利用概率分析方法预测了多间隙开关自击穿电压,计算值与实测结果一致。研究表明:开关电感最大约109nH,自击穿电压相对标准偏差为1.5%,在60kV触发电压和48%～74%欠压比下,开关抖动0.9～2.6ns。与圆环形电极的多间隙气体开关相比,多间隙轨道式气体开关自击穿电压更稳定,也更容易触发。

利用HI-13串列加速器进行空间辐射效应实验研究

讨论了空间辐射效应实验模拟研究中一些重要物理量的物理含义及实验的选取方法 ,详细描述了在HI

闪光照相快放电直线型变压器脉冲源新进展

综述了国内外快放电直线型变压器驱动源(fast linear transformer driver,FLTD)闪光照相加速器的研究进展,包括美国圣地亚国家实验室(Sandia National Laboratory,SNL)双轴7 MV LTD型闪光照相装置、洛斯·阿拉莫斯国家实验室LANSCE装置C区与质子照相装置轴垂直的LTD型闪光照相装置、21级串联LTD-Minor URSA装置及32级串联正负极性可调的LTD装置的概念设计。同时,介绍了法国原子能部CEA/PAM 8 MV LTD型照相装置IDERIX和英国原子能武器中心为替代Mevex加速器拟研制的空气绝缘LTD的概念设计。最后,介绍了中国工程物理院和西北核技术研究所FLTD相关研究进展,结合西北核技术研究所现有技术条件和需求,提出了开展闪光LTD驱动源的初步设想。

基于感应腔支路和角向线LTD新型触发技术

提出一种利用感应腔1个支路和角向传输线实现直线型变压器驱动源(linear transformer driver,LTD)开关同步触发闭合的新方法,触发支路与LTD感应腔其他支路具有相同工作电压和气压,触发支路不包围磁芯.当触发支路开关被外施1路脉冲触发闭合后,产生快前沿高电压脉冲并沿角向线传输,触发感应腔其他支路开关.该触发方式在20支路并联500kA LTD感应腔和34支路并联0.1Hz重频800kA LTD感应腔上证明可行.基于该触发方式感应腔,又给出了从上游感应腔触发支路引出脉冲触发下游相应位置感应腔的次级为水介质传输线多级串联LTD驱动源的同步触发方法,可显著降低Z箍缩驱动源的外触发脉冲数量.

脉冲变压器锥形高压绕组研制

以电工绝缘纸板为骨架材料,采用湿纸成型工艺制成锥形高压绕组的骨架。为了改善绕组电压分布,其绕制方式选用三段绕线法:第一段与第三段均用尼龙线与漆包线间隔绕制,第二段用细漆包线均匀密绕。实验证明,所研制的高压绕组结构合理,装配方便,满足脉冲变压器在单次工作电压1.75 MV、重复频率100 Hz,工作电压1.65 MV下稳定运行的要求。

DEPU对上海光源储存环的影响与补偿

上海光源储存环安装了一套由两台椭圆极化波荡器组成的插入件(DEPU),该插入件尤其是其中一台椭圆极化波荡器的积分场误差引起了闭轨畸变、工作点漂移、耦合度变化、动力学孔径减小等多种效应,这些效应对上海光源储存环的正常运行造成了极大影响。采用校正线圈前馈将最大闭轨畸变降低到10μm的水平,采用四极铁强度前馈将工作点漂移控制在0.001左右,采用斜四极铁前馈将耦合度很好地控制在0.1%左右。通过六极铁在线优化解决了动力学孔径退化的问题,将注入效率保持在80%以上。在接近4年的运行中,补偿方案工作表现很好,轨道补偿的前馈还在不断地完善中。

强流氘束引出系统与加速管束流匹配的研究

为增加传输通过加速管的束流强度,提高中子发生器的中子产额,采用Particle-in-cell(PIC)程序模拟研究了入射束强度在10~150mA范围内,不同初始参数条件下D+1束在加速管中的传输状态。结果表明,当入射束在加速管入口处的归一化发射度取0.25πcm·mrad,Courant-Snyder参数α=-4、β=60cm/rad时,50~100mA D+1束与加速管匹配良好。根据匹配参数,对双等离子体离子源的引出系统进行了优化,结果显示,在引出系统与加速管之间放置两个螺线管透镜和1个光阑,能有效去除D+2、D+3离子,实现100mA D+1束顺利传输通过加速管的目的。

氚钛靶系统靶温升瞬态分析的方法研究

完成了中子发生器的关键装置——真空氚钛靶系统的设计方案,并对影响氚钛靶寿命的各个因素及靶温升对氚钛靶寿命的影响做了介绍,着重研究旋转靶的温度变化瞬时分析的新方法。该方法将旋转靶的受热区域分为若干个相等的受热点,利用循环往复的"跳格"加热的方式完成旋转靶的瞬态分析,计算结果表明:通过该方法,能够控制旋转靶的靶点温升在允许温度范围之内。