“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。

“强光一号”等离子体断路开关及负载的数值计算

等离子体断路开关(POS)是“强光一号”加速器产生短脉冲γ射线的关键器件之一。应用POS融蚀模型分析了“强光一号”加速器POS与二极管系统的基本工作过程,通过该模型计算获得了POS与二极管系统的总电流以及电子束电流,计算结果与实验结果吻合较好。计算结果表明,“强光一号”POS在工作时并未达到完全磁绝缘状态,其阻抗最终为21.5Ω,约有60%总电流在二极管负载导通时流过POS,且融蚀模型对POS阻抗增长预测偏高,但由于电流变化较大,二极管负载电压仍能达到4.5 MV左右。

“强光一号”预脉冲气体开关特性研究

对"强光一号"加速器预脉冲气体开关特性进行了初步研究,估算了开关固有电容等电气参数,发现在数百ns的电压脉冲作用下,对于满足均匀场或接近均匀场条件的开关,其击穿电压接近其直流自击穿电压。在此基础上,针对"强光一号"加速器预脉冲的特点,选取加速器中预脉冲开关的工作间距及工作所压,在开关间距为24mm,气压为0.6MPa时,成功地抑制了预脉冲。

强光一号"加速器Z箍缩丝阵负载的零维模拟

作为丝阵Z箍缩实验的基础,丝阵负载的设计具有重要意义。主要介绍了Z箍缩丝阵负载设计的slug模型,首先对该模型的原理进行了分析,然后对该模型进行编程,并利用美国Saturn加速器上的丝阵负载实验结果进行验证,计算结果表明了程序的可靠性。最后应用该模型及所编写程序对"强光一号"加速器上丝阵负载的Z箍缩实验进行了模拟,获得了偏差小于5%的模拟结果。

强光一号水开关击穿性能

采用光学诊断和电磁测量相结合的方法对"强光一号"不同结构的水开关的放电特性进行研究,其中包括环-板结构、球-板结构及局部场增强球-板结构。通过理论模拟开关电场分布及"强光一号"加速器水开关击穿电压的实际测量可以分析不同结构的开关工作稳定性,结果表明:环-板结构的水开关具有最稳定的击穿特性,15发放电的时间抖动只有30 ns;局部场增强球-板结构水开关抖动60 ns;球-板结构水开关稳定性最差,抖动达到140 ns。利用纳秒时间分辨可见光分幅相机和光纤传感器对环-板型及局部场增强球-板结构水介质开关进行光学测量,得到了电流通道发展图像以及整个放电过程的光强变化信号。实验结果表明:环-板型水介质开关开始击穿时的平均场强约为190 kV/cm,同时存在多个放电通道,流注呈树枝状分布,其发展速度为几十cm/s。

器件瞬态剂量率效应脉冲激光试验技术及应用

针对抗瞬态辐射对宽剂量率范围、弱电磁干扰、精细测量等瞬态剂量率效应试验评估需求,开展激光瞬态剂量率效应的激光注入控制及定量模拟试验技术研究,研究脉冲激光与“强光一号”加速器剂量率等效试验机制,结合激光辐照过程中的能量传输模型进行激光有效能量计算,给出激光能量和γ射线剂量率的定量关系,形成直径为3 cm、均匀度达90%的大尺寸高均匀度试验辐照光斑,及等效剂量率大于1.2×10^(12) rad·s^(-1)的激光定量模拟瞬态剂量率效应试验能力。对多款不同类型器件开展了激光和“强光一号”加速器对比试验证明了该技术的有效性,可为抗核辐射发展提供便捷、精细、充分的激光试验技术支持。

脉冲电压下的自击穿水介质开关击穿特性和电路参数实验研究

介绍了“强光一号”加速器中两种结构的自击穿水开关,建立了简化的开关电路模型,并通过估算和Pspice模拟确定了开关的电路参数,包括电极间杂散电容、火花通道电感和火花电阻。研究表明开关导通过程中的流注电容效应可以忽略,放电通道火花电感与电阻选取流注导通时刻的值,且在主放电电流传递过程中保持不变。根据实验结果,阐述了两种开关击穿的不同特点:对于局部电场增强型的球-板电极结构的主开关,可以采用J.C.Martin稍不均匀场水击穿经验公式估算临界场强;而棒-板电极结构的多针开关,适合用J.C.Martin针-板击穿模型的水击穿经验公式估算临界场强,且并联工作的9个多针开关可以同时形成独立的放电通道。

基于单丝行为的平面型丝阵Z箍缩模拟

平面型丝阵负载是近年来Z箍缩实验中研究较多的一种非圆柱型丝阵负载.基于平面型丝阵中单丝的静磁场分析并结合单丝的径向运动方程,计算获得了聚爆过程中负载电流在每根丝上分配、每根丝所受磁场力、丝阵负载区磁场分布、负载总电感及聚爆过程中负载动能变化等规律.模拟计算了平面型丝阵负载Z箍缩聚爆轨迹及聚爆时间,并与"强光一号"加速器上进行的平面型丝阵实验结果进行了对比.结果表明,基于单丝行为的模拟误差约为10%,可较为准确地获得平面型丝阵负载聚爆时间.计算结果有助于深入理解平面型丝阵负载Z箍缩物理过程,同时该模型可用于平面型丝阵负载参数设计.