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。

用于脉冲功率装置调试的高功率电阻分压器型负载

介绍了电阻分压器型负载的结构、分压原理和设计方法,分析了高频作用下趋肤效应对负载阻值的影响,计算了负载和真空腔内的电场强度分布以及负载的等效电感和等效电容,利用Pspice程序模拟了回路参数对输出信号的影响。对负载的分压比进行了标定,标定结果为7.59×10-5。为避免闪络现象的发生,设计加工接地金属套筒,用来降低负载阴极三结合点处的电场强度。负载工作电压幅值428 kV,电流幅值9.48 kA,工作阻抗45Ω,电压和电流波形与设计值符合得较好,满足设计要求。

基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟

大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响,在高性能计算集群的帮助下,使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究,模拟区域(34 cm×34 cm×18 cm)包括双层柱-孔盘旋(DPHC)结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹,电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射,在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处;对电子能量沉积的统计结果表明,受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面,来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果,最大电流损失率(437 kA,27%)发生在电流传输的早期时刻(~15 ns),而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%,此时磁绝缘已完全生效,表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。

脉冲功率装置中混合绝缘结构设计方法

脉冲功率装置中包括固-液、固-气及固体-真空等多种绝缘方式,涉及的绝缘失效类型包括固体击穿、气体击穿、液体击穿、真空击穿及沿面闪络等。在进行绝缘设计时,不同绝缘失效类型均需考虑。总结并提出了脉冲功率装置中混合绝缘结构的设计方法,基本思想是使混合绝缘结构中不同绝缘形式的可靠度相等。该方法的理论基础有2点:一是描述短脉冲下固、液、气、真空击穿及沿面闪络阈值的统一计算公式;二是描述不同绝缘形式的可靠度计算公式。基于以上2点,给出了脉冲功率装置中绝缘设计的一般步骤:(1)识别混合绝缘结构的潜在失效风险;(2)计算出各绝缘形式50%可靠度所对应的击穿电场强度或沿面闪络电场强度;(3)计算出给定可靠度和寿命下的外施电场;(4)通过仿真获得绝缘结构中关键位置的最大外施电场强度;(5)比较给定外施电场和仿真外施电场,决定是否进行下一步优化。

小型材料等熵压缩磁压加载脉冲功率发生装置理论设计

材料等熵压缩磁压加载技术是当今美、俄、法等国家用于材料完全物态方程和动力学性能研究的重要和热门手段。文章综述了国外材料等熵压缩磁压加载技术研究进展，分析了磁压加载等熵压缩的基本原理。在此基础上提出了适合国内实验室研究、压力范围50GPa以内的小型材料等熵压缩磁压加栽脉冲功率发生装置的设计指标，即回路放电电流上升时间500ns以内、峰值1MA以上。进而利用OrCAD／Pspice软件对装置的电感、电容等基本参数进行了优化设计，基于此提出了达到设计指标装置的工作方式。

简单实用的脉冲功率测量装置

文章介绍了一种简单实用的脉冲功率测量装置原理、组成,并对其测量不确定度进行了简要分析。

基于脉冲功率装置的圆柱腔体系统电磁脉冲研究

通过在中国工程物理研究院流体物理研究所的脉冲功率装置上开展圆柱腔体X射线辐照实验,研究了腔体系统电磁脉冲(腔体SGEMP)效应。应用一种网拍天线进行了圆柱腔体中电场的测量。此外,通过时域有限差分(FDTD)和粒子模拟(PIC)的数值方法,进行了腔体内电磁场的计算。研究发现,腔体内的气体会显著降低电场强度,而电场强度也会随剂量率的增加而增加。

英国脉冲功率装置完成首次弹丸试射

英国First Light Fusion公司(FLF)新建的脉冲功率装置“机械3”近期完成首次弹丸试射。此次试射是在该装置6个分支中的1个上完成的。FLF 2018年8月29日宣布,首次试射在7月下旬进行。此后,对该装置所有部件进行检查并分析试验数据,证明该分支能如最初设计的一样发挥作用。“机械3”能够在2微秒内释放高达20万伏、超过1400万安培的能量——相当于同时发生近500次闪电。该总装置投资为360万英镑(460万美元),需要使用3千米长高压电缆和10千米长诊断电缆。该装置将被用于推进惯性约束聚变研究,以便使FLF成为全球首家实现聚变电厂商业化的公司。在该装置中,FLF将使用高速弹丸产生强烈冲击波,冲击充满气体的腔室,使其发生不对称塌陷,从而释放能量。

脉冲功率装置的脉冲形成单元

为了建造多路同步输出的脉冲功率装置，研制了单路验证性样机。该样机的脉冲形成系统包括主同步开关、脉冲形成线和脉冲输出开关。研究包含脉冲形成线的绝缘设计校验，装置脉冲形成单元的抖动及其与主同步开关击穿延迟时间的抖动和脉冲输出开关抖动的关系。

高功率脉冲能源装置监控系统的研制

在脉冲功率技术中，过去常通过步进电机甚至手动方式带动自耦变压器对Marx充电，已经适应不了现代物理试验实时测控、高精度的要求。作者开发了一套基于PC的高功率脉冲能源装置监控系统，采用可编程高功率交流电源及数字延时机等装置，完成了对Marx的远程线性充电、整个脉冲功率装置的程控触发以及装置状态实时监控等功能。

纳秒级高压快脉冲发生器的研制

为了研究电力系统中不断产生的特快速瞬态过电压(VFTO)对电工绝缘材料的影响,设计了一台用于模拟VFTO的快脉冲发生器,其输出波形要求:上升时间<50ns、峰值电压达1000kV。该发生器由Marx发生器、负载测试腔及中间连接段组成。Marx采用正负充电电路,包括10个0.015μF/100kV的塑壳电容器、6个火花隙放电开关。负载端并联一个500Ω的大电阻,以加快输出高压脉冲的振荡衰减速度,降低设备绝缘要求,从而使Marx结构紧凑化,减小放电回路电感。同时,Marx发生器中的电容器和火花开关采用特殊的折返式布线形式,进一步减小放电回路电感。还给出了快脉冲发生器的设计方案,Pspice仿真结果表明:在负载实际变动范围内,当输出电压为1000kV时,上升时间在23～28ns之间变动,满足要求。

高能密度物理实验装置FP-1及其应用

综述了由高能密度物理装置FP 1驱动的固体套筒内爆研究情况。主要内容包括FP 1脉冲功率装置的特性和所进行的主要物理实验 :铝套筒内爆、双套筒碰撞和微喷射、套筒的内爆脉冲屈曲等 。

磁驱动平面准等熵加载装置、实验技术及应用研究新进展

利用脉冲大电流装置产生随时间变化平滑上升的磁压力,实现对平面、柱面等不同结构样品的磁驱动准等熵(斜波)压缩,为极端条件下材料动力学研究提供了一种偏离Hugoniot状态热力学路径的加载手段。本文从磁驱动准等熵加载装置、实验技术、数据处理方法等方面综述了磁驱动准等熵加载技术研究近十年的新进展,评述了利用磁驱动准等熵加载技术和方法开展极端条件下材料高压状态方程、高压强度与本构关系、相变与相变动力学等方面研究的进展情况,展望了磁驱动准等熵加载技术发展及其在材料动力学、武器物理和高能量密度物理等方面的应用前景。

环氧复合材料快脉冲真空闪络特性研究

在高功率脉冲技术领域,由于固体绝缘材料的沿面闪络电压远远低于同等绝缘距离的体击穿电压,脉冲功率装置的真空绝缘支撑部件由于沿面闪络引起的绝缘破坏最为常见,因此成为限制脉冲功率传输的一个重要难点.随着脉冲功率装置向更高功率、更高容量、更小型化方向的发展，

单路脉冲功率真空装置的三维数值模拟研究

研究了单路脉冲功率真空装置中脉冲功率的馈入、汇聚及传输,在CHIPIC平台上,采用多台计算机进行分进程并行计算的方法,突破了单台计算机的内存及运行速度限制,对单路脉冲功率的馈入、汇聚及传输装置进行建模,并设置相应的参数,从而对该大尺度装置进行了整体模拟.模拟得到的该器件各个部分的阴阳极间电压、阴阳极电流等一些重要的物理参数.模拟结果表明:该单路真空脉冲功率器件整体都可以保持磁绝缘状态,并达到了很好的功率汇聚的作用.该工作验证了真空状态下脉冲功率产生及传输器件的可行性,为进一步的实验研究提供了有力保证.

CQ-4装置电磁驱动能力分析

利用磁流体力学程序对流体物理研究所设计研制的电磁驱动装置CQ．4在充电电压分别为75．6kV、80kV、85．1kV情况下装置发射飞片的能力进行了模拟计算。CQ-4装置设计的输出电流峰值为3-4MA，上升时间小于500ns（10％～90％），该装置主要用于磁驱动准等熵压缩与高速飞片发射实验研究。计算给出了三种充电电压下装置驱动不同尺寸飞片的结果，从而指出只有合适的厚度才能获得最佳的驱动效果，初步估计在CQ-4上可将质量为数克的飞片加速到10～13km／s而不会被融化，其形成的射流速度可达20km／s。由于本文的计算没有考虑装置结构系数，计算得到的飞片速度比实验中获得的结果高。

书讯:《纳秒脉冲固体电介质击穿特性及机理》

对于大多数高压电气设备,固体电介质是不可缺少的组成部分,其作用包括机械支撑和电气绝缘两方面,提高固体电介质的绝缘能力具有重要意义。然而对于固体电介质体击穿现象,其研究还有待进一步加深,特别是在微秒和纳秒等短脉冲条件,固体电介质的击穿呈现出与静态或工频不同的现象,使得这一研究变得更为复杂。此外,随着脉冲功率技术的迅猛发展,如何评估和设计绝缘结构,使其具有满足使用要求的寿命也是在建立脉冲功率装置时非常关心的问题。

7~8 MA条件下MagLIF集成实验关键问题理论研究与设计

针对国内7~8 MA脉冲功率装置驱动条件,通过耦合等效电路模型和McBride等人发展的半解析模型,研究了MagLIF总体能量学过程及中子产额随关键参数的变化规律,获得了中子产额大于1010的参数设计区间。结果表明:7~8 MA驱动条件、套筒材料、负载高度、燃料半径与密度、预热能量、外加轴向磁场等多因素共同决定了燃料的最终压缩状态;预热能量越大,燃料初始升温以及滞止时刻升温越高,中子产额越高;轴向磁场增加,热传导能量损失减小,但燃料收缩比也会减小,因此存在优化轴向磁场以获得较高中子产额;杂质质量分数超过10%,中子产额开始显著下降。燃料密度0.7 mg/cm^(3)、外加轴向磁场27 T、预热能量200 J、杂质质量分数小于50%的条件下,可以获得3.5×10^(10)中子产额,从而有望在7~8 MA条件下建立MagLIF关键问题研究平台。

脉冲功率圆柱形内爆实验的负载

通过利用适当的电极配置和圆柱形负载，在逐渐缩小的空心圆柱体内，脉冲功率可用来产生高能密度的条件。最精密机加圆柱形套筒（ｌｉｎｅｒ）负载和轻质量蒸镀圆柱形金属箔负载两种形式，在洛斯阿拉莫斯珀加索斯－Ⅱ感应存储电容器脉冲功率装置上进行了圆柱形对称实验。套筒实验研究固体密度流体动力学课题。金属箔负载因焦耳加热汽化产生一种内爆圆柱形等离子体，可用来模拟某些与聚变能过程相关的通量。