自研28 GHz/50 kW回旋管实现长时间连续运行

介绍了中国工程物理研究院应用电子学研究所针对磁约束聚变装置电子回旋共振加热(ECRH)系统、重离子加速器电子回旋共振(ECR)离子源以及前沿科技探索应用研制的28 GHz/50 kW连续波回旋管最新实验结果。研究团队在2019年该回旋管实现50 kW/30 s运行的基础上,通过结构优化和稳定性设计验证,最终实现了在10~50 kW功率范围多个功率水平的稳定长时间连续运行,典型运行结果为16 kW/3000 s、26 kW/900 s、46 kW/1800 s、50 kW/300 s,特别在输出功率32 kW连续稳定工作了400 min。这是国内首次研制出小时级连续工作的中等功率回旋管。

氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线的kHz重频脉冲功率源

闪光X射线摄影技术在军事和民用等多个领域具有重要场景。针对重频直线感应加速器高重频的要求,提出了基于氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线的脉冲功率源方案,设计和研制了一种三同轴电缆,研究了氢闸流管的导通特性,搭建了氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线脉冲功率源的验证平台,开展了kHz重频脉冲功率源实验研究,以及kHz重频脉冲功率源驱动重频感应腔的实验研究,结果表明:基于氢闸流管驱动三同轴电缆Blumlein线脉冲功率源实现了波形品质优异的kHz重频方波脉冲输出。

强流脉冲束流位置探测器标定技术

电子直线感应加速器性能提升对束流探测器提出了高精度测量要求,由此不仅要求高精度的探测器设计装配技术,而且也要求探测器的准确标定。从强流脉冲束流位置探测器测量原理出发,从理论和实验两方面开展强流脉冲束流位置探测器标定技术研究。在理论上采用解析方法,分析了不同的计算处理方法和标定方法的标定效果,提出了特征平面标定,在建立的位置标定系统上,对用于多脉冲电子直线感应加速器的No.23电阻环进行了标定实验研究,实验结果验证了理论分析结果,根据理论和实验研究结果,确定了强流脉冲束流位置探测器标定方法。

千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源系统研制

初始磁场电源系统用于激励千特斯拉级内爆磁压缩装置的初级线圈产生初始磁场,是内爆磁压缩装置的关键设备。在分析千特斯拉级内爆磁压缩装置初始磁场电源需求和技术难点的基础上,系统设计了核心部件选择方案和主脉冲电路及控制系统结构,研制成功一套输出电压1~40 kV可调、主放电电流脉冲上升沿约60μs、总峰值电流达3.2 MA的初始磁场电源系统,已应用于千特斯拉级内爆磁压缩装置动态试验。

多路激光集束的焦斑测试技术

为了实现多路激光集束焦斑测量,给出其时间和空间分辨的特性,搭建了基于成像系统、光电管结合示波器、条纹相机和科学CCD等主要部件组成的焦斑光学测试平台。实验之前,对科学CCD的灵敏度和动态范围及条纹相机增益系数、狭缝宽度、扫描时间等性能参数进行离线测试标定。采用CCD测试多路激光时间积分的集束焦斑空间分布;采用光电管结合示波器及条纹相机对多路激光到达靶点的时间同步进行测试;开展高质量集束焦斑的时间分辨特性测试,获得了光谱色散匀滑光束焦斑精细的时空演化图像。多路激光集束焦斑形态及多路光束时间同步测试为提升高功率激光装置焦斑测试技术和方法提供了支撑。

高能闪光照相阵列屏非一致性响应校正技术

阵列屏采用大量独立晶柱组合而成限制了可见光在转换屏内的扩散,能够在提高X光转换效率的同时保证照相系统有较高的空间分辨能力,是高能闪光照相系统中的重要器件。阵列屏由于各晶柱之间的转换系数不同而导致接收图像中存在非一致响应现象,必须将其校正才能对图像进行有效判读。研究了中阵列屏接收图像中非一致响应现象的校正方法,首先使用平板照相获得空场图像,然后对实验图像和空场图像扣除暗电流本底和消除脉冲噪声,最后将实验图像与空场图像进行像素相除运算。针对强振动环境下空场图像与实验图像不匹配问题,提出对空场图像进行位移的方法以实现空场图像与实验图像的重新匹配,采用校正后图像的标准差数据来判断两者的匹配性。实验结果表明位移后的空场图像能够校正强振动环境下阵列屏图像的非一致性响应。

电爆炸金属桥箔早期过程中电磁-热-力多物理场耦合建模与分析

金属桥箔的电爆炸过程对电炮、冲击片雷管等的性能影响极为关键。这一过程中物质性质变化、几何构型和动力学过程非常复杂,早期的大量理论模拟工作均采用极为简化的物理模型。为此,建立了描述爆炸箔早期行为的三维电磁-热-固体力学耦合求解全物理模型,模拟爆炸箔在大电流加载下的早期受热膨胀过程,并对早期膨胀过程中桥箔上的磁场、电流、温度等演化进行分析,观察到电流在构型和电阻率两种因素影响下的角扩散和线扩散现象,模拟得到的桥区温度场分布与参考文献中的实验图像及模拟结果定性符合。

HMX基高聚物粘结炸药界面增强的粒径效应

为研究炸药晶体粒径对高聚物粘结炸药(PBX)力学性能及界面增强效果的影响规律,以4种不同粒径HMX(160μm,60μm,25μm和150 nm)为主体炸药,氟树脂为粘结剂,中性聚合物键合剂为界面增强剂,制备了8种HMX基PBX。采用压缩应力应变试验、巴西试验分别获得8种PBX在常温(20℃)和高温下(60℃)的压缩和拉伸力学性能,采用动态热机械分析仪的三点弯曲模式获得储能模量和力学损耗因子,采用扫描电镜对PBX断面进行表征。结果表明,PBX的压缩强度和拉伸强度随HMX粒径的减小而增大,纳米HMX在力学增强方面具有很好的效果。20℃以纳米HMX为基的PBX-nano压缩强度和拉伸强度可分别达到61.3 MPa和5.7 MPa,较以160μm HMX为基的PBX-L可分别提高73.1%和63.5%。添加中性聚合物键合剂后,不同粒径的HMX基PBX压缩力学强度和拉伸力学强度均得到提高,纳米HMX的增强效应尤其显著,PBX-nano-M在20℃和60℃下的拉伸强度分别可达10.4 MPa和5.8 MPa,较PBX-nano可分别提高82.6%和101.4%。当HMX平均粒径从百微米减小至百纳米,炸药件发生界面脱粘/损伤乃至断裂所需的断裂功越大,拉伸力学强度提升幅度越大。

用于氚产生率在线测量的小型背靠背锂玻璃探测器

为了实现强伽马场环境下的造氚率在线测量,研制了小型“背靠背”6Li/7Li玻璃探测器。每块锂玻璃闪烁体的尺寸为3.0 mm×3.0 mm×0.4 mm,闪烁体之间及侧面采用0.5 mm二氧化钛作为反射层,整体尺寸为4.0 mm×4.0 mm×1.3 mm。7Li玻璃探测器测量伽马产生的信号作为6Li玻璃探测器的伽马本底扣除。通过对标准60Co源的伽马射线脉冲幅度谱测量,验证了两个闪烁体对伽马场响应的一致性;在反应堆热中子孔道处和252Cf中子源直照等强伽马环境下测量了脉冲幅度谱,获得的中子伽马信噪比都大于1,表明可以有效扣除伽马本底。验证实验研制的锂玻璃探测器在强伽马场环境下仍能有效甄别伽马,可用于聚变堆和聚变-裂变混合堆实验包层模块内造氚率高精度在线测量。

用于闪光图像消噪的改进BM3D方法

高斯噪声是闪光图像中的主要噪声,将在密度反演等后续处理中被放大,严重影响密度重建及客体边界提取结果,因此,消高斯噪声是闪光图像消噪研究的重点内容。针对闪光照相图像噪声及照相客体轴旋转对称的特点,研究了基于三维块匹配滤波(Block Matching and 3D Filtering,BM3D)的闪光照相图像消噪算法,针对闪光照相图像中难以获得更高质量相似块的缺陷,在不破坏噪声独立性的情况下,通过对含噪退化图像进行旋转与镜像操作,增加了提供相似块的图像来源。同时,通过引入图像块的灰度变换,降低了原有相似性要求中的灰度值要求,提高了形状相似的要求,增加了获得高质量相似块的能力。图像的消噪结果表明,由于相似块的质量得到保证,用于闪光图像消噪的改进BM3D方法取得了更好的消噪效果。

雷电间接效应多重脉冲组电流产生装置的设计

针对雷电间接效应多重脉冲组电流模拟需求,完成了雷电间接效应多重脉冲组模拟源的设计,采用20个Crowbar电路支路,通过分时放电的方式实现1个脉冲串内多脉冲输出需求,每个支路可以实现最小间隔30 ms的重复频率放电,从而实现3个脉冲串的输出需求。对放电支路的参数进行了详细设计,分析了电容、波尾电路电感、波尾电路电阻参数变化对输出特性的影响。分析了采用并联大电容实现放电电容重复频率快速充电的可行性,完成了装置的初步结构设计并结合装置结构简要分析了电路模拟参数设置的合理性。该装置建成后,可为电子、电气设备等开展测试提供技术支持。

神光装置辐照腔体系统电磁脉冲的数值模拟

应用三维MC程序和PIC程序,对神光装置辐照下腔体内系统电磁脉冲(SGEMP)模型进行了耦合模拟。在半高宽为2.9 ns、平均能量为10.3 keV的轫致谱X射线点源辐照下,圆柱腔内电场最大值高达2 MV/m,以轴向电场为主;磁场最大值约为0.8×10^(-3)T,以角向磁场为主,电磁场最大值都集中在发射面附近,以脉冲直流场为主,交流辐射场幅度较小,约在kV/m量级。考察了注量对SGEMP效应的影响,注量越高,电场沿轴向变化越快,交流辐射场占比越大。

Ku波段全腔提取相对论磁控管仿真设计

为了拓展相对论磁控管工作频段,设计了一个Ku波段高效率全腔提取相对论磁控管。该器件采用20腔阳极结构,冷腔模拟结果表明其π模工作频率约为13.5 GHz。结合全腔轴向提取技术,在电压150 kV、电流0.41 kA、工作磁场0.4 T的条件下,PIC仿真得到38 MW的仿真功率,工作频率13.47 GHz;仿真得到的功率转换效率约61.6%。仿真结果表明该器件转换效率高,结构紧凑,具有实现轻小型永磁包装的潜质。

高重复频率猝发多脉冲加载下交联聚苯乙烯真空沿面闪络特性

基于高重复频率强流多脉冲加速器的应用需求,针对交联聚苯乙烯(XLPS)材料在猝发多脉冲下的真空沿面闪络特性开展了实验研究。采用放置于平板电极中的XLPS圆台样品,在脉宽120 ns的单个脉冲和间隔500 ns的三脉冲加载下开展了真空沿面闪络实验,通过对实验平台和实验规范的优化设计,有效提升了实验效率和数据有效性,观测到了样品发生真空沿面闪络前的试样电压顶降现象和前序脉冲闪络对后续脉冲的显著影响,获得了XLPS材料在相应条件下真空沿面闪络的统计数据。在实验基础上,对XLPS材料在高重复频率多脉冲加载下的真空沿面闪络特性进行了分析,为高重复频率多脉冲加速器的绝缘设计提供了实验依据。

FOX-7/HMX混合体系热性能研究

为研究FOX-7及其与HMX混合体系的热性能,采用差示扫描量热仪(DSC)、热常数分析仪等手段,对HMX与FOX-7等质量比共混物、以及具有不同HMX与FOX-7比例的炸药配方的热分解行为、导热性质等开展了研究。结果表明:在FOX-7/HMX混合体系中,HMX与FOX-7的分解放热以及晶型转变吸热过程可相互影响:HMX在247.3℃处已有部分分解,282.5℃出现的放热峰对应于HMX的分解放热峰和FOX-7的第2步分解峰的叠加;而FOX-7的β到γ晶型转变以及HMX的β到δ晶型转变吸热峰相较于单质颗粒,分别延迟了8.5℃、9.5℃。配方中HMX与FOX-7的相对含量决定了两者的分解峰温,这可能与两者热效应的相互影响及粘结剂对炸药颗粒包覆完整度有关:随着配方中HMX含量由25%增加至60%,其熔融吸热峰由276.6℃提前至252.5℃;随着配方中FOX-7含量由25%增加至60%,其第1步分解峰和HMX的熔融分解过程相互影响,导致只出现一个分解放热峰,FOX-7第1步分解反应放热将导致其更早发生熔融分解。FOX-7颗粒的热导率、热扩散系数、比热容都高于HMX。在总含量不变的情况下,随着FOX-7含量的提高、HMX含量的降低,混合炸药配方的热导率、热扩散系数、比热容都随之提高。

基于PFN-Marx技术的紧凑型重频脉冲功率源

针对低磁场相对论磁控管高功率微波器件实验驱动需求,对基于脉冲形成网络(PFN)储能的高功率脉冲产生技术进行了研究。为了使其结构紧凑且具有较好的输出脉冲波形,设计了半环形PFN脉冲形成单元,两个半环形带状PFN与一体化开关、绝缘盘组成圆环形高压脉冲产生模块。PFN脉冲形成单元由13个陶瓷电容与半环形金属电极板构成,多个高压脉冲产生模块同轴层叠,所有开关导通后各模块PFN串联放电,产生快前沿高功率方波脉冲,再通过对触发开关和充电电源的同步控制实现重频工作。采用电磁仿真软件对PFN物理结构进行优化设计,研制的高压脉冲产生模块充电51 kV在负载8.5Ω上输出电压峰值49.6 kV、脉冲半高宽108 ns、脉冲前沿14 ns、平顶(90%~90%) 74 ns,具有较好的方波特性;11个高压脉冲产生模块层叠集成为1个22级紧凑PFN-Marx装置,在充电51 kV的条件下,84Ω负载上获得峰值516 kV的高电压脉冲输出,半高宽104 ns、平顶63 ns、脉冲前沿11 ns,实现了20 Hz连续15 s重频稳定工作,输出波形完全一致。

重复频率微波脉冲大气击穿延时与电离率

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次脉冲击穿延时和后续脉冲击穿延时,研究结果发现首次脉冲击穿延时在脉宽范围内大致均匀分布,后续脉冲击穿延时波动性较小。根据击穿延时数据对电离率进行了分析,指出在重复频率条件下,初始电子密度较高,电子密度分布不适用指数分布,无法用延时数据标准差对电离率进行估计。提出了一种用重复频率脉冲击穿延时数据计算电离率的方法,并将计算结果与仿真结果进行了对比,结果显示,二者有较好的对应关系。

考虑弹头滚转姿态变化影响的防热层厚度优化

基于气动热/结构温度响应耦合计算方法,研究了弹头固定攻角再入条件下锥身典型子午面结构温度响应特性,以及滚转姿态变化时刻对各子午面结构温度响应的影响,建立了考虑弹头滚转姿态变化影响的防热层厚度优化方法,并基于该方法开展了弹头防热层厚度优化。最后,研究了滚转姿态变化次数对优化效果的影响。结果表明:在再入弹道前段进行滚转姿态变化可使外壁面气动加热量更为合理,有效降低弹体锥身壳体内壁面温升。当迎、背风面壳体内壁面最大温升约束为25 K时,与无滚转姿态变化状态下相比,滚转姿态变化设计可使防热层厚度减小0.725 mm,减小幅度为5.4%。通过与滚转姿态变化时刻的联合设计可有效降低锥身防热层厚度。与单次滚转姿态变化时相比,两次滚转姿态变化时防热层厚度减小量仅增大1.9%,增加滚转姿态变化次数对优化效果影响较小。

微波脉冲大气击穿临界场强估计

针对高功率微波在大气传输中可能出现的击穿现象,研究了脉冲序列中首次击穿时的延迟脉冲数,发现其与种子电子、脉冲击穿概率以及微波场强密切相关。研究发现,微波场强可通过作用于种子电子间接影响脉冲击穿概率和延迟脉冲数,由此提出利用延迟脉冲数估计微波击穿临界场强的方法,并定义在脉冲击穿概率大于一定值时的微波临界场强作为击穿阈值。推导了脉冲击穿概率的估计公式,并对估计量的性能进行了分析,随后利用S波段微波大气击穿模拟装置开展了实验验证。实验结果表明,在一定范围内,重复频率微波脉冲击穿延迟脉冲数仅与种子电子产生率和脉宽成反比,能用于估计脉冲击穿概率,进而给出击穿临界场强。

ODS MA754合金传热界面接触热阻实验研究

鉴于ODS MA754合金传热界面的接触热阻参数对全固态堆芯空间反应堆系统的热量导出具有重要影响,研发和设计了高温高压接触热阻实验装置,测量了不同温度(20~800℃)、压力(0~80 MPa)、气体氛围(He、CO_(2))以及试件表面粗糙度(1.6、3.2μm)下ODS MA754合金传热界面的接触热阻,并基于测试获得的宽量程数据点,建立了ODS MA754合金的接触热阻数据库。实验结果表明:随着接触面温度和压力的升高,界面接触热阻降低,且热阻降低的速率逐渐减小;相较于表面粗糙度为1.6μm的试件,粗糙度为3.2μm试件表面的界面接触热阻明显偏大,实验得到的定量关系可为工程样件的加工粗糙度要求提供依据;He气氛下的接触热阻远小于CO_(2)气氛,在0.1 MPa、100℃工况下,He气氛接触热阻约为CO_(2)气氛接触热阻的1/4。该研究结果可为空间反应堆的热工设计提供数据参考。