超高功率电脉冲传输研究进展当前位置:首页 > 科学技术 > 研究进展

超高功率电脉冲传输研究进展

文章来源:《强激光与粒子束》编辑部   时间:2019-09-11 访问数:

 共1页  1 


在磁驱动材料动态特性、Z箍缩惯性约束聚变和其他电磁驱动高能量密度物理实验研究中,需要将上升前沿数十至数百纳秒(ns)、峰值电流兆安培至数十兆安培(MA)、峰值功率数十至百太瓦(TW)的超高功率电脉冲,加载到尺度为厘米甚至亚厘米的物理负载(见图1)。在上述条件下,脉冲传输系统所需传输的功率密度达到TW/cm2量级,磁绝缘传输线(MITL)电极的电流密度数将达到MA/cm量级,电极表面磁场达到兆高斯(100 T)量级。

超高功率电脉冲传输研究进展

超高功率条件下电脉冲的有效传输,是高功率脉冲传输系统设计的关键,也是物理负载获得大电流脉冲,进而产生极端高压、高温、强辐射等高能量密度物理条件的重要前提。超高功率电脉冲传输,涉及爆炸电子发射、真空磁绝缘、磁扩散、电极等离子体产生、电极间隙闭合等一系列过程,与实验负载的类型和阻抗历史强关联,并受电脉冲参数、电极材料及工艺的影响。近年来,在相关任务的牵引下下,本单位持续开展超高功率电脉冲传输的研究,尤其是在“聚龙一号”装置建成后,探索性的开展了系列工作,取得积极进展。

1  高电流密度条件下电极能量沉积机理研究

在快脉冲加载下,由于趋肤效应,电流分布在金属表面有限的厚度内。以常见的不锈钢材料为例,当电流脉冲的四分之一周期为100 ns时,室温下电流的趋附深度约为0.7 mm。在电流脉冲传输过程中,由于金属的电阻率会因导体受热而增大,因此电流的趋肤深度也会随之增大,电流和磁场的分布深度随时间增大,这一过程称为导体磁扩散(见图2)。在脉冲大电流情况下,由于电阻率增长随温度升高成非线性变化,因此磁扩散过程也称为非线性磁扩散。在脉冲持续的时间尺度内,非线性磁扩散过程导致电磁能量在导体上快速沉积,使电极材料发生固态-液态-气态-等离子体的物态变化。

超高功率电脉冲传输研究进展

为深入理解高电流密度下磁场非线性扩散过程和导体能量沉积的规律,基于一维磁流体力学程序MC11D,开展了数值模拟研究。MC11D程序的基本方程包括质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和磁扩散方程,为了构成完备的磁流体力学方程组,引入了材料状态方程和电导率方程。

(1) 程序的校验

MC11D程序完成后,从文献中选取了Sandia实验室ALEGRA程序的二维算例结果进行对比计算,对不同时刻导体内部的温度分布、质量密度分布和电流分布等主要物理量分别进行比较。对比表面,MC11D程序与ALEGRA程序的结果总体吻合较好,在考虑了状态方程数据差异的因素后,可认为各物理量的变化趋势、绝对量获得较好的一致性,MC11D程序的计算结果具有较高置信度。

(2) 电流上升时间对能量沉积过程的影响

分析认为,沉积至导体的总能量WTWT1WT2两部分组成,其中WT1表示渗透进入导体的电磁能,WT2表示外部电磁场做功而使导体增加的能量。WT1转化为两部分,一部分为导体的焦耳热WJ,另一部分为磁场能WMWT2也可以分为两部分,一部分为导体获得的动能Wk,另一部分为冲击压力做功导致的内能增加Wp

建立了图3(a)所示的计算的模型:半径为0.8 cm的柱形导体,脉冲电流沿Z向流过,线电流密度峰值为10 MA/cm,电流上升时间为tr。由于电流趋附深度远小于半径,因此可以做一维近似处理,可采用一维磁流体力学程序MC11D进行计算。对电流上升时间50~300 ns的情形,计算比较了电流上升时间对能量沉积过程的影响。

结果表明,在峰值电流密度一定情况下,沉积至导体的总能量WT随着电流上升时间的增大而增大[3(a)]。在较短的电流前沿时,WT1在总能量WT中占据主要部分,随着电流上升时间的增加,WT1WT2对总能量沉积WT的贡献逐渐趋近。进一步分析可知,在WT1中,磁场能WM大于焦耳热WJ,在WT2中,动能Wk大于冲击压力做功Wp。从计算结果可知,从减小导体能量沉积的角度,采用高电导率材料,减小磁场向导体内部渗透,或缩短电流上升前沿是有益的。

超高功率电脉冲传输研究进展

2  高线电流密度下不锈钢电极表面等离子的形成与发展

基于聚龙一号装置,开展了电流密度数MA/cm条件下的脉冲传输实验,研究了在电流产生的超强脉冲磁场作用下电极表面等离子体的形成与发展过程。针对不锈钢电极,设计了图4所示实验。直径为3 mm的不锈钢金属杆一端连接至负载区中心阴极,另一端短路连接至阳极,四根直径同样为3 mm的回流柱使电流回流至装置阳极。

为获得电极表面运动的信息,引入基于任意反射面的位移干涉测量系统(DISAR),对电流早期导体表面膨胀的速度历程进行测量,引入四分幅激光阴影成像系统,用于电流后期等离子体形成后演变发展过程的成像。DISAR系统适用于电极表面能有效反射入射光的情形,对应于早期电极表面尚未形成较大起伏的阶段。而激光阴影成像,分辨率一般大于10 mm,更适用于电流脉冲后期电极表面等离子体形成较大起伏、不稳定性发展已较为充分的时段。本实验采用的四分幅激光阴影像系统,幅间隔为6 ns,在一发实验中可覆盖18 ns时长,单幅曝光时间200 ps。上述两种诊断方法在诊断时间上形成互补,可获得电流加载过程不同阶段电极表面的运动信息。在相同的实验条件下,连续开展了5发实验,每发实验改变激光阴影成像时刻,从而获得一序列连续的激光阴影图像。

超高功率电脉冲传输研究进展

5给出了实验典型的电流波形和其中3发实验测量得到电极表面速度曲线,这是首次采用直接测量的方式得到高电流密度下电极载流面的速度历程。电流波形表明,上游流入金属杆的电流峰值约为8.0 MA,并在t=2 050 ns(对应电流为5.9 MA、线电流密度6.3 MA/cm)以前,下游流出金属杆的电流与上游重合,说明在此之前,金属细杆区域无显著的电流损失。在t=2 050 ns以后,细杆的上下游电流开始分叉,说明传输性能开始发生变化。通过分析DISAR测量得到的速度曲线,可以看出,在2 050 ns以后速度信号丢失。通过激光阴影图像(6)可以看出,在2 050 ns以后,不稳定性已经开始发展,电极表面出现了显著的起伏,这可能是导致入射光不能再有效反射回到探头造成速度信号丢失的原因。

超高功率电脉冲传输研究进展

通过上述实验结果,并与MC11D的一维计算结合分析,我们认为高电流密度加载下,电极表面的演化分为三个阶段。早期(1960 ns)的准线性磁扩散阶段:此阶段导体电阻率随温度近似线性增长,电极表面缓慢加热,无显著的膨胀,速度不明显;中期(1960 ~2000 ns)的过渡阶段:此阶段非线性磁扩散变得显著,电极表面快速加热膨胀,DISAR速度信号出现,在此阶段的末期,电极表面气化电离形成等离子体;后期(2000 ns)的磁流体不稳定性主导阶段:此阶段等离子体的磁瑞利泰勒(MRT)不稳性发展占据主导,电极表面起伏快速增长,DISAR的速度信号丢失。进一步分析表明,对于不锈钢电极,形成电极表面等离子体对应的阈值磁场约为330 T

超高功率电脉冲传输研究进展

3  复杂结构转换下MITL的电流传输

针对未来更高功率驱动器中的电流脉冲传输问题,开展了同轴-圆盘锥这一特殊结构转换下MITL的电流传输效率研究。基于“聚龙一号”装置结构,设计了同轴-圆盘锥转换的MITL结构,开展了功率传输过程的三维瞬态场、三维PIC数值模拟和实验验证,获得该异型结构在不同电流上升时间、不同负载条件下的电流传输特性。

7给出了同轴-圆盘锥转换结构的三维示意图,该负载连接于“聚龙一号”内磁绝缘线区域。四条同轴MITL底端连接至装置内MITL阴极,然后逐步过渡至三平板电极,再连接至双层圆盘锥结构,双层锥的末端可以短路连接,也可以设置小间隙模拟开路负载。

超高功率电脉冲传输研究进展

开展了圆盘锥末端短路和开路下转换结构电流传输效率实验,获得了实验结果(见图8)。当圆盘锥末端短路时,此时获得结构的输入电流为7.05 MA,输出6.92 MA,电流上升时间约260 ns,电流传输效率约98%,此时上下两层圆盘电流近似相等[8(b)];当在圆盘锥末端阴阳极之间设置3.5 mm的间隙时,末端负载起始状态为开路状态,随着MITL及二极管区电子的发射,开路负载很快转变为短路负载,此状态下,结构的输入电流为7.14 MA,输出为6.15 MA,传输效率86%,上下层锥阻抗不平衡导致电流分配不均,上层2.81 MA,下层3.34 MA[8(a)]

超高功率电脉冲传输研究进展

实验结果表明,负载阻抗特性对结构转换区的电流传输效率有显著影响。相对于短路情形,在负载开路情况下,MITL的工作电压高20%以上,电压升高使得空间电子流增加,转换区电流损失也显著增大,结构转换前后的电流传输效率降低。控制MITL工作电压,减小电子电流份额,有利于提高MITL电流传输效率。

4  超高功率脉冲系统的全电路计算方法

超高功率脉冲系统包含大电流开关、磁绝缘传输线、动态负载等非线性元件,它们的等效电参数随时间快速变化,采用Pspice等商业程序往往无法直接进行模拟,而且二次开发也非常受限。其次,Pspice等基于结点法求解的算法,每个时间步均要做收敛判断,对于包含大量非线性器件及过程的电路,迭代次数多、收敛速度慢甚至不收敛,这使得对超高功率脉冲系统全电路计算的效率和置信度大大降低。

随着“聚龙一号”装置的建成,为了更准确、更高效地进行实验设计和结果预测,迫切需要建立一种针对全系统的数值计算工具。尤其是针对磁驱动准等熵压缩等需要调制电流波形的实验,通过计算确定获得所需电流波形的整形方案至关重要。针对上述需求,开展了基于传输线方法的全电路计算方法研究,在传输线电路算法中引入了高功率开关、磁绝缘传输线和动态负载等非线性器件模型,建立了从储能到负载全过程的电路计算方法,克服了商用程序难以对非线性器件建模、计算速度慢、运算不收敛等不足。

结合“聚龙一号”装置,开发了全电路分析模拟工具FAST (Full-circuit Analysis and Simulation Tool)程序,建立了包含全部24路模块所有单元器件的全电路拓扑(见图9),纳入开关、磁绝缘线、动态负载等非线性元件的物理模型,针对磁驱动准等熵压缩加载实验,提出了负载的等效电路模型,建立了根据目标电流波形确定开关触发时序的方法,使实验设计效率得到显著提高。结果表明,实验所得电流波形与预期波形在上升段吻合程度优于5%(见图10),使实验加载路径的可控性显著提高。

超高功率电脉冲传输研究进展

延伸阅读