聚龙一号 我国高功率脉冲技术新的里程碑

□ 姜 洋 邹文康



聚龙一号 我国高功率脉冲技术新的里程碑

□ 姜 洋 邹文康

伴随低沉的闷响和大地的震动，实验大厅中迸射出上百道闪电般的紫色光芒——24路强大的电能分别沿12个方向，从5000立方米的空间压缩汇聚于仅几立方厘米的中心靶区，将100秒内存储的数百万焦耳电能在亿分之一秒内辐射出来，产生能量数十万焦耳、功率数十万亿瓦（瞬时功率数倍于全球电网功率）的软X射线！

这就是中国工程物理研究院（以下简称中物院）流体物理研究所自主研发的、达世界一流水平的超高功率脉冲强流加速器——聚龙一号（英文简称PTS）装置实验时的场景。

聚龙一号装置的建成，使我国成为世界上极少数独立掌握数十万亿瓦级超高功率脉冲加速器设计和建造技术的国家，是我国高功率脉冲技术发展新的里程碑！

高功率脉冲技术的本质是将能量在时间和空间尺度上进行压缩，以获得在极短时间内（通常为数十纳秒）的超高峰值功率输出，是能够满足尖端科研需要的一门科学技术。科学界普遍认为，这种方式能很好地模拟高能量密度状态和特殊的流体动力学运动；以Z箍缩（Z-Pinch）为代表的电磁驱动等离子内爆适合于大尺度黑腔物理实验研究，能为惯性约束聚变研究提供一种成本相对低廉的实验研究手段，一旦实验构形创新或不稳定问题得到突破，其在聚变研究方面的潜力即可展现。这方面的实验研究已受到美、俄等国的高度重视。另一方面，在流体力学与物态方程研究中，固体套筒内爆、磁驱动等熵压缩及高速飞片等实验技术日益显示出独特的、不可替代的作用，成为高功率脉冲技术对基础科学和前沿问题研究的重要贡献。

鉴于高能量密度物理及实验室聚变点火研究的重大意义，20世纪末，中物院制定了适合中国国情的电磁驱动高能量密度物理研究发展计划，其中关键的第一步，就是研制Z箍缩初级实验平台，即聚龙一号。装置的技术指标确定为输出电流八百万至一千万安培，电流脉冲上升时间小于千万分之一秒，功率超过20万亿瓦。

在当时国内薄弱的技术基础上，研制聚龙一号装置这样的高电压、大电流、多路并联汇聚的大型脉冲功率装置，是一个巨大的挑战。中物院流体物理研究所研制团队综合考虑维护、诊断等的便捷性，以及满足不同实验需要和先进性等方面的因素，最终确定了基于电容储能＋闭合开关脉冲形成＋水线传输＋MITL这一独特的技术路线；提出了分立脉冲形成装置产生24路、每路太瓦级功率脉冲的设计，采用多个球—板间隙结构自击穿开关实现电流从同轴脉冲形成线到三平板传输线的传输转换，以及两路垂直三平板传输线错时叠加至绝缘堆和真空磁绝缘传输线实现24路超高功率脉冲汇流，形成了有特色的聚龙一号总体设计方案。

在总体设计方案中，同步触发方案是其“灵魂”之所在。由于电流巨大，聚龙一号装置需由24路超高功率脉冲功率装置并联而成，每一路能量的释放由一个超高功率激光触发开关控制。为保证开关动作的一致性，激光实际出光时间与设定值的误差不能超过两亿分之一秒。如果将从电容器充电开始到最后能量释放完成的时间（约100秒）放大展宽至一千年，那么上述时间误差仅相当于1.5秒，其技术难度可想而知。为了实现这一技术指标，必须设计出完善的激光触发开关同步触发方案。

当时，美国Z装置是采用一台能量很大的激光器，分为36路激光去触发36个开关。如果直接借鉴美国的经验，技术风险会降低很多，但是该方案对激光器能量要求高，光路极其复杂，难于调节。

项目负责人邓建军研究员、脉冲功率研究室主任谢卫平研究员带领团队结合装置研制特点，提出了采用12台激光器、每台激光器触发两个开关的创新技术方案，这样既能保证24个超高功率开关触发的同步性，又能实现开关的分时控制，触发光路也极为简化；同时具备维护和运行效率高的优越性。

由于当时国际上尚无先例可循，这方案甫一提出，受到了国内部分相关专家的质疑。在激光触发方案专题论证咨询会上，部分国内从事激光器研究的权威专家认为，国内尚无满足要求的激光器，而且按照这种激光器的常规控制方式和水平，出光时间要达到所需的精度几乎是不现实的。

面对诸多质疑，项目组在开展了大量关键技术攻关的基础上，进一步对方案和验证性样机相关实验数据进行了充分的分析和细致论证，证实了该方案可行性，并最终取得了成功。在随后2006年的首届亚欧脉冲功率会议上，聚龙一号团队交流了激光开关的技术方案，引起了美方的高度重视。2007年，美国圣地亚实验室Z装置升级完成，其激光开关的触发方案也改为由36台小激光器触发，旁证了这一方案的先进性。

历经十余载坎坷征程，团队攻克了多项世界级难题，终获成功！2013年10月10日，聚龙一号顺利通过了由国内知名同行专家组成的鉴定委员会的成果鉴定：“该项目提出了有特色的超高功率多路汇流装置的总体设计方案，突破了多路太瓦量级电脉冲的纳秒级精确时间控制、超高功率脉冲的产生和传输与汇聚等关键技术，自主研制成功国内首台多路并联超高功率脉冲装置，是我国高功率脉冲技术发展中的一个里程碑。”

2014年6月，在美国华盛顿举行的第41届国际等离子体科学会议暨第20届国际高功率离子束学术会议上，邓建军应邀做了题为“Overview of pulsed power researches at CAEP（中物院脉冲功率技术研究概述）”的大会报告，引起了国际上的极大关注和高度赞誉，美、俄、法等国的参会专家纷纷表达了想与我国合作开展研究的意愿。

截止到2015年12月，聚龙一号已经经过190余次实验的历练。结果表明，聚龙一号装置不仅能产生瞬间功率高达数十万亿瓦、温度数百万度的X 射线辐射，还可以产生高达数百万大气压的加载压力，同时利用该装置取得了一批具有国际先进水平的Z箍缩物理实验结果。

十几年的研制历程，研究团队通过独具匠心的设计和细致周密的探索攻关，终使聚龙一号这条汇聚了智慧的“巨龙”横空出世。

（作者单位为中物院一所）