高功率单孔柱-孔汇聚结构的电流损失实验研究
2019-08-22吴撼宇曾正中邱孟通张金海
吴撼宇,曾正中,邱孟通,张金海
(强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室,710024,西安)
脉冲功率技术发展的重要方向之一是研制大型脉冲功率装置,以开展高能物理[1]、聚变能源技术[2-3]、激波物理[4]和等熵压缩[5]等研究。柱-孔汇聚结构(PHC)普遍应用于大型脉冲功率驱动源以传输和汇聚高功率电脉冲,比如Z装置[6-7]和“聚龙一号”装置[8],同时也应用到下一代大型脉冲功率驱动源的概念设计中[9-10]。
Z装置在PHC附近存在明显的电流损失[11-12],即当堆栈电流达到22 MA时,PHC附近电流损失的峰值达到4 MA,损失比例达到18%;“聚龙一号”装置上的PHC有大约300 kA的电子流损失[8]。这说明在大型脉冲功率装置的实验和研制中,PHC处的电流损失现象不可回避,而且可能成为下一代大型脉冲功率装置研制的技术瓶颈。
本文基于西北核技术研究所的“强光一号”装置的参数特点,设计了单孔PHC,以开展大电流密度条件下的电流损失实验研究。实验结果可帮助研究人员理解PHC附近电流损失的物理机制,掌握电流损失的规律,为大型脉冲功率装置的设计提供技术支撑。
1 单孔PHC的设计
1.1 单孔PHC的结构
在PHC中,输入电流的面密度与磁绝缘传输线的传输特性相关[13-15]。PHC作为磁绝缘传输线中的一段异型结构,传输特性受到输入电流面密度的影响,因此PHC的设计中,电流面密度是一个重点考量的参数。“强光一号”加速器是一台多用途辐射模拟实验平台,可以开展大量的Z-箍缩等离子体实验和电子器件的辐射效应研究[16-19]。当负载为短路状态时,真空传输线上工作电压峰值约为1 MV,电流峰值约为1.5 MA,电流上升前沿约为100 ns。基于“强光一号”装置的参数,设计一个接近Z装置电流密度的PHC是一项有相当技术难度且有趣的工作。
图1展示的是用于实验的单孔PHC的实体示意图。单孔PHC连接着负载和三板传输线,负责将三板传输线传输的高功率脉冲汇聚传输至负载,传输线边缘采用开放的结构以便后期的光学测量。
(a)侧视图
(b)俯视图图1 单孔PHC及三板传输线实体示意图
在设计过程中,为了在PHC附近获得较大的电流密度,PHC的宽度应缩短。同时,为确保三板传输线和“强光一号”装置的连接过渡尽量合理、平缓,根据装置连接处的结构来确定三板传输线阴极连接处的宽度。为尽力降低阴极板的边缘效应,阴极板边缘需要加工成圆弧状,阳极板的长应大于三角平板阴极的宽。最终,确定三板传输线阴极的几何形状为三角平板阴极,底宽为200 mm。PHC附近阴极板宽度最短约为18 mm、厚度为16 mm。阳极分为上、下阳极板,长为350 mm,上阳极板宽为250 mm,下阳极板宽为150 mm。三板传输线阴、阳极间距为10 mm。
图1中,阳极柱穿过阴极孔,将上、下阳极板连接起来,阴极孔直径和孔型可根据实验需要进行调整,阳极柱和阴极孔直径分别为8 mm和30 mm,负载和阴极孔的中心距离为54 mm。短路负载是一个直径为20 mm的铜杆。
鉴于该结构的特点,越靠近负载,阴极表面的电流密度就越高。另外,由于常见的PHC[6-8]都呈现角对称分布特点,因此针对单孔PHC的实验研究有助于对PHC运行特点的理解。
阴极边缘效应导致曲率大的阴极边缘电子发射较强,但是由于阴极边缘发射面积很小,因此宏观上因边缘效应导致的电子流损失很小,可以忽略不计[20]。
1.2 单孔PHC的三维电磁场仿真
利用3D电磁场仿真计算,可大致获得图1所示三板传输线的电感和单孔PHC附近的电流面密度。在仿真计算模型中,设置理想驱动电压波形为前、后沿皆为96 ns、峰值为1 MV、脉宽为100 ns的梯形高压脉冲信号。仿真过程中,不考虑阴极电子发射等因素。仿真结果显示,流经三板传输线的电流峰值为2.08 MA,前沿为196.5 ns,电流随时间变化率峰值为2.06×1013A/s,因此可估算三板传输线(含负载、PHC)整体电感约为48.5 nH。
将三板传输线整体等效为48.5 nH的电感,代入“强光一号”装置的电路模型[21],可获得三板传输线理想的运行电压信号。在电磁场仿真模型中,继续利用该电压信号,可获得三板传输线电流分布的理想情况,以此可对单孔PHC的传输和汇聚作用有一个定性的了解。图2展示了三板传输线的驱动电压和电流信号,驱动电压的峰值约为1 MV,流经三板传输线的电流峰值为1.2 MA。根据仿真结果,可获得柱-孔附近阴极面电流密度超过6×105A/cm。
图2 仿真模型计算得到的电压和电流波形
根据层流理论[22-24],传输线达到磁绝缘状态的最小电流为
(1)
式中:Iα为阿尔芬电流,8 500 A;g为传输线形状因子[22];γ0为相对论因子,γ0和γL的关系如下式
(2)
根据传输线几何结构以及仿真电压和电流,可以获得g最大值约为3.18,γ0最大值约为2。
根据等式(1)(2),可估算单孔PHC和三板传输线达到磁绝缘状态时最小电流约为70 kA。由图2可知,“强光一号”加速器的输出电压和电流完全可以保证单孔PHC和三板传输线达到磁绝缘状态。
2 实验结果
当前,仅对两种单孔PHC展开了实验研究。用于实验的三板传输线整体选用不锈钢材料,仅负载采用金属铜。第一种单孔PHC的阴极孔是常见的圆孔;第二种单孔PHC的阴极孔是异型的水滴形孔。图3展示了水滴形孔的几何结构示意图,其中水滴形孔两端为半径不同的圆弧,较小的圆弧直径为15 mm,较大圆弧直径为30 mm,两圆弧的圆心距离d为20 mm,阳极柱位于大圆弧圆心。电流测量采用B-dot探针,其系数的相对标准偏差约为1%。
图3 水滴形孔阴极的结构示意图
图4展示了本轮实验的典型电流波形。在电流峰值前,PHC上游和下游电流波形一致性较好,仅在电流峰值处有些微差别。单孔PHC上、下游电路波形在电流峰值之后出现明显的差别,这主要是B-dot探针采集的是电流微分信号,不可避免地会同时采集到一些干扰信号,从而引起电流波形后沿的变化。因此,在分析电流波形时,主要分析电流峰值及其前沿信号携带的信息。
(a)实验编号为Shot18124
(b)实验编号为Shot18132图4 典型的单孔PHC上、下游电流波形
图4a展示的是实验编号为Shot18124的电流波形,阳极柱直径为8 mm,阴极孔直径为30 mm,上游电流的峰值约为1.25 MA,电流峰值处电流损失约为19 kA,损失比率为1.5%,上、下游电流波形前沿出现显著差别的时刻大约在峰值后70 ns。由此可以认为该几何参数的单孔PHC可以较好地传输高功率电脉冲。
图4b展示的是实验编号为Shot18132的电流波形,阳极柱直径为8 mm,阴极孔直径为15 mm,上游电流的峰值约为1.04 MA,电流峰值处电流损失约为179 kA,损失比率为17.2%。该结构的单孔PHC存在显著的电流损失,不能很好地传输高功率电脉冲。
表1列出了其他实验数据,除Shot18126之外,其余实验用PHC的阴极孔型皆为普通圆形,其中l为阳极柱表面与阴极孔圆弧边缘之间的距离。当阴极孔为圆孔时,l即为阴极孔与阳极柱表面之间的距离;当阴极孔为水滴形孔时,l即为阳极柱表面与小圆弧之间的距离(如图3所示)。表1实验数据表明,阴极孔直径、阳极柱直径对电流损失都有影响。当阴极孔直径足够大时,PHC损失电流几乎可以忽略不计,阴极孔为水滴形的PHC的电流损失几乎为0(实验编号为Shot18126)。
需注意的是,l位于负载和阳极柱的中心连线上,是阴极孔圆弧和阳极柱表面之间的距离,如图3所示。相比其他参数,l与损失电流IL之间的关系更为紧密。比如,编号为Shot18124和Shot18126的实验结果,由于阴极孔型不同,Shot18126中参数l较大,此时电流几乎无损失,而Shot18124仍有较明显的电流损失。可见光图像诊断结果也表明,如图5所示(图中离散的白点为干扰信号),主要放电通道存在于参数l所示的位置(见见图3),因此参数l可表征等离子体放电通道长度。
表1 不同几何参数单孔PHC的实验数据
注:Shot18126的阴极孔形为水滴形,其他阴极孔均为圆形。
图5 PHC放电通道可见光图像(实验编号为Shot18132)
理论上,l越长阴极孔边缘的电场强度越低,放电通道的等效阻抗越大,间隙闭合时间越长。因此,在阴极孔直径满足绝缘要求的基础上,增大l会进一步提高单孔PHC的传输效率,所以水滴形阴极孔PHC的传输效率要优于常见圆形阴极孔PHC。图7展示了单孔PHC相对损失电流与l/DMITL的关系,其中定义DMITL为三板传输线的阴阳极间隙距离,为10 mm。图6表明,当l约为DMITL的一半时,单孔PHC的电流损失可忽略;当l超过DMITL时,单孔PHC几乎无电流损失。
图6 相对损失电流与的关系
3 结 论
本文在“强光一号”加速器上开展的单孔PHC电流传输特性实验,同时设计的单孔PHC能确保电流面密度达到6×105A/cm以上,以便研究大电流面密度条件下单孔PHC的电流传输特性。
实验结果表明,不同结构的单孔PHC具有不同的电流传输效率。阴极孔直径越大,电流传输效率越高。阴极孔圆弧和阳极柱表面之间的距离l位于负载和阳极柱的中心连线上,如图3所示,能更明显地影响单孔PHC的电流传输效率。这意味对于阴极孔和阳极柱直径的某种组合,如果仅增加距离l,就能提升单孔PHC的传输效率(比如Shot18124和Shot18126)。更进一步,当l大于上游传输线阴阳极板间隙距离DMITL的60%时,单孔PHC即可较高效地传输脉冲大电流;l大于DMITL时,单孔PHC将不存在电流损失。实验结果表明,在相同条件下,水滴形异型阴极孔的单孔PHC的传输效率优于常见的圆形孔单孔PHC。
单孔PHC的电流传输实验数据、内容偏少,仅能获得其电流传输特性部分定性的分析结果,但是建立起来的实验平台以及测量方法为下一步实验研究提供了基础。未来,将增加光学测量手段,丰富单孔PHC电流传输实验的数据,更进一步分析掌握单孔PHC电流传输特性。