高功率單孔柱-孔匯聚結構的電流損失實驗研究

吳撼宇,曾正中,邱孟通,張金海

(強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室,710024,西安)

脈沖功率技術發展的重要方向之一是研制大型脈沖功率裝置,以開展高能物理[1]、聚變能源技術[2-3]、激波物理[4]和等熵壓縮[5]等研究。柱-孔匯聚結構(PHC)普遍應用于大型脈沖功率驅動源以傳輸和匯聚高功率電脈沖,比如Z裝置[6-7]和“聚龍一號”裝置[8],同時也應用到下一代大型脈沖功率驅動源的概念設計中[9-10]。

Z裝置在PHC附近存在明顯的電流損失[11-12],即當堆棧電流達到22 MA時,PHC附近電流損失的峰值達到4 MA,損失比例達到18%;“聚龍一號”裝置上的PHC有大約300 kA的電子流損失[8]。這說明在大型脈沖功率裝置的實驗和研制中,PHC處的電流損失現象不可回避,而且可能成為下一代大型脈沖功率裝置研制的技術瓶頸。

本文基于西北核技術研究所的“強光一號”裝置的參數特點,設計了單孔PHC,以開展大電流密度條件下的電流損失實驗研究。實驗結果可幫助研究人員理解PHC附近電流損失的物理機制,掌握電流損失的規律,為大型脈沖功率裝置的設計提供技術支撐。

1 單孔PHC的設計

1.1 單孔PHC的結構

在PHC中,輸入電流的面密度與磁絕緣傳輸線的傳輸特性相關[13-15]。PHC作為磁絕緣傳輸線中的一段異型結構,傳輸特性受到輸入電流面密度的影響,因此PHC的設計中,電流面密度是一個重點考量的參數。“強光一號”加速器是一臺多用途輻射模擬實驗平臺,可以開展大量的Z-箍縮等離子體實驗和電子器件的輻射效應研究[16-19]。當負載為短路狀態時,真空傳輸線上工作電壓峰值約為1 MV,電流峰值約為1.5 MA,電流上升前沿約為100 ns。基于“強光一號”裝置的參數,設計一個接近Z裝置電流密度的PHC是一項有相當技術難度且有趣的工作。

圖1展示的是用于實驗的單孔PHC的實體示意圖。單孔PHC連接著負載和三板傳輸線,負責將三板傳輸線傳輸的高功率脈沖匯聚傳輸至負載,傳輸線邊緣采用開放的結構以便后期的光學測量。

(a)側視圖

(b)俯視圖圖1 單孔PHC及三板傳輸線實體示意圖

在設計過程中,為了在PHC附近獲得較大的電流密度,PHC的寬度應縮短。同時,為確保三板傳輸線和“強光一號”裝置的連接過渡盡量合理、平緩,根據裝置連接處的結構來確定三板傳輸線陰極連接處的寬度。為盡力降低陰極板的邊緣效應,陰極板邊緣需要加工成圓弧狀,陽極板的長應大于三角平板陰極的寬。最終,確定三板傳輸線陰極的幾何形狀為三角平板陰極,底寬為200 mm。PHC附近陰極板寬度最短約為18 mm、厚度為16 mm。陽極分為上、下陽極板,長為350 mm,上陽極板寬為250 mm,下陽極板寬為150 mm。三板傳輸線陰、陽極間距為10 mm。

圖1中,陽極柱穿過陰極孔,將上、下陽極板連接起來,陰極孔直徑和孔型可根據實驗需要進行調整,陽極柱和陰極孔直徑分別為8 mm和30 mm,負載和陰極孔的中心距離為54 mm。短路負載是一個直徑為20 mm的銅桿。

鑒于該結構的特點,越靠近負載,陰極表面的電流密度就越高。另外,由于常見的PHC[6-8]都呈現角對稱分布特點,因此針對單孔PHC的實驗研究有助于對PHC運行特點的理解。

陰極邊緣效應導致曲率大的陰極邊緣電子發射較強,但是由于陰極邊緣發射面積很小,因此宏觀上因邊緣效應導致的電子流損失很小,可以忽略不計[20]。

1.2 單孔PHC的三維電磁場仿真

利用3D電磁場仿真計算,可大致獲得圖1所示三板傳輸線的電感和單孔PHC附近的電流面密度。在仿真計算模型中,設置理想驅動電壓波形為前、后沿皆為96 ns、峰值為1 MV、脈寬為100 ns的梯形高壓脈沖信號。仿真過程中,不考慮陰極電子發射等因素。仿真結果顯示,流經三板傳輸線的電流峰值為2.08 MA,前沿為196.5 ns,電流隨時間變化率峰值為2.06×1013A/s,因此可估算三板傳輸線(含負載、PHC)整體電感約為48.5 nH。

將三板傳輸線整體等效為48.5 nH的電感,代入“強光一號”裝置的電路模型[21],可獲得三板傳輸線理想的運行電壓信號。在電磁場仿真模型中,繼續利用該電壓信號,可獲得三板傳輸線電流分布的理想情況,以此可對單孔PHC的傳輸和匯聚作用有一個定性的了解。圖2展示了三板傳輸線的驅動電壓和電流信號,驅動電壓的峰值約為1 MV,流經三板傳輸線的電流峰值為1.2 MA。根據仿真結果,可獲得柱-孔附近陰極面電流密度超過6×105A/cm。

圖2 仿真模型計算得到的電壓和電流波形

根據層流理論[22-24],傳輸線達到磁絕緣狀態的最小電流為

(1)

式中:Iα為阿爾芬電流,8 500 A;g為傳輸線形狀因子[22];γ0為相對論因子,γ0和γL的關系如下式

(2)

根據傳輸線幾何結構以及仿真電壓和電流,可以獲得g最大值約為3.18,γ0最大值約為2。

根據等式(1)(2),可估算單孔PHC和三板傳輸線達到磁絕緣狀態時最小電流約為70 kA。由圖2可知,“強光一號”加速器的輸出電壓和電流完全可以保證單孔PHC和三板傳輸線達到磁絕緣狀態。

2 實驗結果

當前,僅對兩種單孔PHC展開了實驗研究。用于實驗的三板傳輸線整體選用不銹鋼材料,僅負載采用金屬銅。第一種單孔PHC的陰極孔是常見的圓孔;第二種單孔PHC的陰極孔是異型的水滴形孔。圖3展示了水滴形孔的幾何結構示意圖,其中水滴形孔兩端為半徑不同的圓弧,較小的圓弧直徑為15 mm,較大圓弧直徑為30 mm,兩圓弧的圓心距離d為20 mm,陽極柱位于大圓弧圓心。電流測量采用B-dot探針,其系數的相對標準偏差約為1%。

圖3 水滴形孔陰極的結構示意圖

圖4展示了本輪實驗的典型電流波形。在電流峰值前,PHC上游和下游電流波形一致性較好,僅在電流峰值處有些微差別。單孔PHC上、下游電路波形在電流峰值之后出現明顯的差別,這主要是B-dot探針采集的是電流微分信號,不可避免地會同時采集到一些干擾信號,從而引起電流波形后沿的變化。因此,在分析電流波形時,主要分析電流峰值及其前沿信號攜帶的信息。

(a)實驗編號為Shot18124

(b)實驗編號為Shot18132圖4 典型的單孔PHC上、下游電流波形

圖4a展示的是實驗編號為Shot18124的電流波形,陽極柱直徑為8 mm,陰極孔直徑為30 mm,上游電流的峰值約為1.25 MA,電流峰值處電流損失約為19 kA,損失比率為1.5%,上、下游電流波形前沿出現顯著差別的時刻大約在峰值后70 ns。由此可以認為該幾何參數的單孔PHC可以較好地傳輸高功率電脈沖。

圖4b展示的是實驗編號為Shot18132的電流波形,陽極柱直徑為8 mm,陰極孔直徑為15 mm,上游電流的峰值約為1.04 MA,電流峰值處電流損失約為179 kA,損失比率為17.2%。該結構的單孔PHC存在顯著的電流損失,不能很好地傳輸高功率電脈沖。

表1列出了其他實驗數據,除Shot18126之外,其余實驗用PHC的陰極孔型皆為普通圓形,其中l為陽極柱表面與陰極孔圓弧邊緣之間的距離。當陰極孔為圓孔時,l即為陰極孔與陽極柱表面之間的距離;當陰極孔為水滴形孔時,l即為陽極柱表面與小圓弧之間的距離(如圖3所示)。表1實驗數據表明,陰極孔直徑、陽極柱直徑對電流損失都有影響。當陰極孔直徑足夠大時,PHC損失電流幾乎可以忽略不計,陰極孔為水滴形的PHC的電流損失幾乎為0(實驗編號為Shot18126)。

需注意的是,l位于負載和陽極柱的中心連線上,是陰極孔圓弧和陽極柱表面之間的距離,如圖3所示。相比其他參數,l與損失電流IL之間的關系更為緊密。比如,編號為Shot18124和Shot18126的實驗結果,由于陰極孔型不同,Shot18126中參數l較大,此時電流幾乎無損失,而Shot18124仍有較明顯的電流損失。可見光圖像診斷結果也表明,如圖5所示(圖中離散的白點為干擾信號),主要放電通道存在于參數l所示的位置(見見圖3),因此參數l可表征等離子體放電通道長度。

表1 不同幾何參數單孔PHC的實驗數據

注:Shot18126的陰極孔形為水滴形,其他陰極孔均為圓形。

圖5 PHC放電通道可見光圖像(實驗編號為Shot18132)

理論上,l越長陰極孔邊緣的電場強度越低,放電通道的等效阻抗越大,間隙閉合時間越長。因此,在陰極孔直徑滿足絕緣要求的基礎上,增大l會進一步提高單孔PHC的傳輸效率,所以水滴形陰極孔PHC的傳輸效率要優于常見圓形陰極孔PHC。圖7展示了單孔PHC相對損失電流與l/DMITL的關系,其中定義DMITL為三板傳輸線的陰陽極間隙距離,為10 mm。圖6表明,當l約為DMITL的一半時,單孔PHC的電流損失可忽略;當l超過DMITL時,單孔PHC幾乎無電流損失。

圖6 相對損失電流與的關系

3 結 論

本文在“強光一號”加速器上開展的單孔PHC電流傳輸特性實驗,同時設計的單孔PHC能確保電流面密度達到6×105A/cm以上,以便研究大電流面密度條件下單孔PHC的電流傳輸特性。

實驗結果表明,不同結構的單孔PHC具有不同的電流傳輸效率。陰極孔直徑越大,電流傳輸效率越高。陰極孔圓弧和陽極柱表面之間的距離l位于負載和陽極柱的中心連線上,如圖3所示,能更明顯地影響單孔PHC的電流傳輸效率。這意味對于陰極孔和陽極柱直徑的某種組合,如果僅增加距離l,就能提升單孔PHC的傳輸效率(比如Shot18124和Shot18126)。更進一步,當l大于上游傳輸線陰陽極板間隙距離DMITL的60%時,單孔PHC即可較高效地傳輸脈沖大電流;l大于DMITL時,單孔PHC將不存在電流損失。實驗結果表明,在相同條件下,水滴形異型陰極孔的單孔PHC的傳輸效率優于常見的圓形孔單孔PHC。

單孔PHC的電流傳輸實驗數據、內容偏少,僅能獲得其電流傳輸特性部分定性的分析結果,但是建立起來的實驗平臺以及測量方法為下一步實驗研究提供了基礎。未來,將增加光學測量手段,豐富單孔PHC電流傳輸實驗的數據,更進一步分析掌握單孔PHC電流傳輸特性。