直線型變壓器驅(qū)動器(Linear transformer driver,LTD)技術(shù)已成為Z箍縮驅(qū)動器領(lǐng)域的一項研究熱點,受到國內(nèi)外的廣泛關(guān)注。該技術(shù)可直接產(chǎn)生高功率快脈沖,與傳統(tǒng)的Marx發(fā)生器+中間儲能電容+脈沖形成線的技術(shù)相比,能量效率和緊湊性大幅提高。同時,由于單個器件的功率負(fù)荷小、絕緣環(huán)境簡單,可較好地實現(xiàn)重復(fù)頻率運行。因此,LTD被認(rèn)為是下一代Z箍縮驅(qū)動器的首選技術(shù)途徑,也是面向Z箍縮驅(qū)動聚變能研究的一個重要方向。本文針對重頻Z箍縮驅(qū)動器的設(shè)計需求展開研究,對LTD模塊和單元技術(shù)開展了實驗探索,研制了 800kA原型模塊并開展了超過6000次重頻考核;基于電路模型和磁流體動力學(xué)程序,對LTD驅(qū)動器與Z箍縮負(fù)載的耦合特性進(jìn)行了深入的模擬分析;在上述工作的基礎(chǔ)上,設(shè)計了輸出電流5MA的全真空LTD裝置,并建立了全電路程序進(jìn)行了數(shù)值計算。在LTD模塊和單元技術(shù)方面,設(shè)計了 6間隙電暈均壓開關(guān)并進(jìn)行了實驗測試,開關(guān)各間隙的電暈電流偏差～5%,且與電壓近似為2.5次方冪函數(shù)關(guān)系,推算各間隙的電壓偏差～2%。開關(guān)的自擊穿電壓與經(jīng)驗公式計算結(jié)果相符,在±90kV充電電壓和60%工作系數(shù)下,導(dǎo)通延遲時間為55.0±1.3ns(1σ)�；陔娎|成形技術(shù),設(shè)計了可大規(guī)模擴(kuò)展的觸發(fā)技術(shù),產(chǎn)生的觸發(fā)脈沖峰值電壓150kV,前沿15ns(0.1-0.9),半高寬100ns。優(yōu)化了薄膜電容器設(shè)計并開展了加速老化實驗,在提高電容器設(shè)計耐壓20%時,壽命提高248%。利用800-kALTD模塊成功驗證了單路觸發(fā)和電感隔離兩項全新的技術(shù),在6000次實驗考核中工作性能良好。采用單路觸發(fā)技術(shù)可將LTD裝置對觸發(fā)脈沖的需求量減小75%,而電感隔離則避免了電阻隔離器件壽命的制約。LTD器件、模塊以及新型觸發(fā)和隔離技術(shù)的成功研制,為設(shè)計大型LTD驅(qū)動器奠定了堅實的基礎(chǔ),可為該領(lǐng)域的研究提供重要參考。在驅(qū)動器與負(fù)載的耦合特性方面,建立了驅(qū)動器的簡化電路計算方法,建立了一維磁流體動力學(xué)程序,對驅(qū)動器與負(fù)載進(jìn)行了耦合計算,深入分析了傳輸線與負(fù)載連接的真空區(qū)域結(jié)構(gòu)電感、負(fù)載參數(shù)以及傳輸線參數(shù)對電脈沖耦合和能量轉(zhuǎn)換的影響。適當(dāng)增加真空區(qū)電感,可改善傳輸線與負(fù)載的功率匹配,增加電感儲能。在內(nèi)爆后期電感儲能的釋放可占負(fù)載能量(動能和內(nèi)能之和)增量的40%以上,從而彌補(bǔ)了驅(qū)動電流降低對Z箍縮產(chǎn)生的不利影響。使用大而輕的負(fù)載,可輸出較高的驅(qū)動電流,負(fù)載可獲得更大的內(nèi)爆動能和速度,且滯止階段的等離子體熱化時間短,有利于產(chǎn)生高功率的X射線輻射。對于小型的Z箍縮裝置,驅(qū)動源與負(fù)載之間的傳輸線可等效為電感,脈沖直接作用于負(fù)載,整個放電回路的電感增大,輸出電流峰值降低,前沿增加。然而,由于不存在長延遲時間的傳輸線,負(fù)載的反射能量可再次返回并作用于內(nèi)爆過程。通過適當(dāng)增加負(fù)載質(zhì)量,延長內(nèi)爆時間,使驅(qū)動器的儲能充分釋放,可有效提高能量利用效率。在LTD驅(qū)動器設(shè)計方面,基于800-kA原型LTD模塊,設(shè)計了可在絲陣負(fù)載上輸出峰值～5MA、上升沿～100ns的Z箍縮驅(qū)動器。整個裝置高3.2m,占地區(qū)域直徑12m,含6路并聯(lián)模組,每路8級模塊串聯(lián),最大儲能672kJ。各路模組產(chǎn)生的脈沖由真空線直接輸出至負(fù)載,無水-真空界面,從而避免了傳統(tǒng)的絕緣閃絡(luò)問題的制約,使驅(qū)動器具有重頻運行能力。基于磁絕緣理論和TLCODE方法,并采用零維Z箍縮內(nèi)爆模型,建立了驅(qū)動器與負(fù)載耦合的全電路計算程序,對驅(qū)動器的電壓疊加、功率傳輸和反射以及電流泄漏等進(jìn)行了詳細(xì)的計算和分析。針對多種的負(fù)載構(gòu)型,詳細(xì)計算了電流峰值、上升時間、內(nèi)爆時間、最大內(nèi)爆速度、動量和動能等的變化特性,提出了較為優(yōu)化的負(fù)載結(jié)構(gòu)(m=1.5mg/cm,R0=1.5cm)。程序計算表明,該驅(qū)動器可在較大的負(fù)載參數(shù)范圍內(nèi)輸出峰值4-5MA、上升沿90-100ns電流,動能轉(zhuǎn)換效率11%-14%;通過與實驗數(shù)據(jù)對比,可以合理預(yù)期:該驅(qū)動器可在金屬絲陣Z箍縮負(fù)載實現(xiàn)20-30%的輻射能轉(zhuǎn)換效率。上述研究優(yōu)化并系統(tǒng)驗證了 LTD模塊和單元技術(shù)的重頻運行能力,深入揭示了 LTD驅(qū)動器與Z箍縮負(fù)載的耦合特性,可為大型Z箍縮驅(qū)動器的設(shè)計和優(yōu)化提供有益參考�；谡婵諅鬏斁�的LTD驅(qū)動器設(shè)計,避免了傳統(tǒng)的絕緣子閃絡(luò)問題的制約,可實現(xiàn)驅(qū)動器的重復(fù)頻率運行,可望為Z箍縮驅(qū)動聚變能的研究提供一個重要的實驗平臺。
【學(xué)位單位】：中國工程物理研究院
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位年份】：2017
【中圖分類】：TL631.22
【部分圖文】：

每根金屬絲各自出現(xiàn)互不相干的軸向不穩(wěn)定性，對于整個絲陣而言，不穩(wěn)??定性擾動的程度隨絲根數(shù)的增加而減小。??圖丨．２?４３５根４ｎｍ鎢絲組成的單層絲陣ｎ??Ｓａｎｆｏｒｄ等人在Ｓａｔｕｒｎ裝置上的研究表明１２’１３’１４，存在一個絲間距的臨界值（？１１１１１１１），??當(dāng)絲間距小于臨界值時，Ｘ射線輻射功率急劇增大；同時，使用最多達(dá)９０根絲的實驗??研究發(fā)現(xiàn)，隨著絲數(shù)的增加（絲間距減�。�，不僅輻射功率上升，且Ｘ射線脈沖更為尖??銳，如圖１．３所示。??■?￣；?６１??

Ｚ裝置上使用動態(tài)黑腔負(fù)載獲得了最高２３０±１８ｅＶ的黑腔輻射場｜９，其泡沫柱直徑由??初始的５ｍｍ壓縮至最終的０．８ｍｍ。Ｂａｉｌｅｙ等人在Ｚ裝置上使用動態(tài)黑腔和ＩＣＦ靶丸進(jìn)??行了實驗研究＇?其負(fù)載和靶丸構(gòu)型如圖１．５所示。嵌套絲陣使用７．５ｇｍ鎢絲制成，外??層直徑４ｃｍ，含２４０根絲，內(nèi)層直徑２ｃｍ，含１２０根絲，長１２ｍｍ。泡沫柱直徑６ｍｍ，??長１２ｍｍ，碳氧材料。耙丸直徑１．６ｍｍ，內(nèi)部充２．６ａｔｍ的ＣＤ４氣體。??圖１．６為實驗觀察到的黑腔和靶丸壓縮過程圖像。鎢等離子體打到泡沫材料表面，??在泡沫柱內(nèi)形成向軸線傳播的高溫高壓沖擊波，同時，輻射場以遠(yuǎn)快于沖擊波的速度向??內(nèi)傳播并迅速均勻化。在均勻輻射場作用下，ＩＣＦ靶丸表層燒蝕并內(nèi)爆，產(chǎn)生熱核聚變。??泡沫柱壓縮過程近似勻速，持續(xù)時間？８ｎｓ，運動速度為０．３２５ｍｍ／ｎｓ，靶丸壓縮過程持續(xù)??時間？３ｎ＾Ｘ射線光譜學(xué)診斷得到，靶丸最高輻射溫度？ＩｋｅＶ，等離子體密度？３ｘｌ〇２３ｃｎＶ３。??實驗測量得到的ＤＤ中子產(chǎn)額最高為３．５ｘｌ〇ｎ。??３??

??圖１．５?Ｚ箍縮絲陣驅(qū)動的動態(tài)黑腔和１ＣＦ靶丸??￣￣ｓｈｏｃＫ￣￣＾Ａ??丨”咖Ｉ?ｊ＼??ＳｆｉＳＳＩ?ｆ＼??團(tuán)Ｍ：??ＯＭ：??■?ａＡ：??２?．Ｉ?Ｘ（ｍｍ）?１?２??圖１．６靶丸壓縮圖像??由于Ｚ箍縮驅(qū)動的慣性約束聚變具有能量效率高、經(jīng)濟(jì)成本低、可重復(fù)運行等優(yōu)點，??被認(rèn)為是一種極有潛力的聚變能源開發(fā)技術(shù)途徑。ＳＮＬ的研宄認(rèn)為２１，要實現(xiàn)高增益的??熱核聚變，需要Ｚ箍縮產(chǎn)生Ｘ射線輻射密度約為ｌＯＭＪ／ｃｍ。根據(jù)圖１．?７所示的能量定??標(biāo)率曲線，需要驅(qū)動器輸出電流５６ＭＡ，傳送至Ｚ箍縮負(fù)載的總電能為１４ＭＪ，聚變靶??丸吸收的輻射能為２．４ＭＪ，產(chǎn)生聚變放能５３０ＭＪ。針對慣約聚變能源（ＩＦＥ），需要驅(qū)動??器輸出電流９５ＭＡ，傳送至負(fù)載的電能為４２ＭＪ，靶丸吸收７．２ＭＪ，聚變放能４．６ＧＪ。??４??
【參考文獻(xiàn)】

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本文編號：2859759