天光Ⅱ-B强流脉冲电子加速器的设计

为了驱动X箍缩负载,在天光Ⅱ-A的Marx油箱侧面建立了一条新的实验线路天光Ⅱ-B。它在保留装置原有泵浦激光能力的基础上,还可进行X-pinch相关实验研究,达到了一器两用的目的。天光 Ⅱ-B主要由Marx发生器、脉冲形成线、主开关、脉冲传输线和负载构成,形成线工作介质为去离子水,形成线特征阻抗6 Ω,传输线采用变阻抗线设计,负载特征阻抗1.25 Ω。本文介绍了天光Ⅱ-B新线的设计、全电路模拟及在电阻负载下的调试结果。模拟和调试结果显示,天光Ⅱ-B装置在负载电阻为1.25 Ω时,负载上的电流峰值约269 kA,脉宽约50 ns,电流上升时间小于30 ns。以上结果证实,天光Ⅱ-B具有驱动低阻抗X-pinch实验线路的能力。     

混合式电极结构X-pinch的研究

X-pinch作为X射线源进行背光照相,具有较高的空间分辨率和时间分辨率,可用于拍摄快速变化的过程,如丝阵负载的内爆过程。为了得到同一组丝阵负载内爆过程的多幅背光成像图片,需多个X射线源对其进行背光成像,在天光Ⅱ-B(~250kA,50ns)脉冲功率装置的驱动下,通过实验选择了一种混合式电极结构X-pinch。实验结果表明:此种混合式电极结构X-pinch可箍缩产生X射线,所辐射出的X射线光子能量主要在2~4keV之间,因其固有的空间对称性及出光电流较小,可完成多路背光照相。     

天光Ⅱ-B光源的初步实验

天光Ⅱ-B是在天光Ⅱ-A的油箱侧面建立而成,利用原有的Marx发生器,以及新建的脉冲形成线、主开关、脉冲传输线、负载腔构成一条新的实验线路。在保留装置原有泵浦激光能力的基础上,可同时进行X-pinch相关实验研究。脉冲形成线内导体为同轴线结构,特征阻抗6 Ω,工作介质为去离子水,研制了一种真空水压的方式对形成线进行灌注,有效消除形成线内水中的气泡。采用Rogowski线圈对流过金属丝负载的电流进行测量。本文进行了天光Ⅱ-B在真负载下的初步实验。结果表明,在对Marx电容器充电70 kV时,输出电流269 kA,脉宽约50 ns,上升沿≤30 ns,丝负载对电流利用率约80%。     

天光Ⅱ-B装置的诊断刻度

设计并制作了天光Ⅱ-B脉冲功率装置的电流电压诊断设备,根据天光Ⅱ-B脉冲功率装置的同轴传输线结构特点,在传输线末端设置了用于测量负载电压的电容分压器。利用金属膜连接传输线外筒与负载外筒构成回流来测量负载的电流,并利用电路模拟软件对此过程进行模拟,两个诊断探头采取直接标定的方法,测定电容分压器的分压比和回流器的灵敏度。实验结果表明,该探头性能稳定、时间响应快、功率负荷大,是测量脉冲电流与电压的一种理想工具。     

兆安级电流下Al丝阵的芯晕结构抑制研究

为了抑制丝阵Z箍缩中金属丝在电流早期电爆炸形成的芯晕结构,基于强光一号加速器,利用二级丝阵负载开展了Al丝阵早期物理状态的调控研究。通过陡化预脉冲和调整二级丝阵的参数,实现了负载Al丝的全部汽化,抑制了芯晕结构的产生,气态Al丝芯的平均直径约为1.80 mm,且沿轴向均匀分布,降低了丝阵消融引起的初始不稳定性。若丝长度和直径保持不变,反转型丝阵的关断时间主要取决于Al丝的丝数;反转型丝阵关断后,气态丝芯在主电流脉冲作用下迅速电离并开始内爆,磁瑞丽泰勒不稳定性迅速发展,内爆等离子体流沿轴向呈周期性调制分布,调制波长约为650 μm。Al丝阵初始状态的改变,有效抑制了丝的消融过程,消除了先驱等离子体,在内爆后期降低了拖尾质量,提高了箍缩品质。     

兆安级电流下Al丝阵的芯晕结构抑制研究

为了抑制丝阵Z箍缩中金属丝在电流早期电爆炸形成的芯晕结构,基于强光一号加速器,利用二级丝阵负载开展了Al丝阵早期物理状态的调控研究。通过陡化预脉冲和调整二级丝阵的参数,实现了负载Al丝的全部汽化,抑制了芯晕结构的产生,气态Al丝芯的平均直径约为1.80 mm,且沿轴向均匀分布,降低了丝阵消融引起的初始不稳定性。若丝长度和直径保持不变,反转型丝阵的关断时间主要取决于Al丝的丝数;反转型丝阵关断后,气态丝芯在主电流脉冲作用下迅速电离并开始内爆,磁瑞丽泰勒不稳定性迅速发展,内爆等离子体流沿轴向呈周期性调制分布,调制波长约为650μm。Al丝阵初始状态的改变,有效抑制了丝的消融过程,消除了先驱等离子体,在内爆后期降低了拖尾质量,提高了箍缩品质。     

在SWIP-RFP装置反场箍缩的实验结果(英文)

给出西南物理研究院反场箍缩(SWIP-RFP)装置的实验观测结果。在确定放电程序下,不同的初始气压,不同的极场电容器、环场电容器Ⅰ和环场电容器Ⅱ充电电压条件下,反场箍缩位形在60～210μs时间区域能够建立。给出了等离子体电流及其持续时间,以及与其相关因素的依赖关系。由实验给出F-Θ曲线、等离子体柱位移、B_φ和B_θ的分布、光电测量信号和等离子体电流维持时间,它们是互相一致的。这结果表明,在无功率短路情况下,等离子体存在时间大于0.3ms。     

DPF中子源中子产生机理成因分析

基于等离子体的动量和能量守恒方程,利用一维雪耙模型,描绘出等离子体焦点装置放电电流壳层的动力学行为,得到整个电流壳层在两极间的运动情况,计算了电流壳层的加速段时间,计算结果与实验符合得很好.实验测量了等离子体鞘的反箍缩速度、加速阶段速度、聚焦阶段箍缩速度和崩溃阶段速度及中子发射异向性因子,均证明焦点装置中子产生机制主要由束靶机制控制.     

金属丝阵列Z箍缩装置中R-T不稳定性初步研究

近年来,对金属丝阵列Z箍缩的研究引起了Z箍缩物理界的极大兴趣。在这种位形中,能产生高密度和高温度的等离子体,甚至可能达到聚变条件。然而,等离子体内爆(Implosion)却受到R-T不稳定性的严重影响,因为等离子体受到无质量流体磁场的加速。Z箍缩内爆的效率主要取决于内爆的对称性和均匀性。但是,各种增加负载轴向和极向对称性的尝试用于减弱Reighlay-Taylor(R-T)不稳定性,只     

Z-箍缩X射线辐射功率闪烁探测系统

研制的Z-箍缩X射线辐射功率探测系统，利用闪烁体与X射线作用产生的荧光，在X射线入射45°方向进行探测。系统具有平坦能量响应、大动态范围和抗干扰能力强的特点。在Z-箍缩“强光1号”装置上，对X射线辐射功率进行测量，获得了W丝阵负载最大X射线辐射产额为36-58kJ，辐射功率为0-84TW。     

Al丝物理状态调控及对芯晕演化特性的影响

基于快直线脉冲变压器(FLTD)平台开展了数十kA电流下Al单丝芯晕演化特性研究,实验发现丝过早发生电压击穿会减少丝芯的能量沉积,而晕等离子体的迅速发展将约束丝芯的进一步膨胀,降低丝芯膨胀速度。通过调整负载两端的初始电压、丝长及增加闪络开关等手段,抑制了Al丝的过早击穿,增加了早期能量沉积,获得了不同的丝芯物理状态（部分气化或完全气化）。Al丝的气化提高了丝芯膨胀速度,最高达11~14 km/s,晕等离子体发展缓慢,延缓了边界处不稳定性的出现,降低了后期m=0的发展速度。FLTD负极性输出时,Al丝沿轴向的极性效应更加明显,靠近阴极处丝芯膨胀慢,边界处晕等离子体密度高,不稳定性的发展速度快。     

Magnetic Inertial Confinement Fusion (MICF)

Based on the similarity in models of the early Sun and the 3-D common focal region of the micro-pinch in X-pinch experiments, a novel hybrid fusion configuration by continuous focusing of multiple Z-pinched plasma beams on spatially symmetric plasma is proposed. By replacing gravity with Lorentz force with subsequent centripetal spherical pinch, the beamtarget fusion reactivity is enhanced in a quasi-spherical converging region, thus achieving MICF. An assessment, presented here, suggests that a practical fusion power source could be achieved using deuterium alone. Plasma instabilities can be suppressed by fast rotation resulting from an asymmetric tangential torsion in the spherical focal region of this configuration.Mathematical equivalence with the Sun allows the development of appropriate equations for the focal region of MICF, which are solved numerically to provide density, temperature and pressure distributions that produce net fusion energy output. An analysis of MICF physics and a preliminary experimental demonstration of a single beam are also carried out.     

HELIAS 5-B magnet system structure and maintenance concept

Work has been continued on the design study of a 5-fold symmetric HELIAS reactor with increased field. The coil shapes were slightly changed from the straightforwardly upscaled W7-X coils to a better suited reactor configuration providing improved plasma confinement and more space for the blanket. This reactor version is now called “HELIAS 5-B”. The previously presented building block structure was adapted to the new shapes and forces, and was further optimized for better load distribution and reduced number of joints. Simplified panels with only one or two plates each are now used.In addition to the previously presented option to separate the whole torus for good access to the in-vessel components, a blanket maintenance concept based on exchange of 400 large blanket segments simultaneously through five vertical ports was devised. Even though this concept is still at an initial state it can be shown that also in a complex stellarator geometry it is possible to have robots running on rails inside the plasma vessel to transport heavy loads.     

线缆瞬态辐照响应的数值研究

应用Holland细线模型和时域传输线模型,并结合实验结论,对裸线、带保护层导线以及同轴电缆3种线缆的瞬态响应进行了数值研究。结果表明：对于裸线,负载较小时,负载的变化对负载电压电流、负载功率和负载能量的影响不大,负载较大时,对响应的影响较大;负载增大时,负载电流响应脉宽增加、幅度减小,负载功率存在最大值,但负载吸收能量却一直增大;负载响应与导线半径成正比、与光子能量成反比。对于带保护层导线,变化保护层厚度时,负载响应存在峰值。相同光子能量和芯线半径条件下,带保护层导线比裸线的响应小,同轴电缆比带保护层导线的响应小,减小幅度与光子能量有关。     

Design and construction of a compact portable pulsed power generator

The low impedance compact pulsed power generators are considered as potential drivers for X-pinch based phase contrast imaging and extreme ultraviolet (EUV) source for lithography. The designed pulsed power generator should provide square-like wave on low impedance load (1-2 Ω) with current amplitude of 100 kA in burst mode. The pulse width of the current wave is 60 ns, and the rise time of the wave should be less than 30 ns. The dimensions of the machine are restricted to be no larger than ∼2 × 1 × 1.5 m, according to the specific potential application of the machine. We adopted a solution based on Marx generator combined with low impedance pulse forming line and V/N type gas switch technology to obtain the required high intensity and fast rise-time current wave. Special efforts have been made to reduce the inductance of V/N switch and low impedance load section, and thus to obtain fast rise time and high peak current, during both physical and mechanical design stages. The high power transient signal diagnostic system, consisting of a capacitive voltage divider and a metal film based current monitor, and the calibration of the diagnostic system are also outlined.