金屬絲陣負(fù)載阻抗特性的初步研究與負(fù)載優(yōu)化設(shè)計(jì).pdf

1、Z箍縮(Z-pinch)是一種將電容器中的電能耦合到高密度等離子體中的一種非常有效的技術(shù)，起源于20世紀(jì)50年代，受到自身不穩(wěn)定性和裝置驅(qū)動(dòng)能力的制約，該項(xiàng)技術(shù)在很長的一段時(shí)間內(nèi)沒有得到很好的發(fā)展。20世紀(jì)90年代，經(jīng)過了近半個(gè)世紀(jì)的低迷期后，在世界各國科學(xué)家共同努力下，Z-pinch技術(shù)取得了突破:在使用金屬絲陣負(fù)載的情況下，獲得了200 TW左右的輻射功率，能量轉(zhuǎn)化效率達(dá)到了15％之高;迎來了發(fā)展的黃金時(shí)代，成為最重要的實(shí)驗(yàn)室用X射

2、線源之一，在多個(gè)相關(guān)領(lǐng)域的研究扮演了重要的角色。
　　為了更好的研究Z-pinch技術(shù)，其中一個(gè)重要的目標(biāo)就是要弄清楚其裝置負(fù)載的內(nèi)爆過程，這就需要對(duì)負(fù)載的整體特性進(jìn)行了解。本文選擇當(dāng)前實(shí)驗(yàn)室最常使用的金屬絲陣負(fù)載為研究對(duì)象，結(jié)合現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)裝置“陽”加速器為載體，對(duì)金屬絲陣負(fù)載作為一個(gè)整體在整個(gè)Z-pinch裝置中所起到的作用進(jìn)行了研究，重點(diǎn)考慮負(fù)載本身的阻抗特性表現(xiàn)，及負(fù)載參數(shù)對(duì)裝置和實(shí)驗(yàn)結(jié)果的影響。具體方法如下:基于描述Satu

3、rn裝置的ZORK模型，使用PSPICE語言建立了適用于“陽”加速器使用的金屬絲陣負(fù)載模型并進(jìn)行了計(jì)算，將數(shù)值模擬的結(jié)果同實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了對(duì)比，討論了影響模擬結(jié)果的相關(guān)因素，并對(duì)比較結(jié)果進(jìn)行了分析，給出了適合使用的負(fù)載模型具體參數(shù)，同時(shí)關(guān)于此負(fù)載模型的適用性及缺點(diǎn)進(jìn)行了分析。
　　在此基礎(chǔ)上，利用所得到的結(jié)果，對(duì)在建的PTS裝置進(jìn)行負(fù)載優(yōu)化設(shè)計(jì)，綜合計(jì)算后，對(duì)PTS裝置的整體性能評(píng)估，給出裝置驅(qū)動(dòng)能力的主要參數(shù)，并設(shè)計(jì)最優(yōu)化的負(fù)載參

4、數(shù)以供實(shí)驗(yàn)使用，具體實(shí)施方法如下:基于描述Saturn裝置的ZORK模型，使用PSPICE語言建立零維負(fù)載模型，使用此模型討論并計(jì)算了不同條件參數(shù)下負(fù)載的電流曲線，討論負(fù)載參數(shù)對(duì)電流曲線的影響，給出PTS裝置整體驅(qū)動(dòng)能力評(píng)估;并選擇優(yōu)化的電流曲線作為MHD計(jì)算的初始條件，計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較討論，得到最適合實(shí)驗(yàn)使用的負(fù)載參數(shù)條件。
　　計(jì)算得到PTS裝置的總體驅(qū)動(dòng)能力為:PTS裝置的驅(qū)動(dòng)電流約10MA，電流上升時(shí)間(10％～90％)約

5、90ns左右，優(yōu)化后負(fù)載的取值范圍約為:負(fù)載半徑R取值8.75mm～10mm，負(fù)載質(zhì)量m取值4mg～5mg之間，負(fù)載高度建議取值2cm固定，得到的優(yōu)化負(fù)載內(nèi)爆時(shí)間約120ns，輻射功率在70TW～100TW之間，優(yōu)化輻射能量約700kJ，能量轉(zhuǎn)換效率10％。計(jì)算給出建議實(shí)驗(yàn)采用的最優(yōu)化負(fù)載加載條件為:選擇132根單絲半徑為5μm的鎢絲絲陣負(fù)載，負(fù)載半徑選擇1 cm，負(fù)載質(zhì)量為4mg，負(fù)載高度為2cm;此負(fù)載內(nèi)爆時(shí)間約120ns，理論輻射

6、功率峰值約100TW，輻射能量預(yù)期為1MJ，能量轉(zhuǎn)換效率約15％。PTS裝置驅(qū)動(dòng)能力，總體上基本與Saturn裝置處于同一水平，但稍優(yōu)于Saturn，取決于實(shí)驗(yàn)負(fù)載的設(shè)計(jì)情況。
　　通過本文的研究工作，對(duì)Z-pinch整個(gè)發(fā)展歷史及負(fù)載研究狀況有了更深一步的認(rèn)識(shí)，對(duì)金屬絲陣負(fù)載的阻抗特性有了初步的研究，同時(shí)對(duì)“陽”加速器和PTS裝置有了一定的了解，學(xué)習(xí)和掌握了優(yōu)化設(shè)計(jì)金屬絲陣負(fù)載方法，給出了PTS裝置驅(qū)動(dòng)能力的評(píng)估和建議實(shí)驗(yàn)采用的