金屬絲陣負載阻抗特性的初步研究與負載優(yōu)化設(shè)計.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50年代，受到自身不穩(wěn)定性和裝置驅(qū)動能力的制約，該項技術(shù)在很長的一段時間內(nèi)沒有得到很好的發(fā)展。20世紀90年代，經(jīng)過了近半個世紀的低迷期后，在世界各國科學家共同努力下，Z-pinch技術(shù)取得了突破:在使用金屬絲陣負載的情況下，獲得了200 TW左右的輻射功率，能量轉(zhuǎn)化效率達到了15％之高;迎來了發(fā)展的黃金時代，成為最重要的實驗室用X射

2、線源之一，在多個相關(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)，其中一個重要的目標就是要弄清楚其裝置負載的內(nèi)爆過程，這就需要對負載的整體特性進行了解。本文選擇當前實驗室最常使用的金屬絲陣負載為研究對象，結(jié)合現(xiàn)有實驗裝置“陽”加速器為載體，對金屬絲陣負載作為一個整體在整個Z-pinch裝置中所起到的作用進行了研究，重點考慮負載本身的阻抗特性表現(xiàn)，及負載參數(shù)對裝置和實驗結(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載模型并進行了計算，將數(shù)值模擬的結(jié)果同實驗結(jié)果進行了對比，討論了影響模擬結(jié)果的相關(guān)因素，并對比較結(jié)果進行了分析，給出了適合使用的負載模型具體參數(shù)，同時關(guān)于此負載模型的適用性及缺點進行了分析。
　　在此基礎(chǔ)上，利用所得到的結(jié)果，對在建的PTS裝置進行負載優(yōu)化設(shè)計，綜合計算后，對PTS裝置的整體性能評估，給出裝置驅(qū)動能力的主要參數(shù)，并設(shè)計最優(yōu)化的負載參

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

5、90ns左右，優(yōu)化后負載的取值范圍約為:負載半徑R取值8.75mm～10mm，負載質(zhì)量m取值4mg～5mg之間，負載高度建議取值2cm固定，得到的優(yōu)化負載內(nèi)爆時間約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％。計算給出建議實驗采用的最優(yōu)化負載加載條件為:選擇132根單絲半徑為5μm的鎢絲絲陣負載，負載半徑選擇1 cm，負載質(zhì)量為4mg，負載高度為2cm;此負載內(nèi)爆時間約120ns，理論輻射

6、功率峰值約100TW，輻射能量預期為1MJ，能量轉(zhuǎn)換效率約15％。PTS裝置驅(qū)動能力，總體上基本與Saturn裝置處于同一水平，但稍優(yōu)于Saturn，取決于實驗負載的設(shè)計情況。
　　通過本文的研究工作，對Z-pinch整個發(fā)展歷史及負載研究狀況有了更深一步的認識，對金屬絲陣負載的阻抗特性有了初步的研究，同時對“陽”加速器和PTS裝置有了一定的了解，學習和掌握了優(yōu)化設(shè)計金屬絲陣負載方法，給出了PTS裝置驅(qū)動能力的評估和建議實驗采用的