磁絕緣無(wú)損形成過(guò)程的理論研究.pdf

1、暫停核試驗(yàn)后，加強(qiáng)地面實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Τ蔀楦鲊?guó)核武器研究的一個(gè)重點(diǎn)。美國(guó)圣地亞國(guó)家實(shí)驗(yàn)室在上世紀(jì)末發(fā)現(xiàn)，快Z箍縮裝置驅(qū)動(dòng)金屬絲陣負(fù)載可以產(chǎn)生核爆模擬研究所需要的高能量密度物理學(xué)實(shí)驗(yàn)條件，并且可能相對(duì)經(jīng)濟(jì)地實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。因此，大型快Z箍縮裝置的研制成為當(dāng)今脈沖功率技術(shù)領(lǐng)域的熱點(diǎn)。磁絕緣傳輸線(xiàn)（MagneticallyInsulated Transmission Line，MITL）是大型快Z箍縮裝置的關(guān)鍵部件，起著脈沖功率的傳輸和匯聚作用。

2、>　　MITL在陰極表面發(fā)生電子爆炸發(fā)射后，仍能夠利用傳導(dǎo)電流產(chǎn)生的自磁場(chǎng)箍縮在極間運(yùn)動(dòng)的電子，使其無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極，從而確保脈沖功率繼續(xù)向負(fù)載方向傳輸，功率流密度可達(dá)TW/cm2量級(jí)。這一傳輸過(guò)程的物理模型與真空線(xiàn)傳輸有很大區(qū)別，被稱(chēng)為磁絕緣傳輸。
　　磁絕緣傳輸理論早在1921年就開(kāi)始出現(xiàn)，上世紀(jì)70至90年代得到很大發(fā)展。磁絕緣傳輸理論包括磁絕緣穩(wěn)態(tài)理論和磁絕緣形成理論兩大類(lèi)，主要根據(jù)極間電子的運(yùn)動(dòng)軌跡特征來(lái)研究磁絕緣傳輸現(xiàn)象。

3、磁絕緣傳輸理論不僅用于解釋和分析磁絕緣傳輸現(xiàn)象，還可以幫助建立MITL的電路模型，實(shí)現(xiàn)對(duì)MITL傳輸過(guò)程的電路模擬。但在MITL電路模型的建模過(guò)程中有兩個(gè)問(wèn)題沒(méi)有解決:(1)如何利用現(xiàn)有磁絕緣穩(wěn)態(tài)理論，計(jì)算電路模型中的分布參數(shù);(2)如何計(jì)算無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程（在磁絕緣形成過(guò)程中，沒(méi)有電子到達(dá)陽(yáng)極表面）導(dǎo)致的MITL傳導(dǎo)電流和傳導(dǎo)電壓變化。本文主要圍繞上述兩個(gè)問(wèn)題展開(kāi)研究。
　　首先，作為研究基礎(chǔ)，本文從Creedon的磁絕緣穩(wěn)態(tài)

4、層流模型出發(fā)，構(gòu)筑了一個(gè)新的變量空間(h2，C1，γ)，并在此變量空間中用簡(jiǎn)單的解析公式描述了磁絕緣穩(wěn)態(tài)下的極間電磁場(chǎng)、電荷密度和電流密度分布。Creedon模型描述了磁絕緣穩(wěn)態(tài)下的傳導(dǎo)電流（又稱(chēng)線(xiàn)電流）、傳導(dǎo)電壓（又稱(chēng)線(xiàn)電壓）和陰極表面電流等的關(guān)系，并未給出極間電磁場(chǎng)、電荷密度和電流密度的分布規(guī)律，因此這一結(jié)果完善Creedon的層流模型。利用相關(guān)結(jié)果，本文模擬計(jì)算了Z加速器MITL的極間電磁場(chǎng)等參量的分布，所得結(jié)果與真空傳輸狀態(tài)有很

5、大區(qū)別。此外，還利用這些分布公式證明了Creedon層流模型和Mendel層流近似模型這兩個(gè)磁絕緣穩(wěn)態(tài)模型在物理上具有一致性。Mendel層流近似模型在工程中應(yīng)用廣泛，是從Mendel關(guān)于磁絕緣穩(wěn)態(tài)的任意動(dòng)量模型近似而來(lái)，但Mendel的任意動(dòng)量模型的建模思想與Creedon層流模型完全不同，因此Mendel層流近似模型與Creedon層流模型是否具有物理一致性，這是已有磁絕緣穩(wěn)態(tài)理論中的一個(gè)疑問(wèn)。
　　第二，利用磁絕緣穩(wěn)態(tài)下極間

6、電磁場(chǎng)在(h2，C1，γ)變量空間中的解析表達(dá)式，本文研究了MITL電路模型在磁絕緣穩(wěn)態(tài)下的分布電感和分布電容表征問(wèn)題。研究發(fā)現(xiàn)，磁絕緣穩(wěn)態(tài)下的傳導(dǎo)電流回路和線(xiàn)電荷分布區(qū)隨脈沖功率傳輸狀態(tài)變化，這與真空傳輸狀態(tài)（電流回路和電荷分布區(qū)的幾何邊界固定）完全不同。因此，本文將磁絕緣穩(wěn)態(tài)下的分布電感和分布電容用張量描述，由此從物理上清晰地看到分布電感和分布電容既與磁絕緣穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)參數(shù)（線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流等）有關(guān)，又與電流回路和電荷分布區(qū)域的幾何特征

7、變化有關(guān)。不過(guò)，用張量去表征分布電感和分布電容不能簡(jiǎn)化磁絕緣穩(wěn)態(tài)的電路模型，因此本文又在描述電路模型的方程中引入了等效分布電感和等效分布電容兩個(gè)概念，它們是磁絕緣穩(wěn)態(tài)的狀態(tài)參數(shù)的函數(shù)。已有文獻(xiàn)未見(jiàn)類(lèi)似研究。
　　本文最后一個(gè)研究?jī)?nèi)容是量化無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程前后的線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流變化。磁絕緣形成是真空傳輸狀態(tài)和磁絕緣穩(wěn)態(tài)之間的過(guò)渡階段，分有損磁絕緣形成過(guò)程（過(guò)程中電子可以到達(dá)陽(yáng)極）和無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程（過(guò)程中由于線(xiàn)電流在極間產(chǎn)生了很強(qiáng)

8、磁場(chǎng)，電子無(wú)法到達(dá)陽(yáng)極）兩類(lèi)。無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程在傳輸強(qiáng)流的負(fù)載限制型MITL（其線(xiàn)長(zhǎng)度相對(duì)于脈沖波長(zhǎng)很短，或稱(chēng)短線(xiàn)。Z加速器的MITL就屬此類(lèi)型）中經(jīng)常出現(xiàn)，因此研究該過(guò)程在工程上有重要意義。本文首先研究了在磁絕緣形成過(guò)程中，極間點(diǎn)電荷與所處位置的電磁場(chǎng)之間的能量交換關(guān)系;然后利用這一關(guān)系進(jìn)一步推導(dǎo)得到經(jīng)歷無(wú)損磁絕緣形成全過(guò)程的極間電子（大量極間電子是在過(guò)程中才進(jìn)入極間的，并非經(jīng)歷了全過(guò)程）所獲得的動(dòng)能。此外，本文又研究得到了MITL

9、橫截面在無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程中的總電磁場(chǎng)儲(chǔ)能的變化。利用描述這些關(guān)系的方程組，本文給出了一個(gè)新的無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程模型，它關(guān)聯(lián)了無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程始末時(shí)刻的線(xiàn)電壓和線(xiàn)電流，且其中的參量都能根據(jù)真空線(xiàn)理論和前述極間電磁場(chǎng)分布的解析公式計(jì)算。本文利用Z加速器MITL在實(shí)驗(yàn)中觀察到的三個(gè)現(xiàn)象驗(yàn)證了該模型，所得結(jié)果模擬結(jié)果與實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象符合很好。該模型的建模思想與已有的磁絕緣形成模型完全不同，且已有磁絕緣形成模型不能計(jì)算無(wú)損磁絕緣形成過(guò)程導(dǎo)致的線(xiàn)電流