CN108513422A - 一种用于z箍缩实验的二级丝阵负载 - Google Patents

一种用于z箍缩实验的二级丝阵负载 Download PDF

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Abstract

为了便于开展兆安级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法研究，以及内爆等离子体不稳定性发展过程研究，本发明本发明的二级丝阵负载有两个独立的电流回路，电流分别流过负载丝阵和反转型丝阵，通过调整负载丝阵和反转型丝阵的金属丝长度、丝数和/或直径可以调整各自的回路电感，实现金属丝早期物理状态的改变和调控，抑制早期“核冕”结构的产生，同时可以研究不同物理状态对负载丝阵后续内爆及等离子体不稳定性发展过程的影响。

Description

一种用于Z箍缩实验的二级丝阵负载
技术领域
本发明涉及大型脉冲功率装置Z箍缩实验的负载，具体涉及一种可调控金属丝阵负载早期物理状态的负载。
背景技术
Z箍缩(Z-pinch)是一种依靠Z方向电流产生的电磁力使自身箍缩或向轴线内聚运动的等离子体构型，常用的负载为气流、金属丝阵或套筒，其中金属丝阵负载是选用μm量级金属丝连接在Z箍缩实验装置的阴阳极上，便于进行质量调控以与兆安(MA)级装置达到负载匹配。目前，丝阵Z箍缩等离子体辐射源是一种最有效的实验室软X射线源，在辐射效应、惯性约束聚变(ICF)、高能量密度物理及实验室天体物理等研究领域具有广阔应用前景。
在兆安(MA)级电流下，金属丝很早即发生沿面电离形成冕等离子体(一般认为金属丝表面吸附的气体和杂质首先电离)，丝核一般呈固态或液态，形成典型的“核冕”结构，导致馈入金属丝阵的能量相对较少。
为了抑制“核冕”结构的产生，目前常用的手段为从外部另馈入预脉冲(幅值1～10kA，前沿10～20ns)或者给金属丝镀膜，但研究多见于小电流下，而兆安(MA)级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法研究，以及内爆等离子体不稳定性发展过程研究目前尚未广泛开展。
发明内容
为了便于开展兆安级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法研究，以及内爆等离子体不稳定性发展过程研究，本发明提供了一种二级丝阵负载，可以用于MA级电流下的Z箍缩实验中。
本发明的技术解决方案如下：
一种用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特殊之处在于：包括支撑结构、负载丝阵和反转型丝阵；
所述支撑结构包括阴极杆、依次设置的固定螺帽、阳极盖板、连接电极、反转型丝阵支撑板、阳极连接杆、阳极底座和阴极底座；
连接电极用于安装负载丝阵和反转型丝阵；连接电极为中空柱状结构，其底部开设有多个用于穿过金属丝的孔；
阴极杆的一端依次穿过阳极底座和反转型丝阵支撑板后与连接电极固定连接，实现电接触；阴极杆的另一端与阴极底座固定连接，实现电接触；阴极杆与阳极底座同轴设置；
阳极盖板、阳极底座和反转型丝阵支撑板均与阴极底座平行，且与阴极杆垂直；
在阳极盖板和反转型丝阵支撑板之间还设置有回流柱，回流柱垂直于阳极盖板；
在反转型丝阵支撑板和阳极底座之间还设置有阳极连接杆，阳极连接杆垂直于阳极底座；
所述负载丝阵包括负载阴极、负载阳极和由多根金属丝构成的金属丝阵，负载阴极与支撑结构的连接电极相连，负载阳极与所述阳极盖板通过所述固定螺帽连接；金属丝阵穿过负载阴极和负载阳极端面的孔，且均与负载阴极和负载阳极保持电接触；金属丝阵的一端采用铜胶带固定在负载阴极上，金属丝阵的另一端末端与重物相连，以保证金属丝处于绷紧状态；
所述反转型丝阵包括多根金属丝，该金属丝的一端穿过所述连接电极端面的孔后用铜胶带固定在连接电极上，另一端穿过所述反转型丝阵支撑板，绕过所述阳极连接杆后，与重物相连，以保证金属丝处于绷紧状态。
进一步地，所述负载丝阵和反转型丝阵的金属丝的长度、丝数和直径均根据脉冲功率加速器参数调整和确定；负载丝阵的金属丝长度指位于负载阴极和负载阳极之间的单根金属丝长度；反转型丝阵的金属丝长度指位于连接电极与反转型丝阵支撑板之间的单根金属丝长度。
进一步地，所述连接电极的柱面上沿轴向开设有切槽。
进一步地，所述连接电极与负载阴极的配合为过盈配合。
进一步地，所述固定螺帽上设置有至少三个沿径向的螺孔，螺栓穿过所述螺孔后压住负载阳极外壁，将负载阳极固定。
进一步地，所述负载阳极和负载阴极均采用黄铜制成。
进一步地，反转型丝阵和/或负载丝阵的参数选取原则是使得：
所述反转型丝阵的初始回路电感小于所述负载丝阵的初始回路电感；
所述反转型丝阵和所述负载丝阵的金属丝长度、直径、线质量和根数应保证所述反转型丝阵的关断时间在Z箍缩实验用装置主电流脉冲的前沿。
进一步地，所述负载丝阵的初始回路电感和反转型丝阵的初始回路电感分别根据下述公式(1)和(2)计算：
上式中，各参数含义：
Lload为负载丝阵的初始回路电感；
Linv为反转型丝阵的初始回路电感；
Lglobal为回流柱与负载丝阵间的回路电感；
为负载丝阵中各金属丝之间的互感；
为各回流柱之间的互感；
L附为回流柱与阴极杆和连接电极间的回路电感；
μ0为真空磁导率，值为4π×10-7H/m；
l为负载丝阵中单根金属丝的有效长度，具体指位于负载阴极和负载阳极之间的单根金属丝长度；
linv为反转型丝阵中单根金属丝的有效长度，具体指位于连接电极与反转型丝阵支撑板之间的单根金属丝长度；
rreturn为回流柱所在圆周的半径；
rarray为负载丝阵所在圆周的半径；
rwires1为负载丝阵中金属丝的半径；
rwires2为反转型丝阵中金属丝的半径；
rpost为回流柱的半径；
rinv为反转型丝阵所在圆周的半径；
rcathode为阴极杆的半径；
Nw1为负载丝阵中金属丝的根数；
Nw2为反转型丝阵中金属丝的根数；
Nret为回流柱的个数。
进一步地，反转型丝阵的关断时间根据消融模型式(3)计算：
上式中，各参数含义：
Δm(t)为消融质量；
R0为反转型丝阵的所在圆初始半径；
I为Z箍缩实验用装置的脉冲电流；
t为电脉冲时间；
Vabl为消融等离子体的速度；
消融质量超过50％时认为反转型丝阵关断。
本发明的有益效果在于：
1、本发明的二级丝阵负载能够用于MA级电流下的Z箍缩实验，根据不同大型脉冲功率装置的参数，仅通过调整负载丝阵和/或反转型丝阵的参数(金属丝丝数、直径、长度)即能实现金属丝早期物理状态的改变和调控，抑制早期“核冕”结构的产生，同时可以研究不同物理状态对负载丝阵后续内爆及等离子体不稳定性发展过程的影响。
2、本发明反转型丝阵支撑板和阳极连接杆部分的设计保证了反转型丝阵能够在线穿丝，且丝数可调。
3、在高真空下(10-2Pa)，受压力差的影响，加速器的阴极会向真空腔室内探出，导致阴阳极之间的距离减小，而本发明的二级丝阵负载由于金属丝的末端连接有重物，在阴阳极距离改变时，负载丝阵的金属丝在重物重力作用下会相应平滑移动，且金属丝始终保持紧绷状态。
附图说明
图1为现有用于Z箍缩实验的“强光一号”加速器结构示意图；
图2为本发明二级丝阵负载构型装配效果图及电流流向示意图(图中箭头标识为电流流向)；
图3为本发明负载丝阵结构示意图；
图4为本发明支撑结构剖面图；
图5本发明连接电极结构示意图；
附图标记说明：1-直线变压器驱动源、2-中央储能单元、3-脉冲形成线、4-脉冲压缩线、5-负载、6-真空腔室、21-阴极底座、22-阴极杆、23-连接电极、24-金属丝阵、25-阳极盖板、26、固定螺帽、27-回流柱、28-反转型丝阵、29-反转型丝阵支撑板、30-阳极连接杆、31-阳极底座、32-负载阴极、33-负载连接杆、34-负载阳极、35-重物、36-切槽、37-螺孔。
具体实施方式
以下结合附图对本发明做详细说明。
图1所示为现有的用于Z箍缩实验的强光一号加速器结构示意图，加速器包括依次连接的直线变压器驱动源(LTD)1、中央储能单元2、脉冲形成线3、脉冲压缩线4及负载5，其中负载5采用本发明所提供的二级丝阵负载结构，Z箍缩实验需在真空条件下进行，真空度要求为3.0×10-2Pa。
如图2所示，本发明二级丝阵负载包括支撑结构、负载丝阵和反转型丝阵28。
如图3所示，支撑结构包括阴极杆22、依次设置的固定螺帽26、阳极盖板25、连接电极23、反转型丝阵支撑板29、阳极连接杆30、阳极底座31和阴极底座21；
连接电极23用于安装负载丝阵和反转型丝阵28；连接电极23的底部沿周向开设有多个用于穿过金属丝的第一小孔；较佳的，小孔应位于连接电极23柱面外侧，便于金属丝的安装。
阴极杆22的一端依次穿过阳极底座31和反转型丝阵支撑板29后与连接电极23固定连接(例如螺纹连接)，实现电接触；阴极杆22的另一端与阴极底座21固定连接(例如螺纹连接)，实现电接触；阴极杆22与阳极底座31同轴设置；反转型丝阵支撑板29上沿周向开设有与连接电极23底部第一小孔一一对应的第二小孔；
阳极盖板25、阳极底座31和反转型丝阵支撑板29均与阴极底座21平行，且与阴极杆22垂直；
在阳极盖板25和反转型丝阵支撑板29之间还设置有回流柱27，回流柱27垂直于阳极盖板25；
在反转型丝阵支撑板29和阳极底座31之间还设置有阳极连接杆30，阳极连接杆30垂直于阳极底座31；阳极连接杆30用于连接反转型丝阵支撑板29和阳极底座31，同时便于反转型丝阵28的安装与反转型丝阵的金属丝的平滑过渡；
实验时，阴极底座21与加速器的阴极相连，实现电接触；阳极底座31与加速器的阳极通过压片连接在一起，实现电接触。
如图4所示，负载丝阵包括负载阴极32、负载阳极34和由多根金属丝构成的金属丝阵24，负载阴极32与支撑结构的连接电极23相连，负载阳极34与支撑结构的阳极盖板25通过固定螺帽26和螺栓连接在一起，具体的，固定螺帽26侧壁上沿径向设置有至少三个螺孔37，螺栓穿过螺孔37后压住负载阳极34外壁，从而将负载阳极34固定；为方便安装，负载阳极34外壁与固定螺帽26的内壁具有间隙；金属丝阵24穿过负载阴极32和负载阳极34端面的小孔且均与负载阴极32和负载阳极34保持较好的电接触，金属丝阵24的另一端末端与重物35(例如重锤)相连，以保证金属丝始终处于绷紧状态；金属丝阵24未与重物相连的一端用铜胶带固定；构成金属丝阵24的各金属丝的直径和金属丝的丝数均可调。为便于实现负载丝阵的线下制作，安装金属丝阵前，可先利用负载连接杆33将负载阴极32和负载阳极34相连，待金属丝阵安装完毕后卸掉负载连接杆33。
除金属丝阵24外，负载丝阵的结构件材料均为黄铜(导电性好，机械加工性能好，便于小孔的加工)，负载连接杆33通过螺纹与负载阴极32和负载阳极34相连，改变负载连接杆33的长度即可调整丝阵长度；负载阴极32边缘处倒圆角，便于同连接电极23装配。
如图2所示，反转型丝阵28包括Z箍缩实验用金属丝，该金属丝将支撑结构的连接电极23和反转型丝阵支撑板29连接起来，该金属丝绕过阳极连接杆30后末端与重物35(例如重锤)相连以保证金属丝始终处于紧绷状态；构成反转型丝阵28的金属丝的丝数和直径均可调。若金属丝直接与重物相连，金属丝悬挂方向与第二小孔轴线方向(水平)呈90度角，由于金属丝为微米量级，在实验抽取真空，金属丝发生移动时，易在转折处断折，因而本发明先将金属丝绕过阳极连接杆30后再与重物相连，使金属丝与阳极连接杆30平滑过渡，避免此种情况发生。
本发明负载丝阵的制作应在洁净间内完成，根据实验需要选择不同型号规格的金属丝(～10μm量级)构成金属丝阵24。反转型丝阵28在实验前线上制作，将金属丝的一端穿过连接电极23的小孔，并用铜胶带将其固定好，金属丝的另一端穿过反转型丝阵支撑板29，绕过阳极连接杆30后，末端同重物(例如重锤)连接，在重力作用下使金属丝保持绷紧状态。
本发明二级丝阵负载自身装配和安装将其至加速器上的顺序为：
第1步：将阳极底座31、阳极连接杆30、反转型丝阵支撑板29和回流柱27装配好；
第2步：固定阴极底座21，安装阴极连接杆22；
第3步：通过压片将阳极底座31固定到加速器的阳极大板上，并与阴极调整好同轴度，防止由于间隙过小而导致电极间击穿发生短路；
第4步：安装连接电极23，利用事先准备好的金属丝装载反转型丝阵28；
第5步：将阳极盖板25和固定螺帽26同回流柱27装配好；
第6步：安装负载丝阵；
将制作好的负载丝阵装入连接电极23，连接电极23与负载阴极32的配合为过盈配合，以保证其牢固度；为了便于装配，连接电极沿柱面开有切槽36(图5所示)使得其沿径向有一定弹性；负载阳极34与固定螺帽26的配合为间隙配合；负载丝阵位置固定后，用螺钉沿径向将负载阳极34固定，防止其发生旋转。
以上工作均完毕后，检查负载丝阵和反转型丝阵28金属丝，确保其处于绷直和电连接状态，确认无误后，卸除负载连接杆33，负载安装完成。
本发明的二级丝阵负载按以上流程安装完毕后，即可对“强光一号”加速器装置的真空腔室抽真空，开展后续的Z箍缩实验。
本发明的原理：
如图2所示，本发明的二级丝阵负载有两个独立的电流回路，电流分别流过负载丝阵和反转型丝阵28，通过调整负载丝阵和反转型丝阵28的金属丝长度、丝数和/或直径可以调整各自的回路电感；本发明二级丝阵负载设计时，应保证大部分电流首先通过反转型丝阵28，反转型丝阵28的金属丝电离后其阻抗降低，所占电流配额进一步增加，这样流经负载丝阵的电流较小，保证了负载丝阵经历较长时间的欧姆加热过程而发生汽化，同时汽化后的丝核仍经历较长时间的自由膨胀过程，从而在主电流脉冲到来前达到较为均匀的气态壳层；随着电流的增大，反转型丝阵28不断消融并发生外爆，该部分的阻抗会迅速上升，此时其作用相当于一个断路开关；断路后，大部分电流通过经过预处理的负载丝阵，驱动其后续的内爆和辐射。
本发明的二级丝阵负载能够根据大型脉冲功率加速器的参数进行调整，从而在不同型号的加速器上实现负载丝阵的早期物理状态调控，并研究其对内爆动力学和等离子体不稳定性发展过程的影响。
本发明反转型丝阵和/或负载丝阵参数的选取和调整原则是使得：
1、反转型丝阵28的初始回路电感小于负载丝阵的初始回路电感(Linv＜Lload)，保证电脉冲初期反转型丝阵28能够占较大的电流配额；
2、反转型丝阵28的断路时间在加速器(即Z箍缩实验用装置)主电流脉冲的前沿，保证负载丝阵有足够时间完成内爆和辐射。
负载丝阵和反转型丝阵28的初始回路电感分别根据下式(1)和式(2)进行计算：
上式中，各参数含义：
Linv为反转型丝阵28的初始回路电感；
Lglobal为回流柱与负载丝阵间的回路电感；
为负载丝阵中各金属丝之间的互感；
为各回流柱27之间的互感；
L附为回流柱27与阴极杆22和连接电极23间的回路电感；
μ0为真空磁导率(4π×10-7H/m)；
l为负载丝阵中单根金属丝的有效长度，具体指位于负载阴极和负载阳极之间的单根金属丝长度；
linv为反转型丝阵28中单根金属丝的有效长度，具体指位于连接电极与反转型丝阵支撑板之间的单根金属丝长度；
rreturn为回流柱27所在圆周的半径；
rarray为负载丝阵所在圆周的半径；
rwires1为负载丝阵中金属丝的半径；
rwires2为反转型丝阵28中金属丝的半径；
rpost为回流柱27的半径；
rinv为反转型丝阵28所在圆周的半径；
rcathode为阴极杆22的半径；
Nw1为负载丝阵中金属丝的根数；
Nw2为反转型丝阵28中金属丝的根数；
Nret为回流柱27的个数；
负载丝阵和反转型丝阵28的初始电感可以通过调整各自的丝数和长度等参数进行调整。
反转型丝阵28的断路时间可以根据消融模型式(3)进行估算：
上式中，Δm(t)为消融质量；
R0为反转型丝阵的所在圆初始半径；
I为Z箍缩实验用装置的脉冲电流；
t为电脉冲时间；
Vabl为消融等离子体的速度；
由(3)式可以看出，根据Z箍缩实验用装置的脉冲电流可估算任一时刻的消融质量，而消融质量超过50％时认为反转型丝阵28关断，这样通过调整反转型丝阵28的丝数即可调整总的消融质量，进而调节关断时间。

Claims (9)

1.一种用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：包括支撑结构、负载丝阵和反转型丝阵(28)；
所述支撑结构包括阴极杆(22)、依次设置的固定螺帽(26)、阳极盖板(25)、连接电极(23)、反转型丝阵支撑板(29)、阳极连接杆(30)、阳极底座(31)和阴极底座(21)；
连接电极(23)用于安装负载丝阵和反转型丝阵(28)；连接电极(23)为中空柱状结构，其底部开设有多个用于穿过金属丝的孔；
阴极杆(22)的一端依次穿过阳极底座(31)和反转型丝阵支撑板(29)后与连接电极(23)固定连接，实现电接触；阴极杆(22)的另一端与阴极底座(21)固定连接，实现电接触；阴极杆(22)与阳极底座(31)同轴设置；
阳极盖板(25)、阳极底座(31)和反转型丝阵支撑板(29)均与阴极底座(21)平行，且与阴极杆(22)垂直；
在阳极盖板(25)和反转型丝阵支撑板(29)之间还设置有回流柱(27)，回流柱(27)垂直于阳极盖板(25)；
在反转型丝阵支撑板(29)和阳极底座(31)之间还设置有阳极连接杆(30)，阳极连接杆(30)垂直于阳极底座(31)；
所述负载丝阵包括负载阴极(32)、负载阳极(34)和由多根金属丝构成的金属丝阵(24)，负载阴极(32)与支撑结构的连接电极(23)相连，负载阳极(34)与所述阳极盖板(25)通过所述固定螺帽(26)连接；金属丝阵(24)穿过负载阴极(32)和负载阳极(34)端面的孔，且均与负载阴极(32)和负载阳极(34)保持电接触；金属丝阵(24)的一端采用铜胶带固定在负载阴极(32)上，金属丝阵(24)的另一端末端与重物(35)相连，以保证金属丝处于绷紧状态；
所述反转型丝阵(28)包括多根金属丝，该金属丝的一端穿过所述连接电极(23)端面的孔后用铜胶带固定在连接电极(23)上，另一端穿过所述反转型丝阵支撑板(29)，绕过所述阳极连接杆(30)后，与重物(35)相连，以保证金属丝处于绷紧状态。
2.根据权利要求1所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：所述负载丝阵和反转型丝阵(28)的金属丝的长度、丝数和直径均根据脉冲功率加速器参数调整和确定；负载丝阵的金属丝长度指位于负载阴极(32)和负载阳极(34)之间的单根金属丝长度；反转型丝阵(28)的金属丝长度指位于连接电极(23)与反转型丝阵支撑板(29)之间的单根金属丝长度。
3.根据权利要求1所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：所述连接电极(23)的柱面上沿轴向开设有切槽(36)。
4.根据权利要求1所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：所述连接电极(23)与负载阴极(32)的配合为过盈配合。
5.根据权利要求1所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：所述固定螺帽(26)上设置有至少三个沿径向的螺孔(37)，螺栓穿过所述螺孔(37)后压住负载阳极(34)外壁，将负载阳极(34)固定。
6.根据权利要求1所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：所述负载阳极(34)和负载阴极(32)均采用黄铜制成。
7.根据权利要求1-6任一所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：反转型丝阵(28)和/或负载丝阵的参数选取原则是使得：
所述反转型丝阵(28)的初始回路电感小于所述负载丝阵的初始回路电感；
所述反转型丝阵(28)和所述负载丝阵的金属丝长度、直径、线质量和根数应保证所述反转型丝阵的关断时间在Z箍缩实验用装置主电流脉冲的前沿。
8.根据权利要求7所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：所述负载丝阵的初始回路电感和反转型丝阵的初始回路电感分别根据下述公式(1)和(2)计算：
上式中，各参数含义：
Lload为负载丝阵的初始回路电感；
Linv为反转型丝阵的初始回路电感；
Lglobal为回流柱与负载丝阵间的回路电感；
为负载丝阵中各金属丝之间的互感；
为各回流柱之间的互感；
L附为回流柱与阴极杆和连接电极间的回路电感；
μ0为真空磁导率，值为4π×10-7H/m；
l为负载丝阵中单根金属丝的有效长度，具体指位于负载阴极和负载阳极之间的单根金属丝长度；
linv为反转型丝阵中单根金属丝的有效长度，具体指位于连接电极与反转型丝阵支撑板之间的单根金属丝长度；
rreturn为回流柱所在圆周的半径；
rarray为负载丝阵所在圆周的半径；
rwires1为负载丝阵中金属丝的半径；
rwires2为反转型丝阵中金属丝的半径；
rpost为回流柱的半径；
rinv为反转型丝阵所在圆周的半径；
rcathode为阴极杆的半径；
Nw1为负载丝阵中金属丝的根数；
Nw2为反转型丝阵中金属丝的根数；
Nret为回流柱的个数。
9.根据权利要求8所述的用于Z箍缩实验的二级丝阵负载，其特征在于：反转型丝阵的关断时间根据消融模型式(3)计算：
上式中，各参数含义：
Δm(t)为消融质量；
R0为反转型丝阵的所在圆初始半径；
I为Z箍缩实验用装置的脉冲电流；
t为电脉冲时间；
Vabl为消融等离子体的速度；
消融质量超过50％时认为反转型丝阵关断。
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