CN114158173B - 一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构 - Google Patents

一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构 Download PDF

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Abstract

本发明属于丝阵负载结构，为解决目前通过在大型脉冲功率装置负载输出前端增加预脉冲开关或等离子体断路开关，降低预脉冲电流影响大的方法中，预脉冲开关在长期高压下工作易发生绝缘击穿，等离子体断路开关需保证开关和装置时间同步，增加了装置运行维护成本的技术问题，提供一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，阴极杆一端与脉冲功率装置的阴极相连，另一端穿过阳极底座并连接有负载底座，阴极杆与阳极底座之间留有间隙，阳极盖板与阳极底座相连形成电流回路，且相互平行设置，负载底座位于阳极盖板和阳极底座之间，负载丝阵一端安装在负载底座上，另一端固定在阳极盖板上，阳极底座上设有过渡件，第一金属丝与阴极杆之间为点接触。

Description

一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构
技术领域
本发明属于丝阵负载结构，具体涉及一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构。
背景技术
丝阵Z箍缩等离子体辐射源作为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的应用前景。
大型脉冲功率装置在主电流脉冲形成过程中会产生一定的预脉冲电流，预脉冲先于主脉冲传输汇聚到丝阵负载处。若预脉冲电流幅值较大，金属丝在预脉冲电流下会发生烧丝或者预先消融，造成等离子体不稳定，破坏金属丝阵的初始对称性，进而影响丝阵在主脉冲电流期间的内爆过程和X射线辐射产额。
为了有效降低预脉冲电流的影响，通常在大型脉冲功率装置负载输出前端增加预脉冲开关或等离子体断路开关，预脉冲开关在长期高压工作条件下易发生绝缘击穿，而使用等离子体断路开关须保证开关和装置间的时间同步，同时，须经常对开关进行清理，这些无疑都增加了装置运行维护的成本。
发明内容
本发明为解决目前通过在大型脉冲功率装置负载输出前端增加预脉冲开关或等离子体断路开关，来降低预脉冲电流影响的方法中，预脉冲开关在长期高压下工作易发生绝缘击穿，等离子体断路开关需保证开关和装置时间同步，且需要经常对开关进行清理，增加了装置运行维护成本的技术问题，提供一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构。
为达到上述目的，本发明采用以下技术方案予以实现：
一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特殊之处在于，包括阴极杆、阳极底座、阳极盖板、负载丝阵和第一金属丝；
所述阴极杆一端与脉冲功率装置的阴极相连，另一端穿过阳极底座并连接有负载底座；阴极杆与阳极底座之间留有间隙；
所述阳极盖板与阳极底座相连形成电流回路，且相互平行设置，负载底座位于阳极盖板和阳极底座之间；
所述负载丝阵一端安装在负载底座上，另一端固定在阳极盖板上；
所述阳极底座朝向负载底座的表面上设有过渡件，所述第一金属丝同时搭放于阴极杆和过渡件上，且第一金属丝与阴极杆之间为点接触。
进一步地，所述过渡件为两个过渡杆；
两个所述过渡杆分别位于阴极杆的两侧，且关于阴极杆对称设置；过渡杆的直径与阴极杆的直径相同；
所述第一金属丝的两端均设有重锤，使第一金属丝分别于所述过渡杆远离阴极杆的一侧垂放。
进一步地，所述阳极盖板远离负载底座的端面上连接有固定螺帽，所述固定螺帽的侧壁沿周向开设有多个定位螺纹孔，所述定位螺纹孔内设有螺钉；
所述负载丝阵的两端均设有电极接头，一端的电极接头与负载底座相连，另一端的电极接头贯穿阳极盖板且位于固定螺帽内；
位于固定螺帽内的电极接头侧壁通过所述螺钉顶紧，用于对电极接头进行径向固定。
进一步地，所述负载丝阵为柱形负载丝阵、平面形负载丝阵或X形负载丝阵中的任一种。
进一步地，所述阴极杆通过法兰盘与脉冲功率装置的阴极相连；
所述阳极底座通过压片与脉冲功率装置的阳极板相连。
进一步地，所述阳极底座与阳极盖板通过多根回流柱相连，所述回流柱与阳极底座相垂直，所述负载底座位于多根回流柱之间。
与现有技术相比，本发明具有以下有益效果：
1.本发明用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，可用于兆安级电流下的Z箍缩实验中，根据不同大型脉冲功率装置的电流参数，通过调整第一金属丝的材料、直径和轴向位置，即可实现预脉冲电流的有效降低或抑制，以保证负载丝阵的初始对称性。
2.本发明在高真空下(10-2Pa)，加速器的绝缘堆受压力差的影响会沿轴向压缩，阴极杆向真空腔室内探出，丝阵负载结构在抽取真空时，预脉冲抑制第一金属丝和阴极杆之间为点接触，可实现平滑移动，且第一金属丝在重锤作用下始终保持紧绷状态。微米级金属丝自身重力较小，在自然状态下呈松弛状态，不利于电接触且增大了电流传导距离，增加重锤可使金属丝保持紧绷状态，克服上述缺点。
3.本发明的丝阵负载结构与等离子体断路开关相比，减少了繁复的控制和电气系统，避免了等离子体断路开关涉及的装置同步，以及等离子体密度调控等诸多复杂问题，操作便捷，易于调控。
附图说明
图1为本发明用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构实施例的结构示意图；
图2为本发明用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构在预脉冲和主电流初始阶段的电流示意图；
图3为本发明用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构在主脉冲电流切换到第二电流回路的示意图。
其中：1-法兰盘、2-阴极杆、3-负载底座、4-负载丝阵、5-阳极盖板、6-固定螺帽、7-回流柱、8-阳极底座、9-第一金属丝、10-过渡杆、11-定位螺纹孔、12-重锤。
具体实施方式
为使本发明实施例的目的、技术方案和优点更加清楚，下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述，显然，所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。通常在此处附图中描述和示出的本发明实施例的组件可以以各种不同的配置来布置和设计。
本发明提供了一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，可应用于大型脉冲功率装置Z箍缩实验中，通过负载参数调整，能够有效降低或抑制装置的预脉冲电流，以保证负载丝阵的初始对称性。
如图1所示，一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，包括阴极杆2、阳极底座8、阳极盖板5、负载丝阵4和第一金属丝9。
连接法兰1、阴极杆2、负载底座3、阳极盖板5、固定螺帽6、回流柱7和阳极底座8形成支撑结构，阴极杆2通过连接法兰1与脉冲功率装置的阴极相连，实现电接触，阳极底座8与脉冲功率装置的阳极板通过压片连接在一起，实现电接触。阴极杆2远离脉冲功率装置的一端穿过阳极底座8设置，且在该端的端部连接有用于安装负载丝阵4的负载底座3，阴极杆2穿过阳极底座8并与阳极底座8之间留有间隙。阳极盖板5与阳极底座8通过多根回流柱7相连，构成电流回路，阳极盖板5与阳极底座8相互平行，且回流柱7与阳极底座8相垂直，负载底座3位于阳极盖板5与阳极底座8之间的多根回流柱7之间。负载丝阵4的丝阵一般呈柱形、平面形或X形，负载丝阵4一端安装在负载底座3上，另一端固定在阳极盖板5上，作为一种优选方案，负载丝阵4和阳极盖板5的具体连接方式是，负载丝阵4由多根第二金属丝组成，连接在两电极之间，阳极盖板5远离负载底座3的端面上通过螺纹连接固定有固定螺帽6，使阳极盖板5和固定螺帽6之间实现固定和电接触，固定螺帽6的侧壁沿周向开设有多个定位螺纹孔11，定位螺纹孔11内设有螺钉，负载丝阵4的两端均设有电极接头，一端的电极接头与负载底座3相连，另一端的电极接头贯穿阳极盖板5且位于固定螺帽6内，位于固定螺帽6内的电极接头侧壁通过螺钉顶紧，用于对电极接头进行径向固定和电接触，定位螺纹孔11的开设位置，要保证使各螺钉插入后，能够使每个电极接头均被两个螺钉在径向顶紧，且位置上互不干扰。阴极杆2和连接法兰1之间，以及阴极杆2与负载底座3之间都可以通过螺纹实现固定和电接触。
第一金属丝9和过渡杆10形成预脉冲抑制开关，阳极底座8朝向负载底座3的表面上设有两个过渡杆10，两个过渡杆10分别位于阴极杆2的两侧，且关于阴极杆2对称设置，第一金属丝9的两端均设有重锤12，第一金属丝9同时搭放于阴极杆2和两个过渡杆10上，由于重锤12的设置，第一金属丝9分别于过渡杆10远离阴极杆2的一侧自然垂放，在重力作用下保持自然绷紧状态，过渡杆10的直径与阴极杆2的直径相同，使第一金属丝9与阴极杆2之间为点接触，以保证第一金属丝9与阴极杆2之间为点接触，确保在主电流脉冲达到后快速实现开关断路。
本发明中，根据不同大型脉冲功率装置的电流参数，通过调整第一金属丝的材料、直径和轴向位置，即可实现预脉冲电流的有效降低或抑制，具体调整方法为，可根据预脉冲电流的大小和持续时间，确定第一金属丝的材料、直径和轴向位置，电流较大时可增大第一金属丝的直径或选用较难消融的材料，反之减小第一金属丝的直径或者选用较易消融的材料；调整第一金属丝丝的轴向位置可改变对应回路的电感，因而可根据预脉冲持续时间来改变第一金属丝的轴向位置，以达到抑制预脉冲的目的。
本发明提供的上述用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构的工作原理是：
用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构包括两个电流回路：一个是由阳极底座8、过渡杆10、第一金属丝9和阴极杆2组成的第一电流回路；另一个是由阳极底座8、回流柱7、阳极盖板5、固定螺帽6、负载丝阵4、负载底座3和阴极杆2组成的第二电流回路。显然地，第一电流回路的电感远小于第二电流回路的电感，因此，如图2所示，在预脉冲和主电流初始阶段，绝大部分电流通过第一电流回路，第一金属丝9在预脉冲作用下电离产生等离子体，随着主电流的开始和增大，等离子体在洛伦兹力(J×B)作用下向远离阴极杆2的方向消融，最终发生断路(与等离子体断路开关相似)，如图3所示，主脉冲电流切换到第二电流回路驱动负载丝阵4的内爆。通过这种方法可有效地降低预脉冲电流对负载丝阵的不利影响。
以上仅为本发明的优选实施例而已，并不用于限制本发明，对于本领域的技术人员来说，本发明可以有各种更改和变化。凡在本发明的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (6)

1.一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特征在于：包括阴极杆(2)、阳极底座(8)、阳极盖板(5)、负载丝阵(4)和第一金属丝(9)；
所述阴极杆(2)一端与脉冲功率装置的阴极相连，另一端穿过阳极底座(8)并连接有负载底座(3)；阴极杆(2)与阳极底座(8)之间留有间隙；
所述阳极盖板(5)与阳极底座(8)相连形成电流回路，且相互平行设置，负载底座(3)位于阳极盖板(5)和阳极底座(8)之间；
所述负载丝阵(4)一端安装在负载底座(3)上，另一端固定在阳极盖板(5)上；
所述阳极底座(8)朝向负载底座(3)的表面上设有过渡件，所述第一金属丝(9)同时搭放于阴极杆(2)和过渡件上，且第一金属丝(9)与阴极杆(2)之间为点接触。
2.如权利要求1所述一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特征在于：所述过渡件为两个过渡杆(10)；
两个所述过渡杆(10)分别位于阴极杆(2)的两侧，且关于阴极杆(2)对称设置；过渡杆(10)的直径与阴极杆(2)的直径相同；
所述第一金属丝(9)的两端均设有重锤(12)，使第一金属丝(9)分别于所述过渡杆(10)远离阴极杆(2)的一侧垂放。
3.如权利要求1或2所述一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特征在于：
所述阳极盖板(5)远离负载底座(3)的端面上连接有固定螺帽(6)，所述固定螺帽(6)的侧壁沿周向开设有多个定位螺纹孔(11)，所述定位螺纹孔(11)内设有螺钉；
所述负载丝阵(4)的两端均设有电极接头，一端的电极接头与负载底座(3)相连，另一端的电极接头贯穿阳极盖板(5)且位于固定螺帽(6)内；
位于固定螺帽(6)内的电极接头侧壁通过所述螺钉顶紧，用于对电极接头进行径向固定。
4.如权利要求3所述一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特征在于：
所述负载丝阵(4)为柱形负载丝阵、平面形负载丝阵或X形负载丝阵中的任一种。
5.如权利要求4所述一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特征在于：
所述阴极杆(2)通过法兰盘(1)与脉冲功率装置的阴极相连；
所述阳极底座(8)通过压片与脉冲功率装置的阳极板相连。
6.如权利要求4所述一种用于抑制预脉冲电流的丝阵负载结构，其特征在于：
所述阳极底座(8)与阳极盖板(5)通过多根回流柱(7)相连，所述回流柱(7)与阳极底座(8)相垂直，所述负载底座(3)位于多根回流柱(7)之间。
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