金属丝阵负载阻抗特性的初步研究与负载优化设计

摘要

Z箍缩(Z-pinch)是一种将电容器中的电能耦合到高密度等离子体中的一种非常有效的技术，起源于20世纪50年代，受到自身不稳定性和装置驱动能力的制约，该项技术在很长的一段时间内没有得到很好的发展。20世纪90年代，经过了近半个世纪的低迷期后，在世界各国科学家共同努力下，Z-pinch技术取得了突破:在使用金属丝阵负载的情况下，获得了200 TW左右的辐射功率，能量转化效率达到了15％之高;迎来了发展的黄金时代，成为最重要的实验室用X射线源之一，在多个相关领域的研究扮演了重要的角色。
　　为了更好的研究Z-pinch技术，其中一个重要的目标就是要弄清楚其装置负载的内爆过程，这就需要对负载的整体特性进行了解。本文选择当前实验室最常使用的金属丝阵负载为研究对象，结合现有实验装置“阳”加速器为载体，对金属丝阵负载作为一个整体在整个Z-pinch装置中所起到的作用进行了研究，重点考虑负载本身的阻抗特性表现，及负载参数对装置和实验结果的影响。具体方法如下:基于描述Saturn装置的ZORK模型，使用PSPICE语言建立了适用于“阳”加速器使用的金属丝阵负载模型并进行了计算，将数值模拟的结果同实验结果进行了对比，讨论了影响模拟结果的相关因素，并对比较结果进行了分析，给出了适合使用的负载模型具体参数，同时关于此负载模型的适用性及缺点进行了分析。
　　在此基础上，利用所得到的结果，对在建的PTS装置进行负载优化设计，综合计算后，对PTS装置的整体性能评估，给出装置驱动能力的主要参数，并设计最优化的负载参数以供实验使用，具体实施方法如下:基于描述Saturn装置的ZORK模型，使用PSPICE语言建立零维负载模型，使用此模型讨论并计算了不同条件参数下负载的电流曲线，讨论负载参数对电流曲线的影响，给出PTS装置整体驱动能力评估;并选择优化的电流曲线作为MHD计算的初始条件，计算结果进行比较讨论，得到最适合实验使用的负载参数条件。
　　计算得到PTS装置的总体驱动能力为:PTS装置的驱动电流约10MA，电流上升时间(10％～90％)约90ns左右，优化后负载的取值范围约为:负载半径R取值8.75mm～10mm，负载质量m取值4mg～5mg之间，负载高度建议取值2cm固定，得到的优化负载内爆时间约120ns，辐射功率在70TW～100TW之间，优化辐射能量约700kJ，能量转换效率10％。计算给出建议实验采用的最优化负载加载条件为:选择132根单丝半径为5μm的钨丝丝阵负载，负载半径选择1 cm，负载质量为4mg，负载高度为2cm;此负载内爆时间约120ns，理论辐射功率峰值约100TW，辐射能量预期为1MJ，能量转换效率约15％。PTS装置驱动能力，总体上基本与Saturn装置处于同一水平，但稍优于Saturn，取决于实验负载的设计情况。
　　通过本文的研究工作，对Z-pinch整个发展历史及负载研究状况有了更深一步的认识，对金属丝阵负载的阻抗特性有了初步的研究，同时对“阳”加速器和PTS装置有了一定的了解，学习和掌握了优化设计金属丝阵负载方法，给出了PTS装置驱动能力的评估和建议实验采用的最优化负载加载条件，对装置建设和实验开展具有一定的指导意义。

目录

声明

摘要

第一章 绪论

1．1 问题的提出及意义

1．2 Z-pinch技术的发展历程

1．2．1 20世纪50年代：聚变能量应用

1．2．2 20世纪60年代：X射线源的应用

1．2．3 20世纪70年代：pinch技术的重生

1．2．4 20世纪80年代：近代脉冲功率的兴起

1．2．5 20世纪90年代：Z-pinch发展的黄金时代

1．2．6 21世纪：超高功率的X射线源与聚变能源

1．3 国内外主要Z-pinch装置

1．4 国内外研究现状

1．4．1 Spitzer公式与Lee-More模型

1．4．2 电路数值模拟的研究

1．4．3 负载模型的处理

1．5 主要研究内容

1．6 本文的结构和安排

第二章 基本理论

2．1 Z-pinch数值模拟

2．2 ZORK模型与PSPICE

2．2．1 ZORK模型

2．2．2 PSPICE语言与ABM建模

2．3 负载优化设计

2．4 能量利用最优化

第三章 负载模型的PSPICE实现与验证

3．1 ABM构造丝阵内爆负载模型

3．2 Saturn装置参数验证

3．3 “阳”加速器应用

3．3．1 驱动电路模拟

3．3．2 固定阻抗负载

3．3．3 变阻抗负载

3．3．4 实验值比较

3．3．5 负载模型参数调整

3．4 讨论

3．4．1 模型适用范围

3．4．2 误差分析

3．5 小结

第四章 PTS装置负载优化设计

4．1 基本方法

4．2 负载优化设计

4．2．1 负载参数的作用

4．2．2 加载电流曲线与负载半径R的关系

4．2．3 加载电流曲线与负载质量m的关系

4．3 MND计算开展

4．4 最优实验负载参数确定

4．5 与九所计算结果的对比

4．6 小结与讨论

第五章 总结与展望

5．1 主要研究结论

5．2 本文创新点

5．3 本文的不足

5．4 未来的展望

致谢

参考文献

攻读硕士学位期间参会及发表文章情况