Z箍缩金属丝阵负载结构及金属丝早期融蚀现象分析方法

摘要

本发明涉及Z箍缩金属丝阵负载结构及金属丝早期融蚀现象分析方法，其中负载结构包括阳极、阴极及金属丝阵，所述阳极与阴极相对设置，所述金属丝阵位于阳极与阴极之间；所述金属丝阵包括至少两根金属丝，金属丝之间平行设置；Z箍缩金属丝阵负载结构还包括用于测量每根金属丝的罗氏线圈，金属丝位于罗氏线圈的中心，阳极正对阴极的一面开设有罗氏线圈安装槽，罗氏线圈安装于罗氏线圈安装槽内。本发明通过对丝阵Z箍缩过程中各金属丝早期电流的测量，解释金属丝早期融蚀演化的物理现象；而金属丝早期电流的监测可以帮助我们认识材料、电极结构等因素对丝阵早期演化的影响以及融蚀等离子体对电流分布的影响。

说明书

技术领域

本发明涉及一种Z箍缩金属丝阵负载结构及丝阵Z箍缩金属丝早期融蚀现象的分析方法。

背景技术

金属丝阵负载Z箍缩研究近十几年来取得了显著进展，Sandia实验室Z装置(100ns，20MA)上，采用双层丝阵负载(外层直径为7um的240根钨丝构成直径为2cm的丝阵列，内层用120根相同的钨丝构成直径为1cm的丝阵列)，获得了总能量2MJ，辐射功率290TW的软X辐射，能量转换率超过了15％。

虽然金属丝阵Z箍缩实验取得了较为瞩目的成果，但是由于内爆过程中各种不稳定性的影响，限制了内爆产额和效率的进一步提升。研究表明金属丝阵Z箍缩的演化起源于单丝电爆炸阶段形成的核冕结构；在融合和消融阶段中，等离子体在磁场和核冕结构的耦合作用下进一步发展，整个过程与负载和电流参数密切相关。因此，金属丝阵早期的能量馈入会直接影响到其后续的融蚀演化和内爆。

目前在混合丝阵Z箍缩中发现了不同单丝演化的差异性，但尚未有分析丝阵中各单丝行为的方法。

脉冲功率技术常用于测量电流的方法是罗可夫斯基线圈、微分环和分流器，其中罗氏线圈使用灵活方便，测量范围较宽，其原理示意图如图1所示，另外罗氏线圈可独立于被测系统单独标定，其灵敏度固定不变；微分环与罗氏线圈电路原理相同，区别是微分环为单匝线圈，而且它不能脱离被测系统单独标定，其灵敏度与安装位置和使用条件有关，需要严格控制。

中国工程物理研究院周林等采用微型磁探针(微分环)在“强光一号”装置上测量了钨丝阵融蚀阶段内部通过消融等离子体的电流，但是微型探针结构容易受到等离子体的影响，测量不确定度较大；

分流器原理简单，它是在被测电流回路中串联一个小电阻，通过记录其上的电压信号推知被测电流。西北核技术研究所王亮平采用电阻分流器在“强光一号”上测量了通过X丝负载的电流，测量可信度较高，其中分流电阻采用Ni薄膜电阻。受其空间结构的限制，无法用来测量丝阵中流经各金属丝的电流。

在现有Z箍缩测量中，一般只监测通过丝阵负载的总电流，而丝阵中各金属丝的电流测量尚未见到相关报道。

发明内容

为了研究金属丝阵早期的能量馈入对后续的融蚀演化和内爆的影响，本发明提供一种Z箍缩金属丝早期融蚀现象的分析方法。

本发明的技术解决方案是：

本发明的Z箍缩金属丝阵负载结构，包括阳极、阴极及金属丝阵，所述阳极与阴极相对设置，所述金属丝阵位于阳极与阴极之间；所述金属丝阵包括至少两根金属丝，金属丝之间平行设置；其特殊之处在于：

所述Z箍缩金属丝阵负载结构还包括用于测量每根金属丝电流的罗氏线圈，金属丝位于罗氏线圈的中心，所述阳极正对阴极的一面开设有罗氏线圈安装槽，罗氏线圈安装于罗氏线圈安装槽内；

所述Z箍缩金属丝阵负载结构还包括均匀布置在阳极与阴极之间的至少两根绝缘支撑。

上述金属丝阵的金属丝的数量为2个，

利用上述的Z箍缩金属丝阵负载结构进行金属丝早期融蚀现象分析的方法，

其特殊之处在于：包括以下步骤：

1)确定待分析金属丝的物理参数，所述物理参数包括材料、直径及表面镀层；

2)对负载结构中的罗氏线圈进行标定

2.1)对各罗氏线圈进行在线标定，得到各自的灵敏系数k；

2.2)求取各罗氏线圈之间的耦合系数a；

3)利用罗氏线圈测量流经每根金属丝的电流；

4)利用罗氏线圈测量流经负载结构的总电流

5)结合流经每根金属丝的电流、流经负载结构的总电流、金属丝的物理参数分析金属丝融蚀现象。

步骤5)的分析依据为：对于单一丝阵，通过各金属丝的电流基本相等，流经各金属丝的电流在丝阵演化早期基本吻合；流经各金属丝的电流之和与流经负载结构的总电流在丝阵演化早期吻合得很好，随着电流的增大，流经各金属丝的电流之和与流经负载结构的总电流偏离，说明在丝阵演化过程中，随着电流的增大，金属丝会融蚀产生等离子体，等离子体的扩散速度较快，且会分配一部分电流，从而改变金属丝附近的电流分布；

对于混合丝阵，流经各丝测得的电流结果则存在较大差异，流经电流大的金属丝融蚀快，流经电流小的金属丝融蚀慢。

本发明与现有技术相比，优点是：

1、本发明的丝阵负载结构在单独使用时的优点是可以适用于不同电流水平的脉冲功率装置，负载采用绝缘支撑的方式，可以节约丝阵负载制作的时间和装配流程。

2、利用本发明的丝阵负载结构能够对丝阵演化早期通过金属丝的电流进行较为准确的测量，便于后续进行能量馈入的计算。

3、本发明的丝阵Z箍缩金属丝早期融蚀现象的分析方法，通过对丝阵Z箍缩过程中各金属丝早期电流的测量，解释金属丝早期融蚀演化的物理现象；而金属丝早期电流的监测可以帮助我们认识材料、电极结构等因素对丝阵早期演化的影响以及融蚀等离子体对电流分布的影响。

附图说明

图1是罗氏线圈测量原理示意图；

图2是基于FLTD平台的真空腔体和金属丝阵负载；

图3是本发明用于金属丝早期电流测量的丝阵负载；

图4是丝阵负载与装置的连接方式；

图5-1及图5-2分别为2#和3#小罗氏线圈的标定结果；

图6-1为实验短路波形；

图6-2为修正后的电流波形；

图7中(1)(2)为双W丝、(3)(4)为双镀膜W丝、(5)(6)为混合丝阵的金属丝电流分配测量波形，其中图(2)(4)(6)为2#和3#线圈加成后的波形与1#线圈测得的总电流波形。

其中附图标记为：1-阳极、2-阴极、3-金属丝、4-罗氏线圈、5-绝缘支撑、6-回流柱、7-装置阳极、8-装置阴极、9-锥座、10-法兰、11-测量总电流的罗氏线圈。

具体实施方式

以下结合附图对本发明进行详细说明。

本发明设计了一种负载结构，制作了相应的罗氏线圈，测量了丝阵演化早期通过各金属丝的电流。设计的丝阵负载结构如图3所示，其中负载阴极和阳极分别与加速器阴极和回流柱负载相连(图4所示)，绝缘支撑结构主要是防止金属丝阵在抽取真空时发生松动，受空间位置的限制，丝阵负载由两根金属丝组成，分别位于两个小罗氏线圈的中心。罗氏线圈按图1所示原理制作，并将线圈固定在图3所示位置，线圈输出位于阳极头的另一侧，经信号电阻和同轴电缆传输到示波器。两个小罗氏线圈均安装完毕后，须分别进行在线标定，得到各自的灵敏系数k(V/A)。

由于两个小线圈位置较近，实际测量时，通过每根金属丝的电流产生的磁场会互相影响，使测量结果存在偏差，因此需要对测量结果进行修正。脉冲电流经阳极、回流柱、金属丝阵负载和连接锥座到达阴极，图4阳极板底侧的罗氏线圈用于测量通过整个丝阵负载的总电流I₁。在短路情况下，两个分测电流的小罗氏线圈的加成即为通过负载的总电流I₂+I₃，将加成后的总电流同I₁进行比较，理论上应该满足：

I₁＝a(I₂+I₃)

根据短路条件下的测量结果，即可得到耦合系数a。

完成小线圈的标定后，即可用来测量丝阵演化早期通过金属丝的电流。

该负载结构已在单级快放电直线型变压器驱动源模块(Fast Linear Transformer Driver，FLTD，图2所示)上进行了实验，针对双W丝、双镀膜W丝以及W与镀膜W丝组成的混合丝阵分别测量了早期通过各金属丝的电流，获得了良好的实用效果。

在FLTD模块使用上述负载结构测量电流的具体实施方式为：

1.根据图3中线圈的预留尺寸，选取罗氏线圈的骨架、导线线径进行线圈制作，制作完毕后将其固定在图示位置，在另一侧通过电缆头引出信号。

2.根据罗氏线圈的参数确定采样电阻，电流引出信号经采样电阻和测量电缆连接到示波器上。

3.对两个小罗氏线圈分别进行标定实验(两个小线圈分别命名为2#和3#，1#为图4所示用于测量负载总电流的罗氏线圈)。标定线圈2#时，将其对应的金属丝更换为铜棒，而线圈3对应位置不连金属丝；标定线圈3#时，同理。在FLTD模块电容器充电±25kV时，两个小罗氏线圈的标定结果如图5所示，各自的灵敏系数分别为k₂＝6.45×10^-3(V/A)和k₃＝9.09×10^-3(V/A)。

4.电流修正系数的确定：将图3所示位置对应金属丝均更换为铜棒，在短路情况下，三个线圈输出的电流波形如图6-1所示，2#和3#的测量结果基本相等，修正后的波形如图6-2所示，修正系数a＝1.33。

5、在FLTD上分别进行了双W丝、双镀膜W丝和混合型丝阵的实验，实验测得的电流波形如图7所示。其中图(2)(4)(6)为2#和3#线圈加成后的波形与1#线圈测得的总电流波形，二者在丝阵演化早期吻合得很好。随着电流的增大，金属丝融蚀产生的等离子体扩散速度较快，且形成了分流，从而改变了金属丝附近的电流分布，此时两个小线圈的测量结果便与总电流I₁不再符合。

实验结果发现，丝阵负载为双W丝或双镀膜W丝时，罗氏线圈2#和3#测得的波形基本吻合，说明通过两根金属丝的电流基本相等；而对于混合丝阵而言，两线圈测得的结果则存在较大差异，这与实验获得的金属丝演化图像相一致。

需要注意的是：在丝阵演化过程中，随着电流的增大，金属丝会融蚀产生等离子体，等离子体的扩散速度较快，且会分配一部分电流，从而改变金属丝附近的电流分布，此时两个小线圈的测量结果便与总电流I₁不再符合。