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  • 聚龍一號(hào)磁絕緣四層圓盤錐體傳輸線的三維粒子

聚龍一號(hào)磁絕緣四層圓盤錐體傳輸線的三維粒子

描述:

介紹了“巨龍一號(hào)”四層圓盤錐磁隔離傳輸線(MITL)的基本原理。CPIPIC平臺(tái)上,使用非均勻網(wǎng)格和周期性對(duì)稱邊界條件,建立了“巨龍1號(hào)”的四層圓盤錐MITL的三維粒子模擬模型。義了......

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  介紹了“巨龍一號(hào)”四層圓盤錐磁隔離傳輸線(MITL)的基本原理。CPIPIC平臺(tái)上,使用非均勻網(wǎng)格和周期性對(duì)稱邊界條件,建立了“巨龍1號(hào)”的四層圓盤錐MITL的三維粒子模擬模型。義了相應(yīng)的參數(shù),并使用并行電流算法來模擬隔離堆棧和MITL上各層的電流和向下電流,并將其與理論和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。真結(jié)果表明,整個(gè)裝置達(dá)到磁隔離狀態(tài)后具有較高的傳輸效率,與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的相互驗(yàn)證為將來的研究提供了保證。年來,Z-pinch等離子內(nèi)爆技術(shù)已經(jīng)成為國(guó)內(nèi)外研究的熱點(diǎn)。Z捏脈沖功率設(shè)備中,傳輸線以MW和TW數(shù)量級(jí)的功率流傳輸高功率脈沖[1]。于高功率電脈沖受到介質(zhì)在介質(zhì)中傳播過程中電介質(zhì)擊穿力的限制,因此介質(zhì)的空間尺寸必須較大,從而導(dǎo)致目標(biāo)區(qū)域附近的電場(chǎng)強(qiáng)度很高設(shè)備的故障,很容易導(dǎo)致介電傳輸線出現(xiàn)故障,從而導(dǎo)致傳輸失敗[2? 3]。
  此,如果使用真空MITL [4-6]脈沖功率器件,則可以獲得高功率脈沖傳輸和中心區(qū)域的融合。其他介質(zhì)傳輸線相比,MITL四層圓盤錐體可以在中央?yún)R合區(qū)域會(huì)聚幾個(gè)脈沖[7]。前,典型的代表性設(shè)備是美國(guó)的Z和ZR設(shè)備,以及中國(guó)最新的“ Julong One”設(shè)備[6]?!熬摭堃惶?hào)”是中國(guó)自主研發(fā),亞洲最大的最大實(shí)驗(yàn)高電流和超大功率脈沖裝置,最大輸出電流為10 MA,上升時(shí)間為脈沖約90 ns。裝置采用24個(gè)周長(zhǎng)均勻分布的結(jié)構(gòu),同軸部分的上下兩層通過水介質(zhì)的自動(dòng)分解開關(guān)直接實(shí)現(xiàn)從同軸結(jié)構(gòu)到三平面?zhèn)鬏斁€的過渡。
  本文中,從粒子模擬的角度來看,在CHIPIC粒子模擬軟件平臺(tái)上,使用并行算法對(duì)“ Julong One”設(shè)備的MITL四層圓盤錐進(jìn)行了數(shù)值研究,并且分析傳播和融合的過程。果相互驗(yàn)證。1顯示了在“巨龍1號(hào)”中使用的MITL四層圓盤錐體[6]的基本結(jié)構(gòu)。的主要結(jié)構(gòu)包括隔離堆,室外MITL,中央集中器(DPHC),室內(nèi)MITL和充電區(qū)域。離堆棧分為四層:A,B,C和D,每層都有6個(gè)隔離環(huán)和5個(gè)均衡環(huán),中央總線區(qū)域會(huì)匯聚MITL傳輸?shù)拿}沖功率內(nèi)部MITL中的外部,最后將其傳輸?shù)截?fù)載以產(chǎn)生電磁內(nèi)爆。了獲得更好的磁絕緣效果,已在負(fù)載上選擇了短路負(fù)載。個(gè)MITL四層圓盤錐的直徑約為2 m,高度為1.5 m。外MITL具有圓錐形配置,分別標(biāo)記為A,B,C和D層。[θa]和[θc]分別表示陽極板和陰極板的坐標(biāo)。央?yún)R合區(qū)由12個(gè)“柱孔”結(jié)構(gòu)組成,其中一個(gè)是“陽極柱”,該陽極柱通過兩個(gè)橢圓形陰極孔連接三個(gè)陽極,兩個(gè)橢圓形陰極孔打開形成“柱孔”結(jié)構(gòu),從而達(dá)到脈沖功率匯合的目的。四層圓盤錐MITL器件中,脈沖功率通過隔離堆棧進(jìn)入外部MITL,然后由DPHC收斂到內(nèi)部MITL并傳輸?shù)截?fù)載。傳輸過程中,流經(jīng)外部MITL的電流不會(huì)超過磁隔離所需的最小電流,并且空間電荷電流會(huì)損失在外部MITL上。電流增加并且大于磁隔離電流時(shí),空間電荷電流不再在外部MITL上丟失。陽極上,但沿著能量流傳播方向的運(yùn)動(dòng)損失在DPHC柱上,并且通過DPHC損失的內(nèi)部MITL在陽極上損失,最終傳遞給負(fù)載為了產(chǎn)生電磁爆燃[8-10],因此在傳輸過程中,為了獲得更好的傳輸效率,傳輸電流必須高于磁絕緣所需的最小電流。MITL達(dá)到磁絕緣的最小電流僅與幾何阻抗(或幾何因數(shù))和陽極電壓有關(guān)。公式中:[I0 =] [2πm0c(μ0e),] [m0,] [c,] [μ0]和[e]是電子間靜止質(zhì)量,真空下的光速,l的磁導(dǎo)率“免費(fèi)空間和電子收費(fèi)額分別; [g]是幾何因子,[g = 60Z0;] [γm]是形成磁絕緣體后電子鞘邊緣的電壓[Vm]相對(duì)論邊緣電勢(shì); [V1]是陽極電位。據(jù)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù),設(shè)備每一層上的脈沖功率的電壓[VA,] [VB,] [VC,] [VD]為2.03 MV,2.32 MV,2.35 MV,2.41 MV。且通過將每層的電壓與公式(1)至(3)組合,每層之外的MITL的最小磁隔離電流為[IA =] 1.079 MA,[IB =] 1.094 MA, [IC =] 0.959 MA,電纜[ID =] 0.960 MA。于外部MITL部件的角坐標(biāo)很小,因此設(shè)備的外部MITL部件和中央?yún)R合部件的網(wǎng)格要求非常好,因此建模過程中的網(wǎng)格數(shù)量非常大,并且網(wǎng)格總數(shù)約為[6.5×106]。管上一篇文章提到了使用周期性限制和不均勻的網(wǎng)格,但是在整個(gè)模擬過程中,由于粒子發(fā)射面積大,單個(gè)PC的模擬時(shí)間花費(fèi)了更多時(shí)間150小時(shí)。于模擬3D粒子[11-12]的連接體積數(shù)據(jù)交換的并行算法可以加快模擬速度。2顯示了使用5個(gè)PC進(jìn)行并行算法建模的示意圖(其中子區(qū)域1到子區(qū)域4是隔離堆棧和外部MITL區(qū)域,子區(qū)域5是中央?yún)R合區(qū)域)。
  了獲得類似于實(shí)際情況的脈沖電源電壓波形,工作過程中充電的脈沖電源的上升沿約為120 ns。端的張力與時(shí)間之間的關(guān)系如圖6所示。7是結(jié)構(gòu)各層絕緣疊層上觀察點(diǎn)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的比較,表1為表1和圖7的絕緣堆疊的每一層的仿真過程和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。對(duì)于這些數(shù)據(jù),可以看出,由于每一層的阻抗和電壓分布不同在器件的結(jié)構(gòu)中,各層的峰值電壓不同,但上升沿保持一致,約為75 ns。真結(jié)果和實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)的上升沿與電壓峰值基本相同。面的分析分析說,當(dāng)電流增加并且大于最小磁隔離電流時(shí),空間電荷通量不再在外部MITL的陽極上損失。8示出了外部MITL的顆粒和總線的中心區(qū)域在100ns處的相空間圖。時(shí),通過傳輸線傳輸?shù)碾娏鞔笥谕獠縈ITL上的最小磁隔離電流,并且外部MITL具有磁隔離狀態(tài)的現(xiàn)象。文分析了該器件的結(jié)構(gòu)以及一個(gè)MITL四層圓盤錐體的磁隔離傳輸,并從理論上計(jì)算了MITL每層的最小磁隔離電流。

聚龍一號(hào)磁絕緣四層圓盤錐體傳輸線的三維粒子模擬研究_no.3

  于CHIPIC軟件,使用并行計(jì)算方法對(duì)設(shè)備的MITL四層圓盤錐體的傳輸和匯合進(jìn)行了全局?jǐn)?shù)字仿真。過仿真獲得了隔離電池,中間部分和總線部分的電流。于每一層的陽極電流都高于該層的MITL的最小磁隔離電流,因此仿真結(jié)果表明整個(gè)器件具有很高的傳輸效率。真結(jié)果也與實(shí)驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行了核對(duì),它們吻合得很好。項(xiàng)工作保證了將來的進(jìn)一步研究。
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