（光学工程专业论文）等离子体融断开关物理机制的粒子模拟研究.pdf

国防科学技术大学研究生院学位论文 a b s t r a c t p l a s m ae r o s i o no p e n i n gs w i t c h ( p e o s li sac r i t i c a ld e v i c eu s e di nt h ep u l s e dp o w e r a p p a r a t u sf o rm o d e m r a d i a t i o np h y s i c sa n di n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o nr e s e a r c h t h e r ei s n op e r f e c tt h e o r e t i c a ld e s c r i p t i o n o rm o d e lf o rp e o sp r e s e n t l y , a n dt h e s w i t c h i n g p h e n o m e n ad i f f e rf r o ms y s t e mt os y s t e m i na d d i t i o n ，t h e r ei s s t i l lm u c ht od of o rt h e i m p r o v e m e n to fp e r f o r m a n c e t h ep u r p o s e o ft h i sd i s s e r t a t i o ni st h e r e f o r et o i n s p e c t p o s s i b l yu n d i s c o v e r e df a c t o ra n d m e c h a n i s md o m i n a t i n gt h ep e o sb e h a v i o r , a n dt os e e k p o t e n t i a lt e c h n i c a ls o l u t i o n f o rb e t t e rs w i t c hp e r f o r m a n c e b e c a u s et h a tc o m p l e xp h e n o m e n ai np e o si n v o l v ek i n e t i ce f f e c t so fp l a s m aa n d c a t h o d ee m i t t e de l e c t r o n s ，a n de v o l u t i o no fe l e c t r o m a g n e t i cf i e l d s ，p a r t i c l e i n c e l l ( p i c ) c o d e i sc h o s e na s s t u d y t 0 0 1 a n dat w oa n dh a i fd i m e n s i o n a l c y l i n d r i c a lf u l l y e l e c t r o m a g n e t i c p i cc o d ec y l i n d e i 也- 1 2 d ，w h i c hi ss u i t a b l ef o r s i m u l a t i n g t h e o p e r a t i o n o ft l ep e o s h a sb e e ne s t a b l i s h e d i nt h ec y l i n d e r 2 1 ，2 dc o d e 。 o b j e c t o r i e n t e dm e t h o d o l o g y i s e m p l o y e dt o i n c r e a s e f l e x i b i l i t ya n de x t e n s i b i l i t y , a c h a r g ec o n s e r v i n gc u r r e n tw e i g h t i n ga l g o r i t h ma n d am u l t i t i m e - s c a l ea l g o r i t h mi su s e dt o e n h a n c e c o m p u t a t i o n a le m c i e n c y c u r r e n t l y , c y l i n d e r 2 1 2 d i n c l u d e s b o u n d a r y c o n d i t i o n sf o rt h ee l e c t r i ca n dm a g n e t i cf i e l d sa tt h es u r f a c eo fi d e a lc o n d u c t o r s ，t h e c y l i n d r i c a la x i s t h ei n c o m i n gw a v ep o r t s an e w a n ds i m p l em o d e lf o re x p l o s i o ne l e c t r o n e m i s s i o nf r o mc a t h o d es u r f a c e si sd e s c r i b e d t h es i m p l et w od i m e n s i o n a ld i o d ee m i s s i o n p r o b l e mi ss i m u l a t e db yt h ep i cc o d ea n dc l a s s i c a lo n e d i m e n s i o n a lc h i l d l a n g m u i rl a w i se x t e n d e dt ot w od i m e n s i o n s c o n d u c t i o na n d o p e n i n gp r o c e s s e so f l o w d e n s i t y ( 1 0 1 2 c m 3 1p e o s a r ee x a m i n e dw i t h t h ea i do fp i cs i m u l a t i o n i ns i m u l a t i o n s a 1 1 i m p o r t a n tp h e n o m e n a 。s u c h a sn o n - n e u t r a l s h e a t hw i d e n i n gn e a rc a t h o d e 。c a t h o d ee l e c t r o ne m i t t i n g c u r r e n tc h a n n e lm i g r a t i n gt ot h e 1 0 a ds i d eo ft h ep l a s m a ，i o na c c e l e r a t i n gt o w a r dc a t h o d ea n dm a g n e t i ci n s u l a t i o no f c a t h o d ee m i t t i n ge l e c t r o n se t c 。h a v eb e e no b s e r v e da n dd e p i c tt h ei n t e m a lp h y s i c so ft h i s d e v i c e a l s op r e s e n t e di st h ei n f l u e n c eo fc a t h o d ee m i t t e de l e c t r o n so np h e n o m e n ai nt h e c o n d u c t i o np r o c e s s e so fp e o s t h es i m u l a t i o nr e s u l t ss h o w , w i t h o u tc a t h o d ee m i t t e d e l e c t r o n s ，r a p i dm a g n e t i cf i e l dp e n e t r a t i o nt a k e sp l a c eo n l yi nr e g i o nn e a rt h ec a t h o d e ， 、v i t hc a t b o d ee m i t t e de l e c t r o n s m a g n e t i cf i e l dp e n e t r a t i o nt a k e sp l a c ei na l lp l a s m a r e g i o n t h e s c a l i n g r e l a t i o n so fc o n d u c t i o nt i m ea n d o p e n i n g t i m ew i t ht h ep l a s m ad e n s i t y , w h i c h a r ec o m p u t e db yas e r i e so fs i m u l a t i o nr e s u l t s ，s h o wt h a t ，i n f l u e n c eo f p l a s m ad e n s i t yo n c o n d u c t i o nt i m ei sg r e a t e rt h a no p e n i n gt i m e i n f l u e n c eo fc a t h o d ee m i t t e de l e c t r o n so n c o n d u c t i o np r o c e s s ，w h i c hi sf o u n dt ob em o r ei m p o r t a n tw h e ni n i t i a lp l a s m ad e n s i t yi s l o w , i sd e p e n d e n to f t h ei n i t i a lp l a s m ad e n s i t y t h e p e n e t r a t i o no f am a g n e t i cf i e l di n t oc y l i n d r i c a lm i d d l e d e n s i t y ( 1 0 1 3 c m ) c ”a n d h + p l a s m a 、i t l lu n i f o i t na n dp a r a b o l i cd e n s i t yp r o f i l e a r ee x a m i n e dw i t ha i do fp i c s i m u l a t i o n i nr e g i o n sw h e r ee m h di se x p e c t e dt ob ed o m i n a n t t h es i m u l a t i o n ss h o w 第5 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 r a p i da x i a lp e n e t r a t i o no fm a g n e t i cf i e l di n t op l a s m a h o w e v e r , t h es p e e do f p e n e t r a t i o ni s e q u a lt op r e d i c t e dv a l u eb yf l u i dt h e o r yo n l yi nc ”p l a s m a w i t hu n i f o r md e n s i t y p r o f i l e o no t h e rc o n d i t i o n s ，s t r o n gt w o d i m e n s i o n a le f f e c t s ，e l e c t r o s t a t i ca c c e l e r a t i n g ，m a g n e t i c p r e s s u r ea n dp l a s m ap r e s s u r es h o u l db ei n c l u d e di nt h ef l u i da n a l y s i s t h e g a p f o r m a t i o n p r o c e s s ，i n t h el a s t s t a g e s o fc o n d u c t i o n p h a s e o fh i g h d e n s i t y ( 1 0 l c m 。) p e o s ，i se x a m i n e db y p i cs i m u l a t i o n i ns i m u l a t i o n s ，e v o l u t i o n p l o t so f p l a s m aa n dc u r r e n ts t r e a m l i n ea r eu s e dt oa n a l y z et h em e c h a n i s mo fg a df o r m a t i o n a c c o r d i n g t os i m u l a t i o nr e s u l t n e we r o s i o nm o d e li ss u g g e s t e dt or e a s o n a b l yd e s c r i b et h e o p e n i n gp r o c e s so fh i g hd e n s i t y p e o s p i cs i m u l a t i o n sa r ep e r f o r m e dt od e t e r m i n eg a ps c a l i n gi nah i g hd e n s i t yp e o s c o m p a r i s o n so fs i m u l a t i o nr e s u l t s w i t hs i m p l yt h e o r yr e s u l t sa n d e x p e r i m e n tr e s u l t s i n d i c a t et h a tt h ep e o sg a pi s a l w a y se q u a lt ot h ec r i t i c a lg a pf o rm a g n e t i ci n s u l t e d e l e c t r o nf l o w i ti si m p o r t a n tt on o t et h a t t h ev a c u u me l e c t r o nf l o wt ot h ea n o d ec a u s e s c u r r e n tl o s sa n dt h ec u r r e n tl o s sd e p e n d so nt h el o a di m p e d a n c e 。t h ep e a kl o a dp o w e r i s m a x i m i z e dw h e nt h el o a di m p e d a n c ei se q u a lt ot h ep e o s f l o wi m p e d a n c e 第6 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 电感储能的高功率脉冲功率技术 脉冲功率技术是一种将静电能量转化为高功率、短脉冲的电磁能量并释放到特定 负载中去的电物理技术，它要求输出脉冲具有上升前沿短、功率高的特点。在近半 个世纪里，随着高功率微波、强流带电粒子柬武器等现代国防科学技术的发展，脉 冲功率技术得到了迅猛的发展。近期，新概念武器如高能电子柬和离子束、高功率 激光以及惯性约束聚变等领域要求脉冲功率技术朝着超高功率、装置小型化的方向 发展。 早期，脉冲功率技术是以电容储能的脉冲功率技术为主。典型的电容储能装置 是由高压低电流m a r x 发生器、一系列闭合开关和同轴型水介质脉冲形成线( c o a x i a l w a t e r d i e l e c t r i c p u l s e f o r m i n g 1 i n e ) 、脉冲传输线( t r a n s m i s s i o nl i n e ) 、脉冲输出线 ( o u t p u tl i n e ) 所组成【l 】。m a r x 发生器输出的电磁脉冲通过上述开关和脉冲形成线 被逐级压缩，并最终在负载上获得高功率的能量输出。在电容储能技术的发展中， 研究人员发现这种储能技术存在以下几个明显的缺点：一是预脉冲的出现。由于传 输线电容存在耦合，因此在最终需要的高电压脉冲到达负载之前，负载上就出现了 幅度较低但作用时间较长的电压预脉冲。预脉冲的出现会严重影响负载的应用，如 电子束二极管出射强流相对论带电粒子束的质量。二是因电容器存储密度较小造成 的装置尺寸庞大、造价昂贵。尺寸庞大使得装置的安装、调试以及搬运较为困难， 造价昂贵限制了小型科研工作单位的购买和使用。三是性能的提升较难。为了提高 输出脉冲的功率，就必须增加闭合开关和传输线的数目，而闭合开关和传输线数目 的增加导致前两个缺点更为明显。 为了克服电容储能装置的缺点，同时有效地提高脉冲功率装置的性能以及减小装 置的尺寸，人们提出了电感储能的新思想，即利用传输线电感和断路开关进行储能 和放电。其中，利用真空传输线电感储能不仅可以消除预脉冲出现，还可以避免使 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 第一章绪论 1 1 电感储能的高功率脉冲功率技术 脉冲功率技术是一种将静电能量转化为高功率、短脉冲的电磁能量并释放到特定 负载中去的电物理技术，它要求输出脉冲具有上升前沿短、功率高的特点。在近半 个世纪里，随着高功率微波、强流带电粒子柬武器等现代国防科学技术的发展，脉 冲功率技术得到了迅猛的发展。近期，新概念武器如高能电子柬和离子束、高功率 激光以及惯性约束聚变等领域要求脉冲功率技术朝着超高功率、装置小型化的方向 发展。 早期，脉冲功率技术是以电容储能的脉冲功率技术为主。典型的电容储能装置 是由高压低电流m a r x 发生器、一系列闭合开关和同轴型水介质脉冲形成线( c o a x i a l w a t e r d i e l e c t r i c p u l s e f o r m i n g 1 i n e ) 、脉冲传输线( t r a n s m i s s i o nl i n e ) 、脉冲输出线 ( o u t p u tl i n e ) 所组成【l 】。m a r x 发生器输出的电磁脉冲通过上述开关和脉冲形成线 被逐级压缩，并最终在负载上获得高功率的能量输出。在电容储能技术的发展中， 研究人员发现这种储能技术存在以下几个明显的缺点：一是预脉冲的出现。由于传 输线电容存在耦合，因此在最终需要的高电压脉冲到达负载之前，负载上就出现了 幅度较低但作用时间较长的电压预脉冲。预脉冲的出现会严重影响负载的应用，如 电子束二极管出射强流相对论带电粒子束的质量。二是因电容器存储密度较小造成 的装置尺寸庞大、造价昂贵。尺寸庞大使得装置的安装、调试以及搬运较为困难， 造价昂贵限制了小型科研工作单位的购买和使用。三是性能的提升较难。为了提高 输出脉冲的功率，就必须增加闭合开关和传输线的数目，而闭合开关和传输线数目 的增加导致前两个缺点更为明显。 为了克服电容储能装置的缺点，同时有效地提高脉冲功率装置的性能以及减小装 置的尺寸，人们提出了电感储能的新思想，即利用传输线电感和断路开关进行储能 和放电。其中，利用真空传输线电感储能不仅可以消除预脉冲出现，还可以避免使 第7 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 用尺度较长、数目较多的水介质脉冲形成线和闭合开关，从而有效地减小整个装置 的尺寸。同时。理论分析表明真空电感储能的能量密度可以比电容储能的能量密度 高一到两个数量级，能大大提高输出的脉冲功率。采用电感储能技术，必须拥有高 性能的断路开关，既可以高效地存储磁能，又能够迅速地切换到负载上去。这就要 求断路开关必须能够导通高幅电流( 1 0 0 k a 一1 0 m a ) ，这样才可以充分利用传输线电 感的存储能力：同时，断路开关还需具有快速优质的断路性能，断开后开关阻抗值 应远大于导通时的开关阻抗值，这样断路开关带来的能量损失才能降低到最小值， 断路时间应远小于导通时间，这样才能有效地压缩脉冲能量。很显然，良好的断路 开关设计是电感储能技术的关键问题。 从六十年代电感储能技术思想的提出到七十年代等离子体融断开关技术出现的 这段时期，受断路开关技术的限制，电感储能装置距离实际应用的要求仍相差甚远。 其主要原因就是，多种形式的断路开关如机械式、热驱动式、固体器件式、真空电 弧式等，在导通电流大小、断路性能以及断路时间上均与实际工程的要求相差甚远。 为此，研究人员始终没有停止高性能断路开关技术的研究。七十年代中后期，研究 人员基于抑制预脉冲的考虑，在传统的电容储能脉冲功率装置中引入了等离子体融 断开关技术( 简称p e o s ) ，实验结果发现p e o s 不但可以有效地消除预脉冲，同时 还起到了压缩脉冲波形的作用，提高了输出功率。1 9 7 7 年，美国s a n d i a 国立实验室 c w m e n d e l 等人发表了他们在“p r o t oi ”脉冲功率装置中采用p e o s 的实验结果【2 j ， 证明p e o s 具有陡化脉冲波形、提升脉冲电压和功率的功能。1 9 7 8 年，k d b e r g e r o n 和j e v a n d e v e n d e r 发表了他们在电感储能装置中采用p e o s 作为断路开关的实验结 果，证明p e o s 具有良好的断路性能p 】。此后，将p e o s 引入传统的电容储能脉冲功 率装置以实现预脉冲抑制和脉冲陡化、用于电容储能和电感储能脉冲功率装置中进 行脉冲压缩、电压和功率倍增等方面的实验研究工作便迅速开展起来。 目前，美、俄、英、法、日等技术发达国家在进行高功率的脉冲y 射线、x 射线、 高能电子束、离子束以及高功率激光等技术的研究中，或将p e o s 加入到传统的电 容储能装置去，或采用p e o s 作为断路开关重新设计高功率小型化的电感储能装置， 均获得较为理想的实验结果。可以预见的是，随着p e o s 技术的发展和性能的不断 提高，脉冲功率技术将会得到更快的发展。显然，这对于国防科学技术、现代辐射 物理和惯性约束聚变等研究领域的发展具有极其重要的意义。 第8 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 1 2p e o s 技术的特点及主要用途 图11 电感储能装置及p e o s 的结构示意圈 子体枪 注入等离子体 发射电子二极管 p e o s 作为断路开关的一种，由于它具有导通电流大、损耗小、导通时间可方便 调节、断路性能好以及耐压高等特点，因此得到了广泛的应用和发展。典型的p e o s 装置的结构如图1 1 所示【4 】。p e o s 整体成同轴传输线结构，内筒为阴极金属导体， 外简为金属阳极栅网，融断开关左端通过真空电感传输线与脉冲发生器输出端相连， 右端通过脉冲传输线与负载相连。在p e o s 工作之前，通常采用等离子体枪或闪络 板( f l a s h b o a r d ) 作为等离子体源，通过阳极栅栏向开关内部阴阳极间注入等离子体， 当开关内部的等离子体达到一定密度后( 1 0 1 2 1 0 1 6 c m 3 ) ，左端发生器开始点火并发射 电脉冲波。在p e o s7 - 作初期，由于等离子体的良导电性，融断开关阻抗几乎为零， 此时电流完全由开关流回，负载端电流为零。随后，当电流上升到某一阈值时，p e o s 阻抗会迅速增大，并导致开关在远小于传导电流时间尺度的时间内完全断开。在开 关断开的时间里，负载上会出现脉冲高压，发生器电流由p e o s 迅速切换到负载上 去。由于p e o s 的断路时间远小于导通时间，因此可以在负载上得到陡上升沿、高 功率的脉冲输出。对于理想的负载条件，负载上得到脉冲功率可以远远大于忽略 p e o s 条件下匹配负载得到的功率值。 第9 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ：= ：= = = = = = = = ；= = = = = 篇；= = = ；= ；= = = = = = = = = f ( a ) 传统i 乜譬储能装矬输脉冲腿缩和i 乜i k 倍增 纠；构随幽 ( b ) 小型i 也感储能装髓绌构饷吲 图1 2p e o s 的主要应用示意图 p e o s 导通电流的时间与内部注入等离子体的密度存在一定关系。通过调整等离 子体的密度，可以改变导通时间，这使得p e o s 可以应用到不同类型的脉冲功率装 置中去。图1 2 给出了p e o s 最主要的两种应用的示意图。图1 2 ( a ) 是传统电容储能 装置输出脉冲的压缩和电压倍增实验的结构简图。其中电容储能装置由高压低电流 m a r x 发生器、闭合开关和脉冲形成线所组成，发生器输出端通过真空电感传输线 和p e o s 与负载连接。在这种结构条件下，发生器端输出脉冲上升时间一般较短( l o o n s ) ，所以通常采用低密度、短导通时间的p e o s 作为断路开关。图1 2 ( b ) 是小型 电感储能脉冲功率装置，它采用低电压、大电流的m a r x 发生器作为脉冲源，真空 电感传输线和p e o s 通过一个闭合开关直接与发生器相连。在这一结构条件下，发 生器端输出脉冲的上升时间较长( j 且s ) ，所以通常采用高密度、长导通时间的p e o s 作为断路开关。对比两种结构，图1 2 ( b ) 具有结构紧凑、尺寸小和造价低的优点，因 此成为现今的一个热点研究方向。 目前，针对以上两种应用较为成功的两个例子分别是美国海军实验室研究人员从 事的g a m b l ei 装置脉冲压缩的实验研究【4 】和美国h a w k 电感储能装置的研制和实 验研究【5 j 。其中，o a m b l e i 是传统的电容储能脉冲功率装置，直接连接匹配负载时 输出脉冲的参数为电压1 7 m v 、电流o 8 5 m a 、持续时间7 0 n s 。引入电感传输线和 p e o s ( 其中，p e o s 的工作参数为：等离子体密度约为1 0 1 2 c m 3 ，导通时间为5 0 n s ， 第1 0 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 断路时间为几个n s ) ，负载上的脉冲输出参数为电压峰值4 6 m v ，电流峰值o 7 5 m a ， 持续时间2 0 n s ，输出脉冲峰值功率高达3 5 t w ，是不使用p e o s 条件下的2 3 倍。 h a w k 装置是建立在低电压、大电流m a r x 发生器基础上的小型电感储能装置。当 p e o s 处为短路时，m a r x 发生器输出脉冲参数为电流7 5 0 k a 、脉冲上升时间1 2 f 5 。引入p e o s ( 其中p e o s 的工作参数为：等离子体密度约为1 0 ”c m 3 ，导通时间为 1 2 “s ，断路时间为2 0 n s ) ，负载输出脉冲参数为电流4 5 0 k a 、电压1 6 m v 、功率峰值 o 7 t w 。 为了能够有效地提高输出脉冲的功率，p e o s 的导通时间应接近于发生器出射脉 冲的上升时间，同时断路时间越短越好。除此之外，研究人员也尝试了其它一些针 对p e o s 结构的优化措施，其中包括阳极栅网的调整【6 】，阴极表面的净化处理1 7 j ，等 离子体注入方向的调整【8 j 等一系列方法，实验结果显示负载电压和电流的峰值有一定 提高。不过，对于产生优化的内部原因尚无合理的解释。 1 3p e o s 中复杂的物理机制 在p e o s 实验研究的初期，研究人员的工作主要集中p e o s 的工程设计上。随着 实验研究的不断深入，研究人员发现，在p e o s 导通电流和最终断开的过程中，开 关内部的等离子体中出现了很多复杂的物理现象，如阴极边界附近的融蚀现象、等 离子体内部明显的磁场渗透现象、等离子体中电流通道的形成和漂移现象、真空鞘 层的形成现象等，这些物理现象均直接或间接地影响到p e o s 的工作过程及工作性 能。很显然，了解和掌握p e o s 内部物理现象的机制和规律对于进一步提高p e o s 的工作性能具有非常重要的意义。 在近十年中，大量的研究人员投入到p e o s 内部复杂物理机制的理论研究工作中 去。同时，一些高精度的实验诊断技术也被应用到p e o s 导通电流和发生断路过程 中的等离子体密度变化和内部磁场渗透的测量中去。目前，尽管已经得到了一些定 性和定量的理论分析结果和实验结果，但是由于p e o s 实验参数的多样性和不可重 复性，距离完全了解和掌握p e o s 内部的物理机制仍然存在很大的差距。 到目前为止，新的p e o s 实验现象以及物理解释仍时有出现，为了能够深入分析 研究p e o s 复杂的物理机制，找出各种典型情况下占支配地位的影响因素，就有必 要首先了解p e o s 中出现的主要物理现象及研究概况。 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 断路时间为几个n s ) ，负载上的脉冲输出参数为电压峰值4 6 m v ，电流峰值o 7 5 m a ， 持续时间2 0 n s ，输出脉冲峰值功率高达3 5 t w ，是不使用p e o s 条件下的2 3 倍。 h a w k 装置是建立在低电压、大电流m a r x 发生器基础上的小型电感储能装置。当 p e o s 处为短路时，m a r x 发生器输出脉冲参数为电流7 5 0 k a 、脉冲上升时间1 2 f 5 。引入p e o s ( 其中p e o s 的工作参数为：等离子体密度约为1 0 ”c m 3 ，导通时间为 1 2 “s ，断路时间为2 0 n s ) ，负载输出脉冲参数为电流4 5 0 k a 、电压1 6 m v 、功率峰值 o 7 t w 。 为了能够有效地提高输出脉冲的功率，p e o s 的导通时间应接近于发生器出射脉 冲的上升时间，同时断路时间越短越好。除此之外，研究人员也尝试了其它一些针 对p e o s 结构的优化措施，其中包括阳极栅网的调整【6 】，阴极表面的净化处理1 7 j ，等 离子体注入方向的调整【8 j 等一系列方法，实验结果显示负载电压和电流的峰值有一定 提高。不过，对于产生优化的内部原因尚无合理的解释。 1 3p e o s 中复杂的物理机制 在p e o s 实验研究的初期，研究人员的工作主要集中p e o s 的工程设计上。随着 实验研究的不断深入，研究人员发现，在p e o s 导通电流和最终断开的过程中，开 关内部的等离子体中出现了很多复杂的物理现象，如阴极边界附近的融蚀现象、等 离子体内部明显的磁场渗透现象、等离子体中电流通道的形成和漂移现象、真空鞘 层的形成现象等，这些物理现象均直接或间接地影响到p e o s 的工作过程及工作性 能。很显然，了解和掌握p e o s 内部物理现象的机制和规律对于进一步提高p e o s 的工作性能具有非常重要的意义。 在近十年中，大量的研究人员投入到p e o s 内部复杂物理机制的理论研究工作中 去。同时，一些高精度的实验诊断技术也被应用到p e o s 导通电流和发生断路过程 中的等离子体密度变化和内部磁场渗透的测量中去。目前，尽管已经得到了一些定 性和定量的理论分析结果和实验结果，但是由于p e o s 实验参数的多样性和不可重 复性，距离完全了解和掌握p e o s 内部的物理机制仍然存在很大的差距。 到目前为止，新的p e o s 实验现象以及物理解释仍时有出现，为了能够深入分析 研究p e o s 复杂的物理机制，找出各种典型情况下占支配地位的影响因素，就有必 要首先了解p e o s 中出现的主要物理现象及研究概况。 第l l 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 ( 1 ) 阴极附近的融蚀机制 初期，n r l 研究人员利用融蚀模型【4 】来解释p e o s 的导通及断路过程，等离子体 融断开关也因此而得名。融蚀模型认为，在p e o s 导通电流的大部分时间里，阴极表 面形成的非中性鞘层将始终维持一固定宽度。其宽度远大于等离子体德拜长度。在 鞘层内阴极电子流与等离子体离子流以维持双极c h i l d 1 a n g m u i r 流的形式传导电流。 当电流超过p e o s 鞘层允许的阈值时，等离子体开始从阴极向阳极融蚀，以补偿过 大的电子电流。 伴随着等离子体融蚀过程的开始，p e o s 导通电流产生的磁场开始明显影响阴极 电子的运动轨迹，阴极电子受磁场作用发生偏转，不但延长了阴极电子在鞘层滞留 时间，同时改变了鞘层内的空间电荷分布，从而调整了电子流与离子流的双极流关 系，加速了等离子体的融蚀现象。当阴极表面因等离子体融蚀形成的真空鞘层的宽 度达到一定值时，阴极电子受磁场隔离作用不能运动到达阳极，此时，p e o s 完全断 开。利用融蚀模型求得的低密度p e o s 的导通时间、最大导通电流以及根据融蚀模 型描述的物理过程建立的等效电路模型均得到了一些实验结果的验证。但是，值得 注意的是，融蚀模型对于p e o s 等离子体内部的非线性物理过程，如阴极鞘层的形 成过程、阴极发射电子与原注入等离子体的动力学行为和相互影响、电流通道的形 成及漂移等一系列物理现象，并没有给出合理的解释。 ( 2 ) 磁场异常渗透机制 文献p 1 中，研究人员利用磁探针方法测量发现了低密度p e o s 中的磁场快速渗透 现象。在实验参数为导通时间9 0 n s 、导通最大电流2 0 0 k a 的p e o s 实验中，研究人 员明显观察到了磁场的异常渗透现象，磁场的渗透速度大约为4 1 0 8 c m s ，远大于 由经典电子和离子碰撞而导致的扩散速度，根据磁场分布计算获得的电流通道宽度 远远大于经典的电子碰撞趋肤深度。随后，在实验参数为导通时间8 0 0 n s 、导通最大 电流2 5 0 k a 的p e o s 实验中，同样观察到磁场的异常渗透现象，磁场的渗透速度大 约为4 x1 0 7 c m s i l 。对于磁场的异常渗透现象的初期解释是，阴极高速电子入射进 入等离子体会导致各种不稳定性的发生，不稳定性带来的异常阻抗的增大导致磁场 的异常渗透j 。不过，在随后的实验中，研究人员利用光谱分析技术测量导通时间 为1 0 0 n s 的p e o s 中非热湍动电场的存在和幅度变化，实验结果表明上述解释过大地 估计了异常碰撞的作用【i “。 事实上，f r u c h m a n 在他的文章内已提出了无碰撞磁场的霍尔渗透机制【l3 1 ，文章 第1 2 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 指出忽略离子运动的条件下，在柱坐标系统中由于径向电流的存在，磁场将伴随着 较窄的电流通道以冲击波的形式向等离子体内部渗透，磁场渗透现象依赖等离子体 的密度分布以及包围等离子体电极的极性。为了验证p e o s 等离子体中霍尔磁场渗 透机制的存在，s h p i t a l n i k 和w e i n g a r t e n 等人利用光谱分析的方法得到了导通时间为 1 0 0 n s 的同轴型p e o s 中的磁场渗透过程的动态分布图像i i 。将不同时刻的二维磁场 强度分布图与建立在霍尔渗透机制理论基础上的计算结果相比较，结果有一定程度 的吻合，这就初步证明了霍尔机制的存在以及对磁场渗透现象的主导作用。不过受 诊断条件的限制，磁场渗透图像并不清晰直观，霍尔机制导致的磁场渗透现象的特 点也并不明显。另外，等离子体二维分布特性、等离子体种类以及其它物理因素对 于p e o s 内部磁场渗透的影响需要我们进一步的研究。 ( 3 1 p e o s 的导通和断路机制 p e o s 导通电流过程中出现的许多物理现象均可能最终导致p e o s 电流的终止和 开关断开。这其中包括阴极附近真空鞘层的形成，等离子体内部的磁场快速渗透， 磁压对等离子体推动作用以及可能产生异常阻抗的等离子体不稳定性等。这些现象 的产生和在p e o s 工作过程中所起到的作用在很大程度上依赖于注入等离子体的各 种参数。 a m i t w e i n g a r t e n 等人利用光谱分析方法研究了等离子体参数对短导通时间p e o s 工作过程的影响，其中初始等离子体密度在1 0 ，d 。的范围内变化。研究结果 表明，测量得到的电流最大值和p e o s 导通时间与磁流体( m h d ) 理论以及电子磁 流体( e m h d ) 理论结果较为吻合，而与融蚀模型结果相差较大【”】。w e b e r 等人在 h a w k 脉冲装置上进行了一系列实验研究，用以确定p e o s 的最大导通电流、导通 时间与等离子体密度、阴阳极参数和电流上升率的关系。实验结果表明，在高密度 等离子体参数条件下，导通过程主要受磁流体推动作用的控制；在中低密度条件下， h a w k 实验数据显示出异于m h d 理论结果的导通关系，而建立在e m h d 理论基础 上的磁场异常渗透机制可以解释这一现象【1 6 】。 在h a w k 装置p e o s 中等离子体密度变化的实验诊断中l l ”，研究人员发现在 p e o s 发生断路时，局部等离子体的密度出现了明显的下降现象，当p e o s 完全断开 时，等离子体密度降低为零。由于密度下降区域的宽度远小于阴阳极间距，因此可 以认为在原等离子体注入区域里形成了一定宽度的真空鞘层。利用二维m h d 磁流体 计算方法【i ”，研究人员成功地模拟出p e o s 导通过程中等离子体受磁压作用逐渐细 化变形的过程。但是，p e o s 由导通向断路转化过程中的等离子体变化以及真空鞘层 第1 3 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的形成等一系列物理现象的模拟却没有成功。针对真空鞘层的形成和p e o s 的断路 机制，融蚀模型和雪犁模型存在不同的解释。显然，确定何种解释更为正确，需要 了解真空鞘层形成区域内部等离子体以及电磁场的时空变化及相关物理机制，也需 要商精度的实验诊断仪器和实验方法。 ( 4 ) p e o s 真空鞘层尺度定标 当p e o s 完全断开，由于真空鞘层的存在，p e o s 等效为具有一定长度和一定宽 度的磁隔离传输线，将上游储能区域与下游负载相连。负载上能量耦合效率很大程 度上依赖于p e o s 形成的真空鞘层宽度和负载大小。目前，文献【1 9 】报道了关于 p e o s 真空鞘层尺度定标的实验结果。不过，受测量方法和实验误差的影响，实验结 果仍需得到进一步的验证。 1 4 1 本课题的意义 1 4 本文的主要研究工作 随着国防科学技术现代化的发展要求，提升脉冲功率装置的性能和输出功率，降 低脉冲功率装置的尺寸和造价已成为许多新型科学研究领域迫切要求。目前，我国 采用的脉冲功率装置仍以电容储能装置为主。无论从性能还是从造价上来讲，均与 惯性约束聚变、高能粒子束等研究领域的要求相差甚远。如何提高脉冲功率装置的 输出功率已成为制约相关科研领域发展的一个关键问题。p e o s 技术的出现，可以大 大提高原有电容储能装置的输出功率，同时对于研制和安装小型化、实用化且造价 较低的电感储能装置也具有极其重要的意义。目前，美国、俄罗斯、e l 本等国已成 功的将p e o s 技术应用到传统的电容储能脉冲功率装置中的预脉冲的压缩、输出脉 冲波形压缩和提高脉冲电压和功率的各个方面，同时，利用p e o s 构建的高功率、 低造价的电感储能装置已接近或达到实用要求的水平。我国国内从八十年代后期也 开始了p e o s 方面的实验研究工作，其中较为典型就是西北核技术研究所进行的一 系列关于p e o s 开关断路机理与特性的实验研究【2 ”。不过，受各种实验条件的限制， 第1 4 页 国防科学技术大学研究生院学位论文 的形成等一系列物理现象的模拟却没有成功。针对真空鞘层的形成和p e o s 的断路 机制，融蚀模型和雪犁模型存在不同的解释。显然，确定何种解释更为正确，需要 了解真空鞘层形成区域内部等离子体以及电磁场的时空变化及相关物理机制，也需 要商精度的实验诊断仪器和实验方法。 ( 4 ) p e o s 真空鞘层尺度定标 当p e o s 完全断开，由于真空鞘层的存在，p e o s 等效为具有一定长度和一定宽 度的磁隔离传输线，将上游储能区域与下游负载相连。负载上能量耦合效率很大程 度上依赖于p e o s 形成的真空鞘层宽度和负载大小。目前，文献【1 9 】报道了关于 p e o s 真空鞘层尺度定标的实验结果。不过，受测量方法和实验误差的影响，实验结 果仍需得到进一步的验证。 1 4 1 本课题的意义 1 4 本文的主要研究工作 随着国防科学技术现代化的发展要求，提升脉冲功率装置的性能和输出功率，降 低脉冲功率装置的尺寸和造价已成为许多新型科学研究领域迫切要求。目前，我国 采用的脉冲功率装置仍以电容储能装置为主。无论从性能还是从造价上来讲，均与 惯性约束聚变、高能粒子束等研究领域的要求相差甚远。如何提高脉冲功率装置的 输出功率已成为制约相关科研领域发展的一个关键问题。p e o s 技术的出现，可以大 大提高原有电容储能装置的输出功率，同时对于研制和安装小型化、实用化且造价 较低的电感储能装置也具有极其重要的意义。目前，美国、俄罗斯、e l 本等国已成 功的将p e o s 技术应用到传统的电容储能脉冲功率装置中的预脉冲的压缩、输出脉 冲波形压缩和提高脉冲电压和功率的各个方面，同时，利用p e o s 构建的高功率、 低造价的电感储能装置已接近或达到实用要求的水平。我国国内从八十年代后期也 开