陈林[1]2004年在《100kA微秒导通时间等离子体融蚀断路开关理论和实验研究》文中研究指明本文阐述了等离子体断路开关的研究背景和意义，综述了国内外在此方面的研究现状，并探讨了未来的发展趋势。鉴于目前在等离子体断路开关基础研究和工程设计中还存在的困难，本文分别从理论和实验两方面对100 kA等离子体融蚀断路开关的物理机制、技术性能和初步应用等进行了系统研究。 理论研究方面，本文分别利用解析理论和数值模拟方法对等离子体断路开关的导通、断路和功率流阶段进行了研究。 导通阶段中，利用一维柱面解析模型对MHD、EMHD和BP叁种导通模式下导通电流、导通时间与等离子体初始密度、阴极半径和开关区长度的定标关系进行了推导，得到了各导通模式下的导通电流和导通时间与初始等离子体密度、阴极半径以及开关区长度的关系。在此基础上结合本文的实验装置构形，采用二维雪耙动力学数值模拟编码对MHD机制下的等离子体断路开关导通过程进行了模拟，得到了不同时刻雪耙阵面的形状以及开关最终发生断路所在的径向位置，并得到了不同峰值导通电流所对应的等离子体开关导通时间，该结果与本文实验结果符合较好。 断路阶段中，对等离子体开关的两种断路机制，即静电融蚀和Hall融蚀，进行了定性分析和综合比较。在此基础上，利用PIC粒子模拟程序对等离子体断路开关的断路过程进行了模拟计算研究。模拟结果揭示了断路间隙的形成过程和机制，并据此对等离子体断路开关断路阶段的现有模型进行了修正，认为断路过程中Hall融蚀和静电融蚀机制将同时存在，然而静电融蚀将在开关的最终的断路中占主导作用，且静电融蚀是由于磁场排斥所引起的。 功率流阶段中，结合本文设计的等离子体融蚀断路开关实验装置结构，利用PIC粒子模拟程序对该等离子体开关与简单感性负载的耦合特性进行了研究。模拟计算清晰地再现了伴随有电子流和离子流的开关至负载的功率流过程的物理图像。得到了与实验结果基本一致的开关电压和负载电流波形，显示了功率流阶段中的物理过程对于POS至负载的电流转换效率的重要影响。 实验研究方面，本文设计、研制了导通电流约为100 kA的等离子体断路开关实验装置以及相应的测量诊断系统，开展了该等离子体开关相关的电感储能脉冲功率装置系统性能研究和应用研究。本文设计、开发了一种在脉冲功率技术中具有广泛应用前景的高灵敏度激光干涉仪，并用于等离子体枪的系统性能研究。 作为等离子体融蚀开关的注入源——等离子体枪的性能研究中，获得了不同枪100kA微秒导通时间等离子体融蚀断路开关理论和实验研究工作电压下等离子体发光的时间积分图像和相应的放电电流波形。采用高灵敏度激光干涉仪对电缆等离子体枪所喷射的等离子体电子密度和平均喷射速度进行了测量，并且实验中在距离等离子体枪喷口约70 rnrn处放置一块可以移去的不锈钢薄板，用来模拟真实等离子体开关中的中心阴极，研究了等离子体与电极材料的相互作用，得到了等离子体电子密度的准二维分布。有关的测量结果为二维雪耙模拟计算和等离子体枪的优化设计提供了依据。 等离子体断路开关性能实验中，研究了不同初始等离子体注入条件，包括不同的触发延时、等离子体枪工作电压(2 IkV、24kV和27 kV)和等离子体枪数目(1、、2、4和8)对等离子体开关性能的影响。同时还研究了不同Marx发生器工作电压(120kV、200 kV和280kV)及不同开关区阴极半径(1。m和2。m)时的等离子体开关性能，分别得到了相应条件下的等离子体开关性能变化规律。研究结果表明，开关导通时间和开关电压随着枪与主回路之间触发延时、枪工作电压和数目的增加而增加。随着Marx发生器工作电压的增加，负载电流的上升时间减小，电压倍增系数增加。当开关区阴极半径增大时，导通时间和负载电流上升时间都增加，而开关电压和电流转换效率都降低。但对以上各种情形，当开关导通时间接近主回路电流四分之一周期时，开关电压呈下降趋势。实验中获得的最高电压增益系数约为4.9，最高电流转换效率约为97%，负载电流上升时间小于100 ns。 本文利用所研制的等离子体开关实验装置进行了应用探索性实验，开展了以等离子体开关为基础的快脉冲、大电流装置驱动丝阵Z箍缩负载的初步实验。实验中采用了不同的丝直径和数目，其中钨丝直径分别为7卿和20卿，采用2根和4根钨丝组成的环形阵列。并利用高速扫描相机获得了钨丝爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像，观察到了钨丝爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的过程。 本文对等离子体断路开关理论和实验方面的研究结果，将为更高电流水平的基于电感储能技术的装置设计和建立奠定基础。
赵莹[2]2009年在《外加磁场POS机理的PIC模拟和装置研究》文中研究指明等离子体断路开关(POS)因其可传导大电流、快速断路并产生高电压而成为电感储能脉冲功率技术的关键部件。为了实现断路阶段更高的能量传输效率以及电压和功率倍增,对提高POS的断路性能的研究尤为重要。外加辅助磁场有助于提高POS的断路性能,其作用主要在于:利用磁压的增强促进POS阴极发射电子的磁绝缘;限制等离子体粒子的分布,使粒子在断路阶段更易于被清除,从而实现POS的彻底断路。因此本论文的主要目的是研究外加辅助磁场POS内部复杂物理现象的机理和规律,探索改善开关性能的技术和有效途径,并在理论分析的基础上进行等离子体源和POS电感储能脉冲系统的设计和实验。本论文首先综述了国内外POS技术的发展概况,并对POS的代表性研究进行了比较全面的总结,涉及了POS在断路阶段的物理机制以及30多年来国外学术界对POS所进行的实验研究内容。考虑到POS性能及工作状态主要取决于电极几何形状、等离子体密度及其分布、导通电流幅度、导通时间以及外加磁场情况等因素,遂以电极的几何形状为主要脉络,辅之以其它影响因素,综合评述了POS的发展历程。这些总结将为今后的装置设计及优化提供有利的参考依据。其次,为了研究外加准轴向磁场对同轴型POS断路性能的影响,采用单元粒子(PIC)方法模拟外加准轴向磁场同轴型POS的工作特性,对激磁线圈分别放置在内阴极内侧和外阳极外侧的低密度同轴型POS断路过程进行了仿真,从获取较高幅值断路电压、较小电流损失、较高断路效率等角度分析了等离子体断路开关中电场和磁场的时空变化、等离子体电子的动力学行为和特性,重点研究内阴极结构POS的断路过程。外阳极结构同轴POS的模拟结果表明:准轴向磁场激磁线圈置于阳极外侧能加速断路过程并实现较高幅值的断路电压、较高的断路电流转移效率、较小的断路电流损失。再次,为了研究外加角向磁场对同轴型POS断路性能的影响,采用PIC方法对角向磁场下同轴型POS工作进行PIC模拟,从断路过程的极间角向磁场分布、磁场渗透过程及作用、电场畸变及其影响、粒子空间分布和粒子流特性、电子束流线空间分布等不同角度全面分析POS断路过程中的复杂物理现象。仿真清晰地再现了电子向负载端漂移的物理图像,结果显示了外加角向磁场增强了导通阶段对等离子体的磁压,使开关更迅速断路并实现了电压的倍增。最后,在实验研究方面,自行研制了闪络板等离子体枪、同轴型POS及其激励、诊断装置。在结构优化设计中给出一些关键参数,包括开关的几何参数、材料参数等。利用所研制的POS实验装置进行探索性实验,开展与该等离子体开关相关的电感储能脉冲功率装置系统性能研究。本文对外加磁场POS的理论和实验方面的研究结果,将为基于POS的更高电流水平的电感储能系统的设计和建立奠定基础。
徐翔[3]2007年在《柱状等离子体断路开关的磁流体动力学模拟》文中研究指明等离子体断路开关(Plasma Opening Switch，简称POS)是脉冲功率驱动器中的关键器件之一。基于等离子体断路开关的电感储能装置较电容储能装置而言具有体积小、成本低、结构简单等优点，在Z箍缩、高功率微波、X射线源、可重复脉冲功率源等装置的设计中有广泛的应用前景。实验已经发现：在POS的导通过程中存在许多复杂的物理现象，如磁场的快速穿透、等离子体密度出现薄化和形成密度激波、多离子体系中轻重离子分离等。这些现象对POS的导通和断开有重要的影响，特别是能量输运将直接影响脉冲功率驱动器的能量转换效率。因此，非常有必要对POS的导通过程及相关物理现象产生的机理进行深入细致地研究。在第二章，基于包含能量输运过程的二维磁流体动力学(Magnetohydrodynamics，简称MHD)理论，我们对柱状长导通POS中导通阶段进行了模拟。结果发现：高密度POS的导通机制是MHD机制，主要是磁压作用决定磁场的穿透过程。在磁场的穿透过程中，磁压使得等离子体在磁场穿透的区域出现密度薄化现象，在磁场激波前沿形成密度激波。同时，由磁压导致的压缩效应使得激波区域的等离子体温度迅速升高。而对于低密度的POS，其导通机制是Hall MHD机制，主要由Hall效应来决定磁场的穿透过程。由于磁压的作用很小，在磁场的穿透过程中并没有出现密度薄化现象，形成的密度激波也不明显，等离子体的温度也没有显着升高。对于低密度长导通的POS，主要是焦耳热的作用使得等离子体的温度上升。考虑能量输运后产生的温度梯度力，对高密度POS中的磁场穿透过程有显着的加速作用，而对于低密度POS中的磁场穿透过程影响不大。在第叁章，基于MHD理论，我们推导出高密度长导通POS中能量分配关系的一般表示式，并研究了不同的输入电流波形对能量分配关系的影响。模拟结果表明，当发生器中的电流波形是常电流时，有一半的电磁场能耗散为等离子体的内能和动能；当发生器中的电流波形是线性上升电流时，进来的电磁场能有叁分之二转化为磁场能；当发生器中的电流波形是正弦电流波形时，有大半的能量转化为磁场能，扩散到等离子体中的能量只为总能量的36.4％。由于等离子体温度显着升高，有相当多的电磁场能转化为等离子体的内能。在第四章，为了检验程序的可靠性，对长导通POS中的定标关系进行了模拟。首先将模拟结果与理论得到的定标关系进行比较，发现两者是一致的。接着又进一步对HAWK装置中的定标关系进行了模拟，发现模拟结果和实验结果也是吻合的，从而验证了模拟程序的可靠性。本文还在模拟中，把POS右边的真空区包含进来，对在最近的纯氢实验中观察到与传统的定标关系不符的现象给出了的解释。在模拟中发现，漂移到POS下游区的等离子体可显着延长POS的导通时间。考虑下游区等离子体的影响后得到的定标关系，和实验比较相符。在第五章，基于双流体理论，假设电子和离子的温度在导通过程中是恒定的，建立了二维双流体程序，对短导通POS的导通阶段进行了模拟。模拟结果表明：随着POS的导通，出现明显的电荷分离现象，电子从阴极向阳极运动的轨迹象一个S型，在阳极表面形成堆积。在模拟中还观察到明显的轻重离子分离现象。由于轻离子的质量远小于重离子，轻离子的运动的远比重离子快，最终轻离子在磁场前面被反射，而重离子被磁场所穿透。
参考文献：
[1]. 100kA微秒导通时间等离子体融蚀断路开关理论和实验研究[D]. 陈林. 中国工程物理研究院. 2004
[2]. 外加磁场POS机理的PIC模拟和装置研究[D]. 赵莹. 哈尔滨工业大学. 2009
[3]. 柱状等离子体断路开关的磁流体动力学模拟[D]. 徐翔. 大连理工大学. 2007