基于粒子模擬的一種多路并聯磁絕緣傳輸結構過渡區域的電流損失研究

曹 聰，劉軒東，?，吳撼宇，劉美琴

(1. 西安交通大學 電氣工程學院；2. 西安交通大學 電子與信息工程學院: 西安 710049；3. 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室；4. 西北核技術研究所: 西安 710024)

多路脈沖功率加速器在高能密度物理學[1]、等熵壓縮[2]、沖擊物理學[3]、慣性約束聚變[4]和輻射效應模擬領域[5]均有重要應用。目前，在脈沖功率系統，如Hermes III,URSA Minor,“強光一號”和“聚龍一號”中，連接脈沖功率模塊與公共負載的常用方法是使用多級磁絕緣傳輸線(magnetically insulated transmission lines, MITLs)[6-9]。MITLs是功率密度達TW·cm-2量級的大型脈沖功率裝置中重要部件之一，用于確保高功率脈沖有效地從驅動器傳輸到負載[10-11]。一般來說，對于大型功率加速器，來自多路脈沖功率模塊的電流在真空絕緣子外部并聯饋入多級MITLs，通過磁絕緣傳輸線和連接陰極與陽極間的匯聚結構傳輸到負載上。

當高功率脈沖沿MITLs傳播時，如陰極表面的電場強度超過電子的爆炸發射閾值，電子和離子從電極表面逸出并向陽極運動，空間電荷相互作用逐漸形成等離子體，會產生較大的電流損失[12-13]。電極表面的粒子形成鞘層，如同電極的“延伸”，嚴重時甚至會導致間隙閉合或阻抗崩潰，形成與負載并聯的放電通道[14-16]。電極表面電子和等離子體的運動特性，如空間電荷密度、粒子種類及相互作用和間隙電子漂移速度等，都會對MITLs的宏觀參數，如電壓、電流及阻抗等起著決定性的作用。所以，對MITLs，特別是匯聚區域的粒子運動特性研究，有助于磁絕緣傳輸結構的優化和評估。……