高功率單孔柱-孔匯聚傳輸結(jié)構(gòu)陰陽極間隙閉合速度理論分析

吳撼宇，魏 浩，張鵬飛，邱孟通，王亮平，楊海亮，來定國，徐啟福，樓 成，楊 森

(強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室； 西北核技術(shù)研究所： 西安 710024)

高電壓、大電流高功率脈沖常應(yīng)用于高能密度物理[1]、慣性約束聚變[2-5]、輻射效應(yīng)物理[6]和沖擊波物理[7-9]等領(lǐng)域的科學(xué)研究。脈沖功率裝置多采用多路Marx或LTD(linear transmission driver)并聯(lián)的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)以產(chǎn)生數(shù)十兆安的大電流脈沖。磁絕緣傳輸線(magnetically insulated transmission lines, MITLs)是大型脈沖功率驅(qū)動(dòng)源的重要部件，可傳輸和匯聚高功率脈沖。位于MITLs末端的柱-孔匯聚結(jié)構(gòu)(post-hole convolute, PHC)可將多路高功率脈沖合并為一路，再經(jīng)一段圓盤傳輸線被饋送至負(fù)載[10-17]。

在Saturn(～8 MA)上的實(shí)驗(yàn)表明，MITLs和PHC能有效傳輸和匯聚高功率脈沖[15-16]。但是Z裝置(～26 MA)上的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，在PHC上存在大量的電流損失[18-21]。實(shí)驗(yàn)表明，當(dāng)堆棧電流達(dá)到22 MA時(shí)，PHC附近損失電流的峰值達(dá)到4 MA，損失比例達(dá)18%。PHC的電流損失問題極大地約束了下一代大型脈沖功率源技術(shù)的發(fā)展。為提高PHC的電流傳輸效率，研究人員已開展了大量的研究工作，如，為避免PHC陰陽極間隙閉合，提出了新的功率脈沖匯聚結(jié)構(gòu)[22-23]；為減少電流損失，提出了對(duì)現(xiàn)有PHC的結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)的方案[24]等。

上述工作對(duì)PHC電流損失機(jī)制的認(rèn)識(shí)仍不夠全面，通常認(rèn)為陰極等離子體的產(chǎn)生和演化[25-33]導(dǎo)致PHC陰陽極間隙閉合，且它的擴(kuò)散速度直接決定了陰陽極間隙閉合速度，但最新研究表明，PHC的陰陽極間隙閉合速度為35～ 50 cm·μs-1[18]，遠(yuǎn)大于陰極等離子體擴(kuò)散速度3～4 cm·μs-1[26-27]。陰極等離子體擴(kuò)散機(jī)制非常復(fù)雜，擴(kuò)散過程與理論預(yù)測相差甚遠(yuǎn)。……