大型Z箍縮裝置中心匯流區電感計算

近幾十年來,隨著電磁驅動內爆的快速發展,國際上積極開展快Z箍縮研究。為了滿足Z箍縮在慣性約束聚變、輻射物理、天體物理等領域的研究需求,對Z箍縮裝置的功率和電流提出了越來越高的要求。國際上已建或在建的大型Z箍縮裝置主要有美國的ZR裝置

、中國的10 MA裝置

、俄羅斯的Baikal裝置

等。

大型Z箍縮裝置需要電脈沖傳輸與匯聚系統(簡稱為中心匯流區)將空間尺度數十米量級的多路初級脈沖源產生的電脈沖傳輸匯聚至厘米級尺度的物理負載。中心匯流區通常包括水介質傳輸線、多層真空絕緣堆、真空圓盤錐磁絕緣傳輸線(magne-tically insulated transmission line,MITL)、多層柱孔盤旋結構(簡稱為匯流柱(post-hole convolute,PHC))等,典型的Z箍縮裝置中心匯流區如圖1所示。中心匯流區參數,特別是中心匯流區電感對Z箍縮裝置能量和功率傳輸效率具有十分重要的影響。為了提高能量和功率傳輸效率,通常需要盡可能減小中心匯流區電感,然而受絕緣堆耐受電壓

、等離子體運動引起MITL間隙閉合

等因素制約,中心匯流區電感不可能無限降低。快速和精確估算中心匯流區電感對大型Z箍縮裝置總體設計、電路模擬和參數優化具有重要意義。

中心匯流區結構復雜,難以直接通過解析方法準確計算電感。三維電磁模擬雖然能夠準確計算電感,但存在計算耗時長、計算效率低等問題。美國圣地亞國家實驗室的Stygar等給出了中心匯流區電感與絕緣堆電壓的定標關系式

,該方法基于美國典型Z箍縮裝置中心匯流區電感優化結果,給出了與Z、Saturn相近絕緣堆運行場強下中心匯流區電感最小值,然而當絕緣堆運行場強變化或者中心匯流區結構變化時,就難以應用該式直接給出匯流區電感。……