磁绝缘传输线的模拟设计与实验.pdf

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1、第24卷第4期强激光与粒子束Vo1．24，NO．42012年4月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSApr．，2012文章编号：1001—4322(2012)04—0818—05磁绝缘传输线的模拟设计与实验章乐，邹文康，王学琼，谢卫平，刘大刚。，陈林，王勐，卫兵(1．中国工程物理研究院流体物理研究所，四川绵阳621900；2．电子科技大学物理电子学院，成都610054)摘要：对长距离磁绝缘传输线(MITL)的传输效率和结构变化带来的影响进行了评估。介绍了MITL稳态流与非稳态

2、流理论，为了验证各种条件对传输效率的影响进行了粒子模拟，修改了MITL的结构并设计了若干对应的分解检验实验。通过准确测量同一位置的阴阳极电流和电压验证了Mendel层流理论公式。已完成的电感支撑阴阳极实验结果表明，使用合适量级电感型刚性弹簧对内外筒进行固定可以满足传输效率设计要求。关键词：磁绝缘传输线；长距离传输；稳态流；电感支撑；传输效率中图分类号：TM835文献标志码：Adoi：10．3788／HPLPB20122404．0818传递Tw／cm量级高功率大电流脉冲常用到真空磁绝缘传输线(MITL

3、)。如果电压波通过真空同轴线或带状线传播并产生能够启动爆炸电子发射(EEE)的电场，线中将发生击穿。爆炸发射的电子到达对面的电极并将其加热，导致阳极等离子体和离子的出现。阴极、阳极等离子体以及以相反方向运动的电子和离子扰乱了真空线的正常运行并最终导致在线中的真空放电。然而，如果电流波的自磁场足够强，爆炸发射的电子将返回阴极，放电过程将减慢，这实际上意味着在脉冲载人期间不会发生真空放电。该效应被定名为磁自绝缘口一。这也是磁绝缘传输线能够传递数十MA量级电流原理所在。真空磁绝缘传输线一直是十分重要的技术

4、问题，其传输特性强烈影响着整个脉冲的传输与汇流。国内外各个大型脉冲功率实验室都对MITI的能量传输性能进行了大量的理论分析和实验研究。典型装置有美国圣地亚国家实验室(SNL)的ZR，RITS，美国海军实验室(NRL)的Mercury，俄罗斯的Angara一5等。在实际应用过程中，MITL的传输效率受到许多因素的制约，本文将根据磁绝缘稳态流与非稳态流理论、电路模拟方法、PIC模拟方法设计MITL的分解实验，对MITI传输效率与电学参数进行研究。1MITL稳态流与非稳态流理论小型装置或大型装置的验证型装

5、置，一般用到的磁绝缘传输线的电长度都远远小于所传递脉冲的上升沿，磁绝缘的形成主要取决于负载所决定的电流。磁绝缘状态可以用稳态流理论中具有代表性的层流理论进行描述。层流理论中阳极电流J的表达式是阳极电势V。和电子鞘边缘电势V的函数g()yin[ynl≯-+器}(1)式中：g为几何因子；优。，，。分别为电子静止质量、电荷量、真空磁导率；C为真空电磁波传播速度；一1+，l

6、])，ln(ym+~／y～1)(2)式中：⋯单位为kA；D，D分别为外导体内径和内导体外径，经过进一步推导可得最小磁绝缘电流与MITI的几何阻抗及线电压有关，几何阻抗越大、线电压越低，最小磁绝缘电流越小，磁绝缘越容易到达[2]。磁绝缘形成之后，阳极电势V与阴阳极电流，J关系式为_3V：z。册一noC2(3)*收稿日期：2011l1—15；修订日期：2011-12-30基金项目：国家自然科学基金项目(10635050)作者简介：章乐(1987～)，男，硕士研究生，主要从事脉冲功率技术研究；615768

7、1@qq．corn。第4期章乐等：磁绝缘传输线的模拟设计与实验819式中：Z。为传输线真空特征阻抗。当磁绝缘传输线电长度大于脉冲上升沿时间或者相当时，磁绝缘电子流将呈现非稳态流特性，磁绝缘传输线的电压、电流和特性阻抗将是位置和时间的函数。非稳态磁绝缘在建立过程中，层流近似情况下脉冲前沿速度与y。和y的关系为仇(y一1)(一1)，一—fyyo一1脉冲前沿的速度是电压和电子鞘层边缘电位的函数]，小于光速，可见对非稳态流前沿速度的描述仍然是稳态下的层流理论，虽然有些近似，但事实证明该描述仍具有很高的可信度

8、。但此处完全忽略了传播前沿的细节，对其进行了理想化处理。事实上由于传输线电压上升，前沿后电子鞘层边缘电位将随时间发生变化，脉冲前沿的传播速度会逐渐增大，从而形成后面电子流推动前面电子流向负载运动的情形，这种情况和电极的发射特性一起在宏观上导致电脉冲前沿的锐化。该锐化对脉冲前沿造成畸变，并最终影响到磁绝缘长线的能量传输效率。2磁绝缘传输线的模拟与分解实验为了尽量满足磁绝缘，根据稳态流理论分析可得通过降低传输线电感使线电压降低或增大几何阻抗以得到较低的最小磁绝缘电流。同轴