Z箍缩初级实验平台模块样机

　　20世纪70年代以来,采用快脉冲驱动Z箍缩,提高等离子体内爆速度,在MHD不稳定性尚未完全发展前完成箍缩过程成为共识[1]。最高功率的驱动源驱动Z箍缩实验,由电能转化为软X射线辐射能的效率可达15 %以上,已经获得了超过250 TW/2 MJ软X射线[2]。Z箍缩实验研究主要依赖于脉冲功率技术,Z箍缩物理的认知和发展又极大地促进了脉冲功率技术的进步。到目前为止,已有和正在建造的大型脉冲装置,美国有Blackjack 5 (4.6 MA/10 TW)、Double Eagle (3 MA/8 TW)、Saturn (36 modules, 10 MA/25 TW)、Z (36modules, 20 MA/50 TW)[3]和ZR (36 modules, 26 MA)、俄罗斯有S-300(6 modules, 4 MA/3 TW)和An-gara-5 (8 modules, 4.5 MA/6 TW)[4],其中在Saturn,Z,S-300和Angara-5装置上均开展了Z箍缩实验。刚完成建造的ZR装置也将主要应用于Z箍缩研究[5-7],为了解决建设中的关键问题,美国圣地亚实验室建立了Z20实验平台用于开关技术等研究,该平台单路输出,输出电流约600 kA。Z20的Marx由60只100 kV电容器组成(6 MV);激光开关6 MV,抖动1.3 ns,水介质输出开关运行电压4 MV,导通电流500 kA。

　　目前国内应用于Z箍缩研究的高功率脉冲装置主要有“阳”加速器(1 MA/1 TW)和“强光”加速器(1.6MA/2 TW)[8],两者均为单模块加速器。为了开展快速Z箍缩物理及相关脉冲功率技术研究,中国工程物理研究院将建造一个电流大于8 MA的PTS装置。该装置由24路模块组成,每个模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,24个脉冲传输线在绝缘堆上汇聚,通过真空磁绝缘传输线到达低阻抗(约0.2Ω)的Z箍缩负载。为了使馈入负载的功率足够高,24个模块的同步和传输效率是PTS研制过程中的技术关键。由于PTS装置设计时在Marx发生器、激光触发开关和水介质脉冲形成开关等部分采用了一些独特的设计,因此研制了一台样机予以研究和检验。高功率同步控制开关和脉冲形成开关等低抖动闭合开关是样机实验研究所涉及的技术难点和挑战,另一项重要的研究内容是在传输效率和系统稳定性方面起重要作用的高效率绝缘。

　　1　基本设计

　　模块样机的设计如图1所示,分为2个油区和3个水区。Marx发生器和激光触发开关安装在油区,同轴型中储、同轴型脉冲形成线、脉冲形成开关和脉冲传输线安装在水区。

　　6 MV/300 kJ Marx发生器由60个100 kV/1μF电容器和30个200 kV环型轨道式场畸变开关组成,串联电容16.7 nF,最大储能300 kJ。为了满足Z箍缩实验的要求,24个Marx发生器必须同步运行,每个Marx发生器的延迟时间抖动要求小于30 ns,运行能量设计为147 kJ(对应于电容器充电电压70 kV)。

　　Marx发生器输出的能量传输到水绝缘的4.8Ω同轴型中储中,中储电容量设计为14 nF,电长度65 ns,运行电压设计为4 MV。脉冲形成线设计为4Ω水绝缘同轴线,其电长度和电容量分别为40 ns和10nF。