聚龙一号磁绝缘四层圆盘锥体传输线的三维粒子

　　介绍了“巨龙一号”四层圆盘锥磁隔离传输线（MITL）的基本原理。CPIPIC平台上，使用非均匀网格和周期性对称边界条件，建立了“巨龙1号”的四层圆盘锥MITL的三维粒子模拟模型。义了相应的参数，并使用并行电流算法来模拟隔离堆栈和MITL上各层的电流和向下电流，并将其与理论和实验数据进行比较。真结果表明，整个装置达到磁隔离状态后具有较高的传输效率，与实验结果的相互验证为将来的研究提供了保证。年来，Z-pinch等离子内爆技术已经成为国内外研究的热点。Z捏脉冲功率设备中，传输线以MW和TW数量级的功率流传输高功率脉冲[1]。于高功率电脉冲受到介质在介质中传播过程中电介质击穿力的限制，因此介质的空间尺寸必须较大，从而导致目标区域附近的电场强度很高设备的故障，很容易导致介电传输线出现故障，从而导致传输失败[2？ 3]。
　　此，如果使用真空MITL [4-6]脉冲功率器件，则可以获得高功率脉冲传输和中心区域的融合。其他介质传输线相比，MITL四层圆盘锥体可以在中央汇合区域会聚几个脉冲[7]。前，典型的代表性设备是美国的Z和ZR设备，以及中国最新的“ Julong One”设备[6]。“巨龙一号”是中国自主研发，亚洲最大的最大实验高电流和超大功率脉冲装置，最大输出电流为10 MA，上升时间为脉冲约90 ns。装置采用24个周长均匀分布的结构，同轴部分的上下两层通过水介质的自动分解开关直接实现从同轴结构到三平面传输线的过渡。
　　本文中，从粒子模拟的角度来看，在CHIPIC粒子模拟软件平台上，使用并行算法对“ Julong One”设备的MITL四层圆盘锥进行了数值研究，并且分析传播和融合的过程。果相互验证。1显示了在“巨龙1号”中使用的MITL四层圆盘锥体[6]的基本结构。的主要结构包括隔离堆，室外MITL，中央集中器（DPHC），室内MITL和充电区域。离堆栈分为四层：A，B，C和D，每层都有6个隔离环和5个均衡环，中央总线区域会汇聚MITL传输的脉冲功率内部MITL中的外部，最后将其传输到负载以产生电磁内爆。了获得更好的磁绝缘效果，已在负载上选择了短路负载。个MITL四层圆盘锥的直径约为2 m，高度为1.5 m。外MITL具有圆锥形配置，分别标记为A，B，C和D层。[θa]和[θc]分别表示阳极板和阴极板的坐标。央汇合区由12个“柱孔”结构组成，其中一个是“阳极柱”，该阳极柱通过两个椭圆形阴极孔连接三个阳极，两个椭圆形阴极孔打开形成“柱孔”结构，从而达到脉冲功率汇合的目的。四层圆盘锥MITL器件中，脉冲功率通过隔离堆栈进入外部MITL，然后由DPHC收敛到内部MITL并传输到负载。传输过程中，流经外部MITL的电流不会超过磁隔离所需的最小电流，并且空间电荷电流会损失在外部MITL上。电流增加并且大于磁隔离电流时，空间电荷电流不再在外部MITL上丢失。阳极上，但沿着能量流传播方向的运动损失在DPHC柱上，并且通过DPHC损失的内部MITL在阳极上损失，最终传递给负载为了产生电磁爆燃[8-10]，因此在传输过程中，为了获得更好的传输效率，传输电流必须高于磁绝缘所需的最小电流。MITL达到磁绝缘的最小电流仅与几何阻抗（或几何因数）和阳极电压有关。公式中：[I0 =] [2πm0c（μ0e），] [m0，] [c，] [μ0]和[e]是电子间静止质量，真空下的光速，l的磁导率“免费空间和电子收费额分别； [g]是几何因子，[g ＝ 60Z0；] [γm]是形成磁绝缘体后电子鞘边缘的电压[Vm]相对论边缘电势； [V1]是阳极电位。据实验数据，设备每一层上的脉冲功率的电压[VA，] [VB，] [VC，] [VD]为2.03 MV，2.32 MV，2.35 MV，2.41 MV。且通过将每层的电压与公式（1）至（3）组合，每层之外的MITL的最小磁隔离电流为[IA =] 1.079 MA，[IB =] 1.094 MA， [IC =] 0.959 MA，电缆[ID =] 0.960 MA。于外部MITL部件的角坐标很小，因此设备的外部MITL部件和中央汇合部件的网格要求非常好，因此建模过程中的网格数量非常大，并且网格总数约为[6.5×106]。管上一篇文章提到了使用周期性限制和不均匀的网格，但是在整个模拟过程中，由于粒子发射面积大，单个PC的模拟时间花费了更多时间150小时。于模拟3D粒子[11-12]的连接体积数据交换的并行算法可以加快模拟速度。2显示了使用5个PC进行并行算法建模的示意图（其中子区域1到子区域4是隔离堆栈和外部MITL区域，子区域5是中央汇合区域）。
　　了获得类似于实际情况的脉冲电源电压波形，工作过程中充电的脉冲电源的上升沿约为120 ns。端的张力与时间之间的关系如图6所示。7是结构各层绝缘叠层上观察点实验数据的比较，表1为表1和图7的绝缘堆叠的每一层的仿真过程和实验数据。对于这些数据，可以看出，由于每一层的阻抗和电压分布不同在器件的结构中，各层的峰值电压不同，但上升沿保持一致，约为75 ns。真结果和实验数据的上升沿与电压峰值基本相同。面的分析分析说，当电流增加并且大于最小磁隔离电流时，空间电荷通量不再在外部MITL的阳极上损失。8示出了外部MITL的颗粒和总线的中心区域在100ns处的相空间图。时，通过传输线传输的电流大于外部MITL上的最小磁隔离电流，并且外部MITL具有磁隔离状态的现象。文分析了该器件的结构以及一个MITL四层圆盘锥体的磁隔离传输，并从理论上计算了MITL每层的最小磁隔离电流。

　　于CHIPIC软件，使用并行计算方法对设备的MITL四层圆盘锥体的传输和汇合进行了全局数字仿真。过仿真获得了隔离电池，中间部分和总线部分的电流。于每一层的阳极电流都高于该层的MITL的最小磁隔离电流，因此仿真结果表明整个器件具有很高的传输效率。真结果也与实验结果进行了核对，它们吻合得很好。项工作保证了将来的进一步研究。
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