外加磁場(chǎng)POS機(jī)理的PIC模擬和裝置研究.pdf

1、等離子體斷路開關(guān)(POS)因其可傳導(dǎo)大電流、快速斷路并產(chǎn)生高電壓而成為電感儲(chǔ)能脈沖功率技術(shù)的關(guān)鍵部件。為了實(shí)現(xiàn)斷路階段更高的能量傳輸效率以及電壓和功率倍增，對(duì)提高POS的斷路性能的研究尤為重要。外加輔助磁場(chǎng)有助于提高POS的斷路性能，其作用主要在于：利用磁壓的增強(qiáng)促進(jìn)POS陰極發(fā)射電子的磁絕緣；限制等離子體粒子的分布，使粒子在斷路階段更易于被清除，從而實(shí)現(xiàn)POS的徹底斷路。因此本論文的主要目的是研究外加輔助磁場(chǎng)POS內(nèi)部復(fù)雜物理現(xiàn)象的機(jī)

2、理和規(guī)律，探索改善開關(guān)性能的技術(shù)和有效途徑，并在理論分析的基礎(chǔ)上進(jìn)行等離子體源和POS電感儲(chǔ)能脈沖系統(tǒng)的設(shè)計(jì)和實(shí)驗(yàn)。
　　本論文首先綜述了國內(nèi)外POS技術(shù)的發(fā)展概況，并對(duì)POS的代表性研究進(jìn)行了比較全面的總結(jié)，涉及了POS在斷路階段的物理機(jī)制以及30多年來國外學(xué)術(shù)界對(duì)POS所進(jìn)行的實(shí)驗(yàn)研究內(nèi)容?？紤]到POS性能及工作狀態(tài)主要取決于電極幾何形狀、等離子體密度及其分布、導(dǎo)通電流幅度、導(dǎo)通時(shí)間以及外加磁場(chǎng)情況等因素，遂以電極的幾何形狀為

3、主要脈絡(luò)，輔之以其它影響因素，綜合評(píng)述了POS的發(fā)展歷程。這些總結(jié)將為今后的裝置設(shè)計(jì)及優(yōu)化提供有利的參考依據(jù)。
　　其次，為了研究外加準(zhǔn)軸向磁場(chǎng)對(duì)同軸型POS斷路性能的影響，采用單元粒子(PIC)方法模擬外加準(zhǔn)軸向磁場(chǎng)同軸型 POS的工作特性，對(duì)激磁線圈分別放置在內(nèi)陰極內(nèi)側(cè)和外陽極外側(cè)的低密度同軸型POS斷路過程進(jìn)行了仿真，從獲取較高幅值斷路電壓、較小電流損失、較高斷路效率等角度分析了等離子體斷路開關(guān)中電場(chǎng)和磁場(chǎng)的時(shí)空變化、等離子

4、體電子的動(dòng)力學(xué)行為和特性，重點(diǎn)研究內(nèi)陰極結(jié)構(gòu)POS的斷路過程。外陽極結(jié)構(gòu)同軸POS的模擬結(jié)果表明：準(zhǔn)軸向磁場(chǎng)激磁線圈置于陽極外側(cè)能加速斷路過程并實(shí)現(xiàn)較高幅值的斷路電壓、較高的斷路電流轉(zhuǎn)移效率、較小的斷路電流損失。
　　再次，為了研究外加角向磁場(chǎng)對(duì)同軸型POS斷路性能的影響，采用PIC方法對(duì)角向磁場(chǎng)下同軸型POS工作進(jìn)行PIC模擬，從斷路過程的極間角向磁場(chǎng)分布、磁場(chǎng)滲透過程及作用、電場(chǎng)畸變及其影響、粒子空間分布和粒子流特性、電子束流

5、線空間分布等不同角度全面分析POS斷路過程中的復(fù)雜物理現(xiàn)象。仿真清晰地再現(xiàn)了電子向負(fù)載端漂移的物理圖像，結(jié)果顯示了外加角向磁場(chǎng)增強(qiáng)了導(dǎo)通階段對(duì)等離子體的磁壓，使開關(guān)更迅速斷路并實(shí)現(xiàn)了電壓的倍增。
　　最后，在實(shí)驗(yàn)研究方面，自行研制了閃絡(luò)板等離子體槍、同軸型POS及其激勵(lì)、診斷裝置。在結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)中給出一些關(guān)鍵參數(shù)，包括開關(guān)的幾何參數(shù)、材料參數(shù)等。利用所研制的POS實(shí)驗(yàn)裝置進(jìn)行探索性實(shí)驗(yàn)，開展與該等離子體開關(guān)相關(guān)的電感儲(chǔ)能脈沖功率裝