Z箍縮噴氣負(fù)載的理論和實驗研究.pdf

1、本文從理論和實驗兩個方面對Z箍縮噴氣負(fù)載的設(shè)計、流場分布、質(zhì)量線密度及其時間特性等內(nèi)容進(jìn)行了研究，在“陽”加速器裝置上利用新舊兩種噴嘴分別完成了氬氣的噴氣z箍縮實驗，實驗結(jié)果表明重新設(shè)計的噴嘴通過對負(fù)載結(jié)構(gòu)、線質(zhì)量密度和位型的優(yōu)化，提高了負(fù)載與脈沖功率裝置的能量耦合效率和X射線產(chǎn)額，達(dá)到了很好的箍縮效果，獲得的軟X射線最高能量為1.7 kJ，功率22 GW，最小脈寬(FWHM)為16 ns。對噴氣負(fù)載的數(shù)值模擬分三部分：首先運用工程方法

2、設(shè)計二維拉瓦爾噴管型面，然后通過求解Navier-Stokes方程來計算氣流從儲氣室到噴管出口的流動過程，最后采用直接仿真Monte-Carlo(DSMC)方法模擬噴管出口的超音速氣體向真空中的膨脹過程，最終確定噴氣負(fù)載的氣流位型和質(zhì)量線密度。在實驗方面，建立了一套高靈敏度(0.2°)邁克爾遜激光干涉系統(tǒng)，利用這套激光干涉系統(tǒng)完成了對Z箍縮噴氣負(fù)載質(zhì)量線密度的測量，獲得了內(nèi)單型面拉瓦爾噴嘴產(chǎn)生的超音速，Ar氣負(fù)載平均質(zhì)量線密度及其隨時間

3、變化的曲線，與理論計算結(jié)果進(jìn)行比較，為優(yōu)化噴嘴理論設(shè)計程序提供實驗依據(jù)，實驗測得的氣流穩(wěn)態(tài)的建立時間可以用于精確控制噴氣裝置電磁閥門的打開時刻，保證噴氣Z-pinch實驗中脈沖功率裝置提供的脈沖電流與噴氣負(fù)載之間的時間同步，使負(fù)載與脈沖功率裝置之間達(dá)到良好的時間匹配。在“陽”加速器上采用新舊兩種不同的噴嘴分別完成了Ar噴氣Z箍縮實驗，利用可見光分幅相機(jī)獲得了箍縮過程中不同時刻的等離子體位型圖，實驗結(jié)果表明采用雙型面設(shè)計的新噴嘴比單型面舊

4、噴嘴提供的噴氣位型更加均勻并獲得了很好的等離子體箍縮效果。此外，利用建立的高靈敏度激光干涉系統(tǒng)成功地完成了對等離子體斷路開關(guān)(POS)中電纜等離子體槍電子密度的測量，系統(tǒng)地研究了電纜等離子體槍產(chǎn)生的等離子體特征，獲得了等離子體的重復(fù)性、空間和時間分布以及等離子體的平均噴射速度等實驗結(jié)果。本文完成的主要研究內(nèi)容如下： 1.對Z箍縮研究進(jìn)行了大量的調(diào)研，給出了目前國內(nèi)外Z箍縮噴氣研究的綜合評述。 2.完成了快速電磁閥的研制。

5、整個電磁閥高約12.4 cm，重量約1kg，由電磁線圈、不銹鋼室體、提升閥、軟鐵錘和彈簧等組成，然后，通過一個整流硅控制的整流器連接在一組電容器上。電磁線圈繞制過程中(澆注環(huán)氧樹脂之前)在線之間及其周圍加入玻璃纖維，起到了增強(qiáng)、加固作用。提升快速電磁閥閥門由鈦材料制作，其優(yōu)點是重量輕、強(qiáng)度高。軟鐵錘采用高電阻率的硅鋼片疊加制成，各片之間相互絕緣，并使疊縫與磁感應(yīng)線平行。設(shè)計中優(yōu)化了閥門與噴嘴喉道間的管道長度，以提高氣流的來回振蕩頻率，使

6、喉道前氣流能較快的趨于穩(wěn)定形成新的駐室條件，有利于更快的獲得穩(wěn)定氣體負(fù)載。在性能測試中，利用高速相機(jī)和激光測量技術(shù)對閥門的瞬時抬起過程進(jìn)行了測量，結(jié)果表明：閥門抬起高度約為1.8 mm，電磁閥門打開的平均速度為12m/s，電磁閥動態(tài)密封效果好，性能穩(wěn)定，開啟時間抖動小于20μs，滿足實驗要求。 3.運用工程方法設(shè)計了內(nèi)單型面，外單型面和雙型面等三種不同型面的拉瓦爾噴嘴，并完成了加工。將噴嘴出口設(shè)計成圓環(huán)狀，并使氣流與軸線平行，且

7、具有較高的馬赫數(shù)，減小了氣流層沿徑向的擴(kuò)散，使氣流抵達(dá)對面電極所需時間較短，從而減小“拉鏈效應(yīng)”帶來的影響。影響噴嘴設(shè)計的因素很多，如閥門開啟的速度、口徑、閥門關(guān)閉時間、真空管道的幾何形狀、儲氣室的壓力、拉瓦爾噴管的喉道和出口尺寸、型面類型和平均半徑等。 4.通過求解Navier-Stokes方程的辦法計算氣流從儲氣室到噴管出口的流動過程；其中閥門開啟和關(guān)閉過程中氣體流動過程非常復(fù)雜，無法精確描述，只能作近似處理，為簡化計算，假

8、設(shè)閥門突然開啟和突然關(guān)閉，從開啟瞬間到關(guān)閉瞬間的時間段以及開口孔徑可以參考實際情況由實驗確定。閥門開啟前，閥門左邊儲氣室為高壓氣體，右邊抽成真空狀態(tài)。一旦閥門突然打開，左邊高壓氣體將迅速進(jìn)入右邊，形成非定常流動，這是一個典型的激波管問題，閥門開啟一定時間后又突然關(guān)閉，右邊的氣體由于慣性和壓差將繼續(xù)向前流動，由于噴管喉道狹窄，氣體不能迅速通過，激波和膨脹波將在喉道和閥門之間來回反射，最終形成均勻的駐室。我們最初采用定常流動模型，并用儲氣室

9、條件作為拉瓦爾噴管的前室條件進(jìn)行計算，發(fā)現(xiàn)根本無法滿足設(shè)計要求，預(yù)測的質(zhì)量線密度比實際情況大10倍左右。后來改用非定常流動模型，取得了與實驗較為一致的計算結(jié)果。 5.采用直接仿真Monte-Carlo(DSMC)方法模擬噴管出口氣體向真空中的膨脹過程，并最終確定噴氣負(fù)載的氣流位型和質(zhì)量線密度。分別計算了上面三種型面所形成的噴氣負(fù)載的氣流位型和質(zhì)量線密度，計算了不同氣室壓力下所形成的氣流位型和質(zhì)量線密度，計算了不同喉道寬度和不同出

10、口尺寸所形成的氣流位型和質(zhì)量線密度。 6.設(shè)計加工了不銹鋼噴氣真空室，圓柱形真空室直徑580mm，高度300mm，其真空度達(dá)到1×10<'-3>Pa，其真空度能夠滿足噴氣密度測量要求，加大的真空室與原有的真空室相比，足己容納邁克爾遜干涉儀中的光學(xué)元件，滿足了將干涉儀主體放置到真空室里面的需求。 7.采用外差式記錄系統(tǒng)和相位跟蹤方法建立了一套高靈敏度(0.2°)邁克爾遜激光干涉系統(tǒng)，在該系統(tǒng)中通過采用充氣隔振光學(xué)平臺和將干

11、涉儀放置到噴氣真空室里面等隔振方法，有效地消除了真空機(jī)組(分子泵和機(jī)械泵)的機(jī)械振動對相移測量的影響，創(chuàng)立了利用示波器跟蹤π/2相位的簡便方法，方便地實現(xiàn)了對初始相位π/2的鎖定，保證了在相移測量中，讓干涉系統(tǒng)處于最靈敏的位置。 8.利用該套高靈敏度激光干涉測量系統(tǒng)完成了對Z箍縮噴氣負(fù)載質(zhì)量線密度的測量，獲得了內(nèi)單型面拉瓦爾噴嘴當(dāng)儲氣室氣壓為0.4MPa時產(chǎn)生的超音速Ar氣負(fù)載平均質(zhì)量線密度(穩(wěn)定值為70μg/cm)及其隨時間變

12、化的曲線，實驗結(jié)果表明電磁閥電流開始后1.6ms，在距離噴嘴出口10mm處開始有氣流，再經(jīng)過0.3ms后，氣流達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)維持時間為0.4ms。 9.在“陽”加速器上采用新舊兩種不同的噴嘴分別完成了Ar氣負(fù)載的Z箍縮實驗，利用可見光分幅相機(jī)、X-ray分幅相機(jī)和剪切差分激光干涉儀獲得了箍縮過程中不同時刻的等離子體位型圖，實驗結(jié)果表明內(nèi)單型面Laval噴嘴產(chǎn)生的氣流位型分布不均勻，喇叭形非常明顯，這與數(shù)字模擬的計算結(jié)果相符合，等

13、離子體箍縮效果不好。采用重新設(shè)計的雙型面噴嘴(內(nèi)單Laval型面加向內(nèi)傾斜型面)獲得了均勻的氣流位型分布，等離子體箍縮效果很好，獲得的軟X射線最高能量為1.7 kJ，功率22 GW，最小脈寬(FWHM)為16 ns。 10.將該套高靈敏度激光干涉系統(tǒng)成功地用于低密度等離子體測量，完成了對等離子體開關(guān)(POS)中電纜等離子體槍電子密度的測量。干涉儀的最高靈敏度約為0.2°，對應(yīng)的最低可測量線積分電子密度為8.3×10<'13>cm

14、<'-2>。系統(tǒng)地研究了電纜等離子體槍產(chǎn)生的等離子體特征，獲得了等離子體的重復(fù)性、空間和時間分布以及等離子體的平均噴射速度等實驗結(jié)果，線積分電子密度為1.2×10<'16> cm<'-2>～1.3×10<'45> cm<'-2>，等離子體維持的時間～10μs。另外，還通過在電纜等離子體槍的下游放置一塊金屬板來模擬研究了等離子體與金屬導(dǎo)體的相互作用問題。 11.設(shè)計了一維陣列測量實驗方案，采用括束透鏡和柱面透鏡將點狀激光改變成片狀