Z箍縮噴氣負(fù)載的理論和實(shí)驗(yàn)研究.pdf

1、本文從理論和實(shí)驗(yàn)兩個(gè)方面對(duì)Z箍縮噴氣負(fù)載的設(shè)計(jì)、流場(chǎng)分布、質(zhì)量線密度及其時(shí)間特性等內(nèi)容進(jìn)行了研究，在“陽(yáng)”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(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明重新設(shè)計(jì)的噴嘴通過(guò)對(duì)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(duì)噴氣負(fù)載的數(shù)值模擬分三部分：首先運(yùn)用工程方法

2、設(shè)計(jì)二維拉瓦爾噴管型面，然后通過(guò)求解Navier-Stokes方程來(lái)計(jì)算氣流從儲(chǔ)氣室到噴管出口的流動(dòng)過(guò)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(guò)程，最終確定噴氣負(fù)載的氣流位型和質(zhì)量線密度。在實(shí)驗(yàn)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(duì)Z箍縮噴氣負(fù)載質(zhì)量線密度的測(cè)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(shí)間

3、變化的曲線，與理論計(jì)算結(jié)果進(jìn)行比較，為優(yōu)化噴嘴理論設(shè)計(jì)程序提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)，實(shí)驗(yàn)測(cè)得的氣流穩(wěn)態(tài)的建立時(shí)間可以用于精確控制噴氣裝置電磁閥門(mén)的打開(kāi)時(shí)刻，保證噴氣Z-pinch實(shí)驗(yàn)中脈沖功率裝置提供的脈沖電流與噴氣負(fù)載之間的時(shí)間同步，使負(fù)載與脈沖功率裝置之間達(dá)到良好的時(shí)間匹配。在“陽(yáng)”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(shí)驗(yàn)，利用可見(jiàn)光分幅相機(jī)獲得了箍縮過(guò)程中不同時(shí)刻的等離子體位型圖，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明采用雙型面設(shè)計(jì)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(duì)等離子體斷路開(kāi)關(guān)(POS)中電纜等離子體槍電子密度的測(cè)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(shí)間分布以及等離子體的平均噴射速度等實(shí)驗(yàn)結(jié)果。本文完成的主要研究?jī)?nèi)容如下： 1.對(duì)Z箍縮研究進(jìn)行了大量的調(diào)研，給出了目前國(guó)內(nèi)外Z箍縮噴氣研究的綜合評(píng)述。 2.完成了快速電磁閥的研制。

5、整個(gè)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(guò)一個(gè)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(guò)程中(澆注環(huán)氧樹(shù)脂之前)在線之間及其周?chē)尤氩ＡЮw維，起到了增強(qiáng)、加固作用。提升快速電磁閥閥門(mén)由鈦材料制作，其優(yōu)點(diǎn)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(jì)中優(yōu)化了閥門(mén)與噴嘴喉道間的管道長(zhǎng)度，以提高氣流的來(lái)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(cè)試中，利用高速相機(jī)和激光測(cè)量技術(shù)對(duì)閥門(mén)的瞬時(shí)抬起過(guò)程進(jìn)行了測(cè)量，結(jié)果表明：閥門(mén)抬起高度約為1.8 mm，電磁閥門(mén)打開(kāi)的平均速度為12m/s，電磁閥動(dòng)態(tài)密封效果好，性能穩(wěn)定，開(kāi)啟時(shí)間抖動(dòng)小于20μs，滿足實(shí)驗(yàn)要求。 3.運(yùn)用工程方法設(shè)計(jì)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(jì)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(duì)面電極所需時(shí)間較短，從而減小“拉鏈效應(yīng)”帶來(lái)的影響。影響噴嘴設(shè)計(jì)的因素很多，如閥門(mén)開(kāi)啟的速度、口徑、閥門(mén)關(guān)閉時(shí)間、真空管道的幾何形狀、儲(chǔ)氣室的壓力、拉瓦爾噴管的喉道和出口尺寸、型面類(lèi)型和平均半徑等。 4.通過(guò)求解Navier-Stokes方程的辦法計(jì)算氣流從儲(chǔ)氣室到噴管出口的流動(dòng)過(guò)程；其中閥門(mén)開(kāi)啟和關(guān)閉過(guò)程中氣體流動(dòng)過(guò)程非常復(fù)雜，無(wú)法精確描述，只能作近似處理，為簡(jiǎn)化計(jì)算，假

8、設(shè)閥門(mén)突然開(kāi)啟和突然關(guān)閉，從開(kāi)啟瞬間到關(guān)閉瞬間的時(shí)間段以及開(kāi)口孔徑可以參考實(shí)際情況由實(shí)驗(yàn)確定。閥門(mén)開(kāi)啟前，閥門(mén)左邊儲(chǔ)氣室為高壓氣體，右邊抽成真空狀態(tài)。一旦閥門(mén)突然打開(kāi)，左邊高壓氣體將迅速進(jìn)入右邊，形成非定常流動(dòng)，這是一個(gè)典型的激波管問(wèn)題，閥門(mén)開(kāi)啟一定時(shí)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(dòng)，由于噴管喉道狹窄，氣體不能迅速通過(guò)，激波和膨脹波將在喉道和閥門(mén)之間來(lái)回反射，最終形成均勻的駐室。我們最初采用定常流動(dòng)模型，并用儲(chǔ)氣室

9、條件作為拉瓦爾噴管的前室條件進(jìn)行計(jì)算，發(fā)現(xiàn)根本無(wú)法滿足設(shè)計(jì)要求，預(yù)測(cè)的質(zhì)量線密度比實(shí)際情況大10倍左右。后來(lái)改用非定常流動(dòng)模型，取得了與實(shí)驗(yàn)較為一致的計(jì)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(guò)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(jì)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(jì)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(jì)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(jì)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(cè)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(guò)采用充氣隔振光學(xué)平臺(tái)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(dòng)對(duì)相移測(cè)量的影響，創(chuàng)立了利用示波器跟蹤π/2相位的簡(jiǎn)便方法，方便地實(shí)現(xiàn)了對(duì)初始相位π/2的鎖定，保證了在相移測(cè)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(cè)量系統(tǒng)完成了對(duì)Z箍縮噴氣負(fù)載質(zhì)量線密度的測(cè)量，獲得了內(nèi)單型面拉瓦爾噴嘴當(dāng)儲(chǔ)氣室氣壓為0.4MPa時(shí)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(shí)間變

12、化的曲線，實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明電磁閥電流開(kāi)始后1.6ms，在距離噴嘴出口10mm處開(kāi)始有氣流，再經(jīng)過(guò)0.3ms后，氣流達(dá)到穩(wěn)定，穩(wěn)態(tài)維持時(shí)間為0.4ms。 9.在“陽(yáng)”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(shí)驗(yàn)，利用可見(jiàn)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(guò)程中不同時(shí)刻的等離子體位型圖，實(shí)驗(yàn)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(jì)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(jì)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(cè)量，完成了對(duì)等離子體開(kāi)關(guān)(POS)中電纜等離子體槍電子密度的測(cè)量。干涉儀的最高靈敏度約為0.2°，對(duì)應(yīng)的最低可測(cè)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(shí)間分布以及等離子體的平均噴射速度等實(shí)驗(yàn)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(shí)間～10μs。另外，還通過(guò)在電纜等離子體槍的下游放置一塊金屬板來(lái)模擬研究了等離子體與金屬導(dǎo)體的相互作用問(wèn)題。 11.設(shè)計(jì)了一維陣列測(cè)量實(shí)驗(yàn)方案，采用括束透鏡和柱面透鏡將點(diǎn)狀激光改變成片狀