高功率Z_Pinch脉冲源技术的发展

收稿日期:2000202216作者简介:孙凤举(19672),男,山东籍,助研,博士生,主攻等离子体开关技术和脉冲功率技术应用研究。

综述和述评高功率Z -P i nch 脉冲源技术的发展孙凤举1,2,邱爱慈2,邱毓昌1,曾江涛2,蒯斌2(11西安交通大学电气学院,陕西西安710049;21西北核技术研究所,陕西西安710024)摘要:概述了脉冲功率系统中的电容储能、电感储能和磁感应储能技术。

基于直线型脉冲变压器(L TD )、电感储能(IES )、等离子体断路开关(PO S )以及真空磁绝缘传输线(M ITL )技术的低电感、模块化快脉冲源将来可能作为基本的子模块应用于超大型高功率Z 2P inch 装置。

关键词:高功率Z 2P inch ;直线型脉冲变压器;电感储能中图分类号:TL 6;O 531;O 539 文献标识码:A 文章编号:100323076(2001)01200442051　引言Z 2P inch 开始于六十年代受控热核聚变(CT F )反应的研究,其结构简单、造价低廉、运行方便,且效率较高,但是在八十年代以前,由于受当时脉冲功率技术水平的限制和Z 2P inch 等离子体不稳定性的困扰,进展一直比较缓慢。

96年以来,Z 2P inch 技术取得重大突破,主要在于采用了高功率短脉冲大电流驱动多丝阵列负载,目前Z 2P inch 正成为当今国际上十分活跃的科学前沿研究领域[1,2]。

高功率Z 2P inch 的品质与高功率脉冲源的参数紧密相关,Z 2P inch 技术要得到发展和应用,在很大程度上取决于脉冲功率源的技术水平。

驱动惯性约束聚变(I CF )的Z 2P inch 要求脉冲源储能数十M J ,脉冲电流约50～60M A [2],尽管国外在PB FA 2Z 装置上获得了出色的实验结果,但PB FA 2Z 装置距上述要求还存在很大差距,采用的技术按照能够承担得起的造价、体积和效率要求很难扩大到更高的功率水平[3]。

作为高功率Z 2p inch 的脉冲源,要求技术风险小,运行重复性、可靠性和能量传输效率高,结构紧凑、造价低廉,这关系到Z 2p inch 在I CF 中是否能有更大的竞争力。

因此,国际上正在发展新的技术,探索合适的高功率Z 2p inch 脉冲源技术途径。

近三十年来,脉冲功率技术发展了电容、电感和磁感应储能以及为压缩脉宽的各种高功率开关等技术,下面对传统的电容储能和近年来发展较快的电感储能、磁感应储能技术作简单介绍。

2　电容储能与电感储能技术直到七十年代中期,脉冲功率技术一直以电容储能与闭合开关技术为基础。

因为去离子水的介电常数高(Ε～81),采用水介质同轴线作中间储能电容,储能大、阻抗低,容易获得高功率大电流脉冲。

水介质同轴线电容储能是比较成熟的技术,国外早期建造的脉冲功率装置基本采用水介质同轴线技术,如美国的Satu rn 装置和PB FA 2Z 装置等;国内如西北核技术研究所研制的“闪光二号”相对论电子加速器等。

图1(a )为简单的电容储能装置电路原理示意图,实际的电容储能系统一般采用多级水线脉冲压缩段以获得高功率短脉冲大电流,见图2(a )。

水介质同轴线电容储能与闭合开关技术的主要缺点是:1)由于传输线的电容耦合,在最终需要的高电压脉图1　(a )(b )分别为简单的电容储能和电感储能充放电电路原理示意图冲(主脉冲)到达负载之前,负载上产生了虽幅值较低但作用时间较长的电压脉冲(预脉冲),如为抑制预脉冲而增加脉冲线和开关的数目,则系统的可靠性降低;2)为了获得～100n s 高功率大电流脉冲驱动Z 2p inch 负载,初级储能需要经过几级水线脉冲成形、压缩和传输,因此系统庞大、结构复杂、造价过高;3)电容储能的能量密度由于受材料的击穿场强的限制,比电感储能的能量密度低约2个量级,并且水线之间的高电压闭合开关由于绝缘的限制,本质上电感不容易降低。

电容储能与闭合开关技术存在的问题促使人们寻找另外的技术途径,电感储能(Inductance Energy Sto rage ,以下简称IES )与断路开关技术因此而发展起来。

图1(b )为简单的电感储能装置的原理示意图,实际的电感储能装置也要采用多极断路开关,如图2(b )。

电感储能与电容储能相比,储能密度高,系统体积小、重量轻、造价降低,因此应用电感储能有潜力得到更高的能量利用率和脉冲功率;电感储能系统的绝缘问题相对容易解决。

图2(a )典型多极闭合开关的电容储能系统(b )典型多极断路开关的电感储能系统IES 必须使用断路开关才能将能量释放到负载中去。

断路开关有很多种,如等离子体断路开关(P las m a Open ing Sw itch ,以下简称为PO S )、等离子体流开关、电子束控制反射开关和电爆炸金属导体断路开关等。

IES优点的发挥依赖于断路开关的性能,即传导时间、传导电流、断开阻抗及阻抗变化率和抖动,传导时间增加可以显著减小脉冲功率装置的造价和复杂程度[4]。

目前,电感储能首选的断路开关仍然是PO S 开关,但PO S 传导电流达到数M A 、传导时间接近1微秒时,断路性能变差[5,6]。

为了改善PO S 的性能,采用了外加辅助磁场[7,8]提高断路阻抗、降低断路抖动的措施,但仍处于初步的实验阶段。

因此,建造大型脉冲功率装置,技术上风险比较低的途径是采用水介质同轴线电容储能和电感储能组合,如美国在建的可用于Z 2P inch 等离子体辐射源和韧致辐射源的D ECAD E[9]装置由储能600kJ 的M arx 发生器+中间储能水介质同轴线电容+触发气体开关+输出水线+真空同轴线储能电感+ PO S+磁绝缘传输线(M ITL)的基本模块多个并联构成。

由于初级储能源的放电时间较长和PO S性能的限制,不得不采用水介质同轴线电容储能和电感储能的组合结构。

为了彻底消除庞大笨重的水线,提高能量传输效率,要求初级储能源对储能电感充电的四分之一周期接近断路开关的传导时间,因此,必须研究快初级储能脉冲源技术,或设法提高断路开关的性能。

3　磁感应储能技术为了提高IES的能量利用率,技术途径之一是采用快初级储能脉冲源,近年来由于高电压低电感脉冲电容器以及低电感大电流高压气体开关技术的进步,使基于磁感应的模块化直线型脉冲变压器快脉冲源(称为L inear T ran sfo r m er D river,简称L TD)发展起来。

磁感应技术,既可用于初级储能,又可用于中间储能阶段的能量会聚、传递(称为Inductive V o ltage A dder,简称I VA)。

L TD 和I VA原理上与脉冲变压器相同,它不仅结构紧凑和电感小,而且模块之间串联、并联使用非常方便,典型装置有美国的H er m es2III 装置[10],日本京都大学的A SO2X装置[11]等,俄罗斯强流电子学所与法国CEG合作对L TD技术进行了研究[12]。

图3为直线型脉冲变压器和电感储能 PO S组合式脉冲源驱动Z2P inch丝阵负载的原理示意图。

初级储能L TD与M arx发生器相比:1)在M arx发生器中,电容器组并联充电,通过第一级气体开关触发击穿、其余开关由于过电压快速击穿使电容器串联对负载放电,负载上的电压约为所有电容器的电压之和; L TD电容器组的充放电均为并联进行,负载上的电压是通过初级和次级的电磁耦合实现的,L TD输出电压幅值也约为所有电容器充电电压之和;2)M arx发生器放电时,电容器处的电位逐级升高,为了保证可靠绝缘,一般将整个M arx发生器置于变压器油中,检修维护不便;由于L TD初级电容器组的充放电均为并联进行,电容器处的电位相同,一般不需要变压器油作绝缘介质,而是利用干燥空气绝缘,维修方便;3)L TD结构紧凑、体积小,使回路电感大大减小、能量利用率提高;而M arx发生器各级之间由于绝缘的问题,电感不容易减小。

由于L TD技术的优点,近年来获得较大发展,如俄罗斯强流电子学所最近研制成功的L TD模块[13]的初级储能14kJ,输出电压90kV,电流幅值0.75M A、电流上升时间～430n s,采用5只电容器并联(电容器参数:100kV、0.17ΛF、自电感40nH)和1只多通道、多间隙气体开关组成初级1路模块,L TD初级放电回路由4路并联构成与真空同轴线电感配合,直接驱动Z2P inch喷气负载,在充电电压为75kV时,获得总的辐射能量1.75kJ,脉宽(FW HM)150n s,能量利用率达18%,显示了基于L TD和电感储能技术快脉冲源的应用前景。

图3　L TD与电感储能 PO S组合原理结构示意图4　脉冲源发展趋势脉冲源的发展趋势是采用模块化结构和多路并联,因此模块同步是必须解决的基本关键技术,其中减小开关抖动是基础。

在单个模块中,减小脉冲源体积、成本和复杂程度的关键是快放电储能技术,核心是减小各个部件(电容器、开关和连接过渡部分)的固有电感、改善开关性能。

尽管水介质同轴线电容储能与闭合开关技术存在体积庞大、造价高等缺点,但由于其技术相对成熟,美国拟建的高功率Z2P inch装置ZX[14]和X21[1]的选择方案之一还是准备采用如下技术途径:模块化M arx发生器+水线中储+激光触发气体开关+脉冲形成水线(PFL)+自闭合气体开关+输出线作为脉冲源的基本模块,通过磁感应实现电压升高(模块串联)、电流增加(模块并联),再经传输线到负载。

电感储能系统的关键是断路开关技术能否取得突破,一是设法实现单只PO S满足亚微秒传导时间和数M A传导电流,同时断路阻抗高,二是设法减小PO S断路抖动以实现多路并联;磁感应储能技术具有明显的优点,但增大输出电流受到变压器磁芯饱和等限制,进一步减小电感受结构的限制,且要获得高电压、大电流,多模块串并联,总的漏电感增加,驱动电流脉冲变宽,因此在近期内模块化L TD技术需要与电感储能 断路开关技术组合,L TD在单个模块中有可能作为初级储能单元代替传统M arx发生器,在多个模块串并联时,可利用磁感应实现电压倍增和电流会聚;如何把高功率脉冲电流馈送到中心负载也是超大型Z2p inch装置必须解决的问题,采用长距离真空磁绝缘传输线(M ITL)或采用长的水介质传输线,或采用水介质传输线和真空磁绝传输线组合,然后再会聚到中心负载上,几种方案都在研究中,发展趋势是采用真空磁绝缘传输线。

随着研究的深入和技术的不断进步,基于模块化快L TD、电感储能、等离子体断路开关和真空磁绝缘传输线技术的快脉冲电流源可能作为基本的子模块应用于超大型高功率Z2P inch装置,这将促进高功率Z2P inch 和脉冲功率技术在民用领域的发展,而且随着模块化快储能放电(如L TD)技术取得突破和Z2P inch等离子体内爆稳定时间增长,将来高功率脉冲源直接高效驱动Z2P inch的目标有可能实现。