Z箍缩喷气负载的理论和实验研究

【摘要】： 本文从理论和实验两个方面对Z箍缩喷气负载的设计、流场分布、质量线密度及其时间特性等内容进行了研究，在“阳”加速器装置上利用新旧两种喷嘴分别完成了氩气的喷气Z箍缩实验，实验结果表明重新设计的喷嘴通过对负载结构、线质量密度和位型的优化，提高了负载与脉冲功率装置的能量耦合效率和X射线产额，达到了很好的箍缩效果，获得的软X射线最高能量为1.7 kJ，功率22 GW，最小脉宽(FWHM)为16 ns。对喷气负载的数值模拟分三部分：首先运用工程方法设计二维拉瓦尔喷管型面，然后通过求解Navier—Stokes方程来计算气流从储气室到喷管出口的流动过程，最后采用直接仿真Monte-Carlo(DSMC)方法模拟喷管出口的超音速气体向真空中的膨胀过程，最终确定喷气负载的气流位型和质量线密度。在实验方面，建立了一套高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统，利用这套激光干涉系统完成了对Z箍缩喷气负载质量线密度的测量，获得了内单型面拉瓦尔喷嘴产生的超音速Ar气负载平均质量线密度及其随时间变化的曲线，与理论计算结果进行比较，为优化喷嘴理论设计程序提供实验依据，实验测得的气流稳态的建立时间可以用于精确控制喷气装置电磁阀门的打开时刻，保证喷气Z-pinch实验中脉冲功率装置提供的脉冲电流与喷气负载之间的时间同步，使负载与脉冲功率装置之间达到良好的时间匹配。在“阳”加速器上采用新旧两种不同的喷嘴分别完成了Ar喷气Z箍缩实验，利用可见光分幅相机获得了箍缩过程中不同时刻的等离子体位型图，实验结果表明采用双型面设计的新喷嘴比单型面旧喷嘴提供的喷气位型更加均匀并获得了很好的等离子体箍缩效果。此外，利用建立的高灵敏度激光干涉系统成功地完成了对等离子体断路开关(POS)中电缆等离子体枪电子密度的测量，系统地研究了电缆等离子体枪产生的等离子体特征，获得了等离子体的重复性、空间和时间分布以及等离子体的平均喷射速度等实验结果。本文完成的主要研究内容如下： 1．对Z箍缩研究进行了大量的调研，给出了目前国内外Z箍缩喷气研究的综合评述。 2．完成了快速电磁阀的研制。整个电磁阀高约12.4cm，重量约1kg，由电磁线圈、不锈钢室体、提升阀、软铁锤和弹簧等组成，然后，通过一个整流硅控制的整流器连接在一组电容器上。电磁线圈绕制过程中(浇注环氧树脂之前)在线之间及其周围加入玻璃纤维，起到了增强、加固作用。提升快速电磁阀阀门由钛材料制作，其优点是重量轻、强度高。软铁锤采用高电阻率的硅钢片叠加制成，各片之间相互绝缘，并使叠缝与磁感应线平行。设计中优化了阀门与喷嘴喉道间的管道长度，以提高气流的来回振荡频率，使喉道前气流能较快的趋于稳定形成新的驻室条件，有利于更快的获得稳定气体负载。在性能测试中，利用高速相机和激光测量技术对阀门的瞬时抬起过程进行了测量，结果表明：阀门抬起高度约为1.8mm，电磁阀门打开的平均速度为12m／s，电磁阀动态密封效果好，性能稳定，开启时间抖动小于20μs，满足实验要求。 3．运用工程方法设计了内单型面，外单型面和双型面等三种不同型面的拉瓦尔喷嘴，并完成了加工。将喷嘴出口设计成圆环状，并使气流与轴线平行，且具有较高的马赫数，减小了气流层沿径向的扩散，使气流抵达对面电极所需时间较短，从而减小“拉链效应”带来的影响。影响喷嘴设计的因素很多，如阀门开启的速度、口径、阀门关闭时间、真空管道的几何形状、储气室的压力、拉瓦尔喷管的喉道和出口尺寸、型面类型和平均半径等。 4．通过求解Navier—Stokes方程的办法计算气流从储气室到喷管出口的流动过程；其中阀门开启和关闭过程中气体流动过程非常复杂，无法精确描述，只能作近似处理，为简化计算，假设阀门突然开启和突然关闭，从开启瞬间到关闭瞬间的时间段以及开口孔径可以参考实际情况由实验确定。阀门开启前，阀门左边储气室为高压气体，右边抽成真空状态。一旦阀门突然打开，左边高压气体将迅速进入右边，形成非定常流动，这是一个典型的激波管问题，阀门开启一定时间后又突然关闭，右边的气体由于惯性和压差将继续向前流动，由于喷管喉道狭窄，气体不能迅速通过，激波和膨胀波将在喉道和阀门之间来回反射，最终形成均匀的驻室。我们最初采用定常流动模型，并用储气室条件作为拉瓦尔喷管的前室条件进行计算，发现根本无法满足设计要求，预测的质量线密度比实际情况大10倍左右。后来改用非定常流动模型，取得了与实验较为一致的计算结果。 5．采用直接仿真Monte-Carlo(DSMC)方法模拟喷管出口气体向真空中的膨胀过程，并最终确定喷气负载的气流位型和质量线密度。分别计算了上面三种型面所形成的喷气负载的气流位型和质量线密度，计算了不同气室压力下所形成的气流位型和质量线密度，计算了不同喉道宽度和不同出口尺寸所形成的气流位型和质量线密度。 6．设计加工了不锈钢喷气真空室，圆柱形真空室直径580mm，高度300mm，其真空度达到1×10~(-3)Pa，其真空度能够满足喷气密度测量要求，加大的真空室与原有的真空室相比，足已容纳迈克尔逊干涉仪中的光学元件，满足了将干涉仪主体放置到真空室里面的需求。 7．采用外差式记录系统和相位跟踪方法建立了一套高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统，在该系统中通过采用充气隔振光学平台和将干涉仪放置到喷气真空室里面等隔振方法，有效地消除了真空机组(分子泵和机械泵)的机械振动对相移测量的影响，创立了利用示波器跟踪π／2相位的简便方法，方便地实现了对初始相位π／2的锁定，保证了在相移测量中，让干涉系统处于最灵敏的位置。 8．利用该套高灵敏度激光干涉测量系统完成了对Z箍缩喷气负载质量线密度的测量，获得了内单型面拉瓦尔喷嘴当储气室气压为0.4MPa时产生的超音速Ar气负载平均质量线密度(稳定值为70μg／cm)及其随时间变化的曲线，实验结果表明电磁阀电流开始后1.6ms，在距离喷嘴出口10mm处开始有气流，再经过0.3ms后，气流达到稳定，稳态维持时间为0.4ms。 9．在“阳”加速器上采用新旧两种不同的喷嘴分别完成了Ar气负载的Z箍缩实验，利用可见光分幅相机、X-ray分幅相机和剪切差分激光干涉仪获得了箍缩过程中不同时刻的等离子体位型图，实验结果表明内单型面Laval喷嘴产生的气流位型分布不均匀，喇叭形非常明显，这与数字模拟的计算结果相符合，等离子体箍缩效果不好。采用重新设计的双型面喷嘴(内单Laval型面加向内倾斜型面)获得了均匀的气流位型分布，等离子体箍缩效果很好，获得的软X射线最高能量为1.7 kJ，功率22 GW，最小脉宽(FWHM)为16 ns。 10．将该套高灵敏度激光干涉系统成功地用于低密度等离子体测量，完成了对等离子体开关(POS)中电缆等离子体枪电子密度的测量。干涉仪的最高灵敏度约为0.2°，对应的最低可测量线积分电子密度为8.3×10~(13) cm~(-2)。系统地研究了电缆等离子体枪产生的等离子体特征，获得了等离子体的重复性、空间和时间分布以及等离子体的平均喷射速度等实验结果，线积分电子密度为1.2×10~(16) cm~(-2)～1.3×10~(15) cm~(-2)，等离子体维持的时间～10μs。另外，还通过在电缆等离子体枪的下游放置一块金属板来模拟研究了等离子体与金属导体的相互作用问题。 11．设计了一维阵列测量实验方案，采用括束透镜和柱面透镜将点状激光改变成片状激光束，利用一维阵列光纤和PIN二极管来记录不同位置处的气体密度，由此可以在一次实验中获得气体密度在X方向的一维分布，通过在Y方向移动装置或激光束的位置，可以得到气体密度的二维分布，该方法同样可以运用到电子密度的测量中，尤其适合快速低密度的测量。