等离子体驱动的磁通量压缩发生器机理研究

耦合等离子体断路开关（PEOS）的等离子体磁通量压缩发生器不仅能对百纳秒级上升时间的电流具有放大功能，同时还具有脉冲压缩功能。本项目将针对这种类型的磁通量压缩发生器系统地开展不同初始等离子体密度、PEOS区几何参数、磁压缩腔体的构型参数以及中心电极形状等情形下的工作机理和性能实验研究。利用已有的二维磁流体动力学和二维PIC粒子模拟软件分别对PEOS区前后的等离子体壳层运动过程以及PEOS区的粒子流过程进行数值模拟，并结合物理实验结果，校验和改进数值计算模型，用于指导装置的优化设计。通过实验和理论研究，探索不同实验参数对该型磁通量压缩发生器工作性能的影响规律，掌握其设计技术和实验技术。开展本项目研究具有新颖的学术价值。对Z箍缩聚变能源、高功率微波、宽带辐射、医药和环保等所需的脉冲功率源的发展和广泛应用具有重要意义。

耦合换流区（PEOS）的等离子体磁通量压缩发生器（MFCG）能对百纳秒级上升时间的电流具有放大功能，而且不需要单独注入种子电流，因此本项目研究具有新颖的学术价值。通过实验和理论研究，可以探索不同实验参数对该型磁通量压缩发生器工作性能的影响规律，从而掌握其设计技术和实验技术。本项目建立了耦合初级功率源放电电路的二维磁流体动力学模型以及PIC粒子模拟模型，分别对等离子体磁通量压缩发生器工作区等离子体套筒以及换流区低密度等离子体的工作过程进行了模拟研究，获得了MFCG工作时等离子体密度、温度和磁场等物理量的时空演化图像以及放电主回路和负载上电流随时间的演化曲线。同时还开展了初始等离子体密度以及换流区几何参数等对MFCG工作性能的影响数值模拟研究。在此基础上，基于1 MA-LTD原型模块初级功率源平台，开展了等离子体磁通量压缩发生器原理实验和性能实验研究。根据原理实验获得的电流波形，等离子体套筒加速、电流转换以及磁通量压缩三个阶段均可清晰分辨。性能实验结果表明，不同参数对MFCG工作性能的影响规律与理论模拟结果基本一致。实验还获得了换流凹槽的最小宽度和深度等阈值参数。但由于换流阶段的电流转换效率偏低，导致总的负载电流也偏低。尽管如此，最终的负载电流相对于磁通量压缩阶段的初始电流（即换流阶段结束时的电流）放大倍数也达到了2.5～3.4。报告最后还对换流阶段电流转换效率较低的原因进行了详细分析并提出了下一步改进思路。