“强光一号”等离子体断路开关(POS)及负载二极管系统工作性能不够稳定, 通过分析数据指出POS等离子体源参数差异性是导致系统不稳定的主要原因。POS等离子体源参数重复性测量结果表明, 在开关断路时刻等离子体源瞬时发射等离子体密度重复性极差在10%左右, 而开关区间累积等离子体密度极差超过100 %。开关区间累积等离子体密度和阴极重粒子发射会对POS断路性能产生显著影响。计算表明开关区间累积等离子体密度差异对POS断路电流阈值影响达到200 kA, 与运行数据统计结果一致; 在断路电流阈值相同的条件下, 阴极物质逸出对二极管电压影响显著, MCNP程序计算结果表明, 产生辐射剂量差别可以达到80%, 与统计数据相当。

以强光一号等离子体源(电缆枪)为研究对象，采用电荷收集器(法拉第杯)对强光一号等离子体源性能参数进行测量。实验结果表明：等离子体发射密度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离正相关，而发射速度与电缆等离子体枪枪芯到枪口的距离负相关；增大电缆枪驱动电压时，等离子体发射密度增速远小于驱动电流增速。重复性研究表明，对由数十支电缆枪组成的等离子体源而言，单支电缆枪放电分散性对其输出等离子体整体分布均匀性影响不大。不确定度分析表明，通过多次重复实验求平均值，可以有效减小实验结果的不确定度，发射密度测量结果的合成标准不确定度在10%以内。

开展了驱动电流为45,75和105 kA以及阴极直径分别为φ20 mm和φ40 mm下的等离子体断路开关性能实验研究.结果表明:随着发生器驱动电流增加,负载电流上升时间逐渐减小,最高电压倍增系数逐渐增加.与阴极直径为φ20 mm的等离子体开关相比,阴极直径为φ40 mm的等离子体开关导通时间和负载电流上升时间增加,开关电压和电流转换效率降低.实验获得的最高电压倍增系数和电流转换效率分别为4.9和97%,负载电流上升时间小于100 ns.

介绍了"强光一号"加速器产生宽度约20 ns的高剂量率脉冲γ射线的工作过程;分析了短脉冲γ射线源二极管的管绝缘体和真空磁绝缘传输线的结构与绝缘性能;说明了等离子体断路开关的工作特性;阐述了二极管工作阻抗和阴阳极的设计原则与设计参数.给出了不同短脉冲γ射线源的实验结果,得到了3种辐射参数:脉冲宽度约20 ns,辐射面积为2,30和100cm²时,相应的辐射剂量率为10¹¹,0.7×10¹¹和10¹⁰Gy/s.

利用PIC(particle-in-cell)方法,结合实验装置的几何结构和实验结果,采用动态开关模型,对微秒等离子体断路开关和电感负载间的功率流特性进行了研究.模拟得到了与实验结果符合较好的开关电压和负载电流波形,并给出了开关下游出现的稀薄等离子体的密度(约10¹²cm^-3)和速度(约1 cm/ns),同时也得到了开关下游的空间电流分布.模拟结果表明,开关下游的结构应避免阻抗突变以减少电流损失,同时提高开关阻抗可有利于提高负载上的最大功率.

利用电荷收集法,在正(135 V)、负(-117 V)偏置和低真空背景(0.5 Pa)三种不同收集条件下,测量了用于等离子体断路开关的电缆等离子体枪产生的低温等离子体的密度和漂移速率,测量值分别为8.3×10¹⁴,1.2×10¹⁵,4.8×10¹⁴cm^-3;2.5,2.0 cm·μs^-1.测量结果表明:三种收集条件下测得的等离子体漂移速率相近;在相同测量点处,负偏置收集条件下测得的等离子体密度大于正偏置和低真空背景收集条件下的测量值,而低真空背景收集条件下的测量值最小.

研制了最大导通电流约为100 kA的微秒导通时间等离子体断路开关,开展了该导通电流下的等离子体断路开关性能实验,得到的负载电流上升时间为54～76 ns,最高开关电压为1.38 MV,最高电压倍增系数达到4.9.建立了导通阶段开关区等离子体运动的二维雪耙模型,初步数值模拟结果表明,该模型对目前开展的实验有较好的预估能力.

给出了适合微秒级导通时间等离子体断路开关的二维雪耙模型的具体描述,建立了二维雪耙模型的基本方程及其差分格式,对方程进行了显式求解.通过对一个模型的计算,给出了雪耙阵面的传播图像,指出了断路开关的断开位置及附近点密度随时间的变化曲线,在该位置附近出现了等离子体薄化现象.

利用全电磁网格粒子方法模拟了外加磁场对等离子体断路开关(POS)断路性能的影响,给出了电压倍增系数与外加磁场的关系曲线.数值模拟表明,外加轴向磁场线圈必须放在同轴型POS阴极的同侧才能显著改善开关的断路性能;当外加角向磁场时,内电极为阴、阳极的同轴型POS的断路性能都得到了不同程度的改善.随着外加磁场的增大,电压倍增系数将达到饱和.

利用自行研制的 2 -1 /2维全电磁柱坐标粒子模拟程序对等离子体融断开关磁场渗透机制进行了模拟研究。模拟结果表明在磁场 Hall渗透机制特征长度远远小于等离子体离子的无碰撞趋肤深度的条件下,等离子体内部磁场渗透过程主要由电子流体运动的 Hall项来控制。对于等离子体空间分布存在较大的密度梯度的物理问题,必须考虑二维空间特性对磁场渗透速度的影响。在磁场已渗透经过的等离子体区域中,等离子体呈现非电中性,离子受静电场的作用会加速运动到达阴极,最终形成真空鞘层.