用于激光等离子体的紧凑型脉冲强磁场装置及其应用

论文摘要

近年来实验室内的磁化高能量密度等离子体现象引起了学术界广泛的兴趣,这对许多研究领域有重要的应用价值,例如天体物理和空间物理、惯性约束聚变和激光加速等。恒星演化过程中磁化的盘风中高速射流形成和准直的机制、磁化星际介质内高能粒子的加速机制、太阳和地球磁层的磁场重联现象、地球磁层内各种波动现象和磁流体不稳定性结构等一直是天体和空间物理研究非常活跃的研究方向,磁化激光等离子体行为的实验研究有助于深入理解这些天体和空间物理现象。激光驱动的惯性约束聚变中,外加磁场可以抑制内爆靶丸的径向热传导,从而提高离子温度和中子产额;外加磁场有望取代间接驱动充气腔,在抑制腔壁等离子体膨胀的同时抑制激光受激散射。在激光加速中,外部磁场可以稳定电子加速通道、改善电子加速效果。最近国际学术界开始关注强磁场耦合强激光的磁化激光等离子体实验研究,并取得了一些重要进展。脉冲强磁场装置是磁化激光等离子体实验的关键设备,但用于激光等离子体的脉冲磁场装置发展还不成熟,需要根据各自的研究需求发展合适的脉冲强磁场装置。为了在中国科学技术大学实验室小型激光装置上开展气体靶磁化激光等离子体实验,我们自主研发了一套可用于低真空环境的紧凑型脉冲磁场装置。它可以输出95 kA的峰值电流,在约1立方厘米体积内产生12 T的准均匀磁场。我们通过改进结构设计,成功解决了高压、低电感和真空密封的技术问题,研制了首个低真空环境中正常工作的紧凑型脉冲磁场装置。我们发现脉冲磁场装置在低真空环境工作时,在某些中间气压范围,脉冲磁场的感生电场会电离背景气体、干扰有效等离子体信号。因此,我们实验、理论和模拟研究了背景气体电离的时间特征和气压依赖性,为气体靶磁化激光等离子体实验设计提供了简单实用的分析模型。该脉冲磁场装置与中国科学技术大学的小型激光装置相配合完成了有背景气体的磁化天体射流物理实验。为了开展磁化激波等高驱动能量的物理实验研究,我们需要使用上海神光Ⅱ升级激光装置等大型激光装置。因此我们研制了适用于上海神光Ⅱ升级大型激光装置的紧凑型脉冲强磁场装置。我们创造性地设计出高压大电流柔性传输线,将磁场线圈与放电系统其它部分柔性连接,使得磁场线圈在靶室内部可以通过电动平移台进行精确调节;我们也自主研发了高压大电流电触发气体开关取代原来的光触发气体开关,使装置结构更加紧凑且通用性大幅提升;我们改进了接地和电磁屏蔽措施,减少了电磁干扰的影响。该紧凑型脉冲磁场发生器在上海神光Ⅱ升级大型激光装置上配合完成了磁化激光等离子体物理实验,观察到磁场与等离子体交界面上的霍尔磁流体不稳定性现象。为了留出激光和诊断的空间,用于激光等离子体的紧凑型脉冲磁场装置一般只能使用小尺寸的单线圈或者亥姆霍兹线圈。这种小线圈的电感在放电系统总电感中所占的份额很小,例如我们现有的装置磁场的磁能只占整个能库总能量的15%以下。如果采用变压器线圈,可以大幅提升线圈部分的电感、进而提升磁能的能量份额、提高能量利用率、增大磁场强度;并且变压器的次级回路依然使用单线圈,不会遮挡光路。因此我们对变压器线圈技术进行了研究。我们首先给出了脉冲变压器线圈的设计原理,在公式中考虑了变压器次级回路对初级回路的反映阻抗;接着结合目前脉冲磁场装置的参数进行了数值计算,给出了适合现有装置的设计方案;为了验证数值计算的正确性,我们又使用电路仿真软件进行了模拟对比,使用多物理场耦合仿真软件对整个变压器线圈的电路、磁场、传热和固体力学进行了联合仿真,进一步探究变压器线圈的传热和结构力学特性;最后我们加工制作了一个实验可用的脉冲变压器线圈,并进行了放电测试,测试结果与我们之前的理论分析和模拟结果均高度一致。实验和理论模拟结果表明,当使用的变压器初级线圈直径为25 mm、初级线圈匝数为10匝时,峰值磁场比直接使用单线圈时提升了 120%。变压器线圈显著提升了能量利用率,在将来的装置升级中有很大的应用前景。除了脉冲磁场装置的研发工作以外,我们使用该装置与中国科学技术大学的小型纳秒激光器相配合开展了激光烧蚀的物理实验,首次发现外加脉冲强磁场可以显著增强激光烧蚀。我们实验上测量了有无外加脉冲强磁场时激光烧蚀情况,从离子电荷量、脉冲激光沉积镀膜两个方面确认外加脉冲强磁场增强激光烧蚀效率一个量级以上,并且镀膜面积更大、大颗粒液滴污染显著减小、高能离子成分明显被抑制。通过测量等离子体发光、激光烧蚀坑、大颗粒液滴喷射等,发现增强激光烧蚀来源于稳态磁场的激光等离子体再烧蚀和脉冲磁场感应烧蚀,脉冲磁场感应烧蚀消除了大部分的大颗粒液滴污染。外加脉冲强磁场改善激光烧蚀可以用于改进脉冲激光沉积镀膜技术,它可以大幅度抑制大颗粒液滴污染、减弱高能离子成分导致的晶格缺陷、显著增大镀膜尺寸、成量级的增加镀膜效率,可以极大地促进脉冲激光沉积镀膜技术的发展。

论文目录

• 摘要
• ABSTRACT
• 第一章 引言
•   1.1 磁场与等离子体相互作用概述
•     1.1.1 磁惯性约束聚变
•     1.1.2 实验室天体物理
•     1.1.3 激光等离子体粒子加速
•     1.1.4 基础等离子体物理
•     1.1.5 脉冲激光沉积镀膜
•   1.2 论文的主要内容和安排
•   参考文献
• 第二章 用于磁化激光等离子体实验的磁场装置综述
•   2.1 用于磁化激光等离子体实验的稳态磁场装置
•   2.2 用于磁化激光等离子体实验的脉冲磁场装置
•     2.2.1 使用螺线管作为负载的大型脉冲磁场装置
•     2.2.2 使用单线圈作为负载的紧凑型脉冲磁场装置
•   2.3 本章小结
•   参考文献
• 第三章 脉冲强磁场装置设计原理和放电参数诊断技术
•   3.1 脉冲强磁场装置设计原理
•     3.1.1 磁场参数和技术路径
•       3.1.1.1 磁场强度与磁体材料选择
•       3.1.1.2 螺线管还是单匝线圈
•     3.1.2 放电电路设计
•     3.1.3 开关
•       3.1.3.1 气体开关的主要特性参数
•       3.1.3.2 气体开关的触发系统
•     3.1.4 传输线
•     3.1.5 真空馈通
•   3.2 磁场装置的放电参数诊断方法
•     3.2.1 磁探针
•       3.2.1.1 磁探针结构
•       3.2.1.2 磁探针标定方法
•       3.2.1.3 磁探针标定过程
•     3.2.2 自制罗氏线圈标定
•       3.2.2.1 罗氏线圈设计
•       3.2.2.2 罗氏线圈制作
•       3.2.2.3 罗氏线圈标定
•   3.3 本章小结
•   参考文献
• 第四章 用于中国科技大学小型激光装置的脉冲磁场装置
•   4.1 脉冲磁场装置设计
•   4.2 放电测试结果与模拟对比
•   4.3 低真空环境中放电实验
•   4.4 感生电场击穿的理论分析和模拟结果
•     4.4.1 感生电场的理论分析模型
•     4.4.2 感生电场二维轴对称模拟
•     4.4.3 背景气体电离与气压关系的理论分析
•   4.5 有背景气体的磁化激光等离子体实验
•   4.6 本章小结
•   参考文献
• 第五章 用于上海神光Ⅱ升级大型激光装置上的脉冲磁场装置
•   5.1 脉冲磁场装置设计
•   5.2 放电测试结果
•   5.3 在神光Ⅱ升级激光装置上的初步实验结果
•   5.4 本章小结
•   参考文献
• 第六章 脉冲变压器线圈
•   6.1 脉冲变压器线圈理论推导
•   6.2 脉冲变压器线圈数值模拟
•   6.3 脉冲变压器线圈放电测试
•   6.4 本章小结
•   参考文献
• 第七章 外加脉冲强磁场增强激光烧蚀
•   7.1 实验排布
•   7.2 实验结果及分析
•     7.2.1 离子电荷量和离子能谱
•     7.2.2 脉冲激光沉积镀膜的厚度和形貌
•     7.2.3 外加脉冲强磁场增强激光烧蚀的物理机制探究
•     7.2.4 纹影诊断技术确认增强烧蚀的主要机制
•   7.3 本章小结
•   参考文献
• 第八章 总结与展望
• 致谢
• 在读期间发表的学术论文与取得的研究成果
•   已发表论文
•   学术会议

文章来源

类型: 博士论文

作者: 王雨林

导师: 郑坚,胡广月

关键词: 脉冲磁场装置,激光,变压器线圈,脉冲激光沉积镀膜

来源: 中国科学技术大学

年度: 2019

分类: 基础科学

专业: 物理学,物理学

单位: 中国科学技术大学

分类号: O441.2;O53

DOI: 10.27517/d.cnki.gzkju.2019.000230

总页数: 126

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