平面金属薄膜负载装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种平面金属薄膜负载装置，包括负载、负载阴极及负载阳极，负载为平面金属薄膜，平面金属薄膜呈拉直状态，一端与负载阴极电连接，另一端与负载阳极电连接；负载装置还包括位于负载阴极和负载阳极之间的回流装置，回流装置包括回流柱底座及两个回流柱，两个回流柱对称设置在平面金属薄膜的两侧且与平面金属薄膜之间的距离可调，回流柱的一端与负载阳极电接触，回流柱的另一端与回流柱底座电连接，回流柱底座与负载阴极电连接。本发明可以研究负载平面两侧存在受力时，不稳定性的发展情况。相关研究结果可以应用于分析MagLIF套筒靶在致稳磁场作用下不稳定性发展情况。
【专利说明】平面金属薄膜负载装置
【技术领域】
[0001]本发明涉及脉冲功率加速器的负载装置或负载实验装置，具体涉及一种用于研究Z箍缩过程不稳定性发展的负载设计。
【背景技术】
[0002]Z箍缩(Z-Pinch)是指由Z方向上的脉冲电流产生的角向磁场对等离子体进行径向压缩。作为一种高效的X射线源，Z箍缩在惯性约束核聚变、高能量密度物理和实验室天体物理等方面得到广泛应用。传统的Z箍缩实验中，一般使用金属丝阵负载进行实验。如目前在“强光一号”加速器上进行的Z箍缩实验，就是采用平面和柱形丝阵负载。强光I号加速器中央存储单元中的电流经脉冲压缩单元、脉冲形成线之后，形成一个峰值大于1MA，半宽为10ns量级的电流脉冲，施加于安装在真空腔室中的负载上，金属丝负载在大电流作用下，迅速经历从固态到等离子体的相变过程，所产生的等离子体在角向磁场作用下向负载中心聚爆，产生X射线(图1)。用这类负载进行Z箍缩实验，X射线转换效率和辐射功率较高。但从分幅照相的情况看，所产生的箍缩柱存在较大的不稳定性。这是由于在箍缩过程中，等离子体向轴心聚集过程所受到的磁流体力学不稳定性的影响，使得等离子体壳层结构发生变形甚至遭到破坏的结果。
[0003]近几年，美国圣地亚实验室提出了一种被称作磁化套筒靶惯性约束核聚变(MagLIF)的新技术，这种技术旨在26MA驱动电流下实现高增益点火，相关文献表明，制约这种技术发展的最重要因素之一是套筒靶的不稳定性发展。
[0004]近年来，从事Z箍缩研究的科研人员利用单丝、双层等负载结构研究箍缩过程中不稳定性发展的物理过程，以克服其带来的不利影响，但相关研究成果很难应用于分析MagLIF套筒靶在致稳磁场作用下不稳定性的发展状况。
【发明内容】
[0005]本发明提供一种外爆型平面金属薄膜负载，可以用于研究MA量级(强光I号)Z箍缩实验中，负载受力方向与不稳定性发展方向相同时，负载的不稳定性发展过程。
[0006]本发明的技术解决方案是:
[0007]平面金属薄膜负载装置，包括负载、负载阴极及负载阳极，其特殊之处在于:所述负载为平面金属薄膜，所述平面金属薄膜呈拉直状态，一端与负载阴极电连接，另一端与负载阳极电连接；
[0008]所述负载装置还包括位于负载阴极和负载阳极之间的回流装置，所述回流装置包括回流柱底座及两个回流柱，所述两个回流柱对称设置在平面金属薄膜的两侧且与平面金属薄膜之间的距离可调，所述回流柱的一端与负载阳极电接触，所述回流柱的另一端与回流柱底座电连接，所述回流柱底座与负载阴极电连接。
[0009]上述负载阳极包括阳极板及夹紧装置，所述阳极板的与回流柱电连接，所述夹紧装置固定在阳极板上，所述阳极板的中心处开设有通孔，所述平面金属薄膜的一端经过通孔与夹紧装置固定连接。
[0010]上述夹紧装置包括固定座、两个半圆柱、两个夹轴固定扣及弹片，所述固定座的材料为非金属绝缘材料，所述两个半圆柱相扣形成夹轴，所述夹轴安装于固定座内且两端伸出固定座；
[0011]所述夹轴固定扣包括本体及设置在本体上与本体垂直的转轴，两个夹轴固定扣通过转轴安装于固定座的两侧，所述转轴的安装位置低于夹轴的中心轴，所述本体上还开设有朝向夹轴开口的凹槽，所述凹槽为以转轴为中心的弧形槽，所述弧形槽的径向尺寸与夹轴向适配，当旋转固定扣时，所述弧形槽能够包裹住伸出固定座的夹轴；
[0012]所述弹片设置在固定座边缘且朝阳极板通孔方向伸出，所述平面金属薄膜由通孔穿出后沿弹片进入固定座中的夹轴由夹轴夹紧。
[0013]上述负载阴极包括阴极底座、阴极夹口及固定套，
[0014]所述阴极夹口包括相扣合的两个半圆锥，所述两个半圆锥设置在阴极底座上，所述固定套的内表面包括圆锥面及与圆锥面大端连接的圆柱面，所述固定套从阴极夹口的小端套入，套入过程中固定套的圆锥面部分压紧阴极夹口的两个半圆锥，固定套的圆柱面部分与阴极底座螺纹连接，
[0015]所述回流柱底座上设置有与阳极板上通孔位置及大小相适配的锥形孔，所述阴极夹口伸入锥形孔中夹持平面金属薄膜的一端，所述阴极夹口与锥形孔圆锥面配合。
[0016]上述阴极底座与阴极夹口为两个分立的器件。
[0017]上述阴极底座与阴极夹口之间还设置有垫圈。
[0018]上述平面金属薄膜为铝膜或钨膜，其宽度为范围为0.2-1.5cm，长度为8-lOcm，厚度小于50 μ m。
[0019]本发明与现有技术相比，优点是:
[0020]1、平面金属薄膜负载作为Z箍缩不稳定性研究实验中的一个关键部件，在于它可以研究负载平面两侧存在受力时，不稳定性的发展情况。相关研究结果可以应用于分析MagLIF套筒靶在致稳磁场作用下不稳定性发展情况。
[0021]2、本发明阳极板处夹紧装置的独特设计，使得本发明可以满足由于压差使阴极向阳极移动时，保证薄膜平面平直的物理要求，在高真空下(10_2Pa)，整个负载平面受力均匀，不发生扭曲变形。
[0022]3、本发明负载阴极与回流柱底座采用圆锥面配合，使得本发明可以对负载薄膜平面方向进行微调，使其与探针激光方向保持高的平行度；该装置负载在“强光一号”加速器上进行Z箍缩不稳定性研究实验时，可以观测到负载两面在受不同力时不稳定性发展的差巳
[0023]4、本发明机械结构简单、安装方便、工作稳定可靠、现场拆卸快捷，满足实验要求。
【专利附图】
【附图说明】
[0024]图1为强光I号结构及Z箍缩实验示意图；
[0025]图2平面金属薄膜负载装配结构示意图；
[0026]图3为负载阳极、回流柱结构示意图
[0027]图4为双半圆柱夹轴固定结构及弹片安装结构示意图；
[0028]图5为双半圆柱夹轴固定结构及弹片扣合后的状态示意图；
[0029]图6为去掉夹轴固定扣后的夹紧结构图；
[0030]图7负载阴极及薄膜夹口示意图；
[0031]附图标记为:1_直线变压器驱动源(LTD)、2_中央储能单元、3-脉冲压缩线、4-脉冲形成线、5-负载、6-真空腔室、51-夹紧装置、52-弹片、53 -平面金属薄膜、54-阳极板、55-回流柱、56-回流柱底座、57-线圈压圈、58-负载阴极、511-固定座、512-夹轴、513-夹轴固定扣、581-阴极底座、582-垫圈、583-固定套、584-阴极夹口。
【具体实施方式】
[0032]以下结合附图对本发明的优选方式进行详细说明。
[0033]图1所示为强光I号结构及Z箍缩实验示意图，包括依次连接的直线变压器驱动源(LTD)、中央储能单元2、脉冲压缩线3、脉冲形成线4及负载5，其中负载5可使用本发明所提供的平面金属薄膜负载结构，同传统的Z箍缩实验技术类似，电爆炸实验需要在真空环境中进行，以减少放电瞬间空气击穿对爆炸品质的影响。
[0034]本发明平面金属薄膜为铝、钨等金属材料制成，其宽度为范围为0.2-1.5cm，有效长度2cm，实际长度一般需要超过1cm以保证与阴极夹口、阳极固定结构的有效连接，厚度一般小于 5(^111，有2(^111、3(^111和 50 μ m 等规格。
[0035]如图2-3所示，本发明的平面金属薄膜负载装置，其基本结构包括负载、负载阴极、负载阳极及回流装置，负载为平面金属薄膜53，平面金属薄膜呈拉直状态，一端与负载阴极电连接，另一端与负载阳极电连接；回流装置位于负载阴极和负载阳极之间，包括回流柱底座56及两个回流柱55，两个回流柱对称设置在平面金属薄膜的两侧且与平面金属薄膜之间的距离可调，回流柱的一端与负载阳极电接触，回流柱的另一端与回流柱底座电连接，回流柱底座与负载阴极58电连接。
[0036]基于对以上基本方案的改进，本发明为了解决在真空抽取过程中由于阴阳极之间的距离收缩所导致的薄膜平面难以保持的问题。为此负载阳极端设计为一种由两个半圆柱组成的夹轴固定结构和防止负载平面变形的弹片结构，具体如下:
[0037]如图2、图4所示，本发明负载阳极包括阳极板54及夹紧装置51，阳极板的内侧与回流柱电连接，夹紧装置固定在阳极板的外侧，阳极板的中心处开设有通孔，平面金属薄膜的一端与负载阴极电连接后从两个回流柱之间通过再经过通孔后由夹紧装置夹紧。夹紧装置包括固定座511、两个半圆柱、两个夹轴固定扣及弹片52,两个半圆柱相扣形成一个夹轴512安装于固定座内且两端伸出固定座，夹轴固定扣包括本体及设置在本体上与本体垂直的转轴，两个夹轴固定扣513通过转轴安装于固定座的两侧，转轴的安装位置低于夹轴的中心轴，本体上还开设有朝向夹轴开口的凹槽，凹槽为以转轴为中心的弧形槽，弧形槽的径向尺寸与夹轴向适配，当旋转固定扣时，所述弧形槽能够包裹住伸出固定座的夹轴，弹片设置在固定座边缘且朝阳极板通孔方向伸出，平面金属薄膜有通孔穿出后沿弹片进入固定座中的夹轴由夹轴夹紧。夹轴固定结构可以保证在没有很强外力条件下负载的可靠固定，弹片结构用于保证在阴阳极间距变化时薄膜平面保持平直，不扭曲变形，同时保证平面金属薄膜在经过阳极板通孔时与孔边接触。同传统的吊锤固定方式相比，这种结构可以在保证薄膜平面平直的情况下，任意改变其方向，满足实验诊断需求。
[0038]进一步的本发明夹紧装置的固定座的材料为非金属绝缘材料，其优点是使流经平面金属薄膜的电流在通过阳极板上能够均分由两侧的回流柱流过，避免夹紧装置固定座的分流。
[0039]实验中，主要采用激光探针和分幅相机等手段进行诊断，为获得好的诊断结果，薄膜平面方向需平行于探针激光的方向，负载阴极和加速器阴极板固定后，仍需对负载平面方向进行微调(小于1° )以满足诊断要求。设计中，采用可旋转转阴极夹口实现负载平面方向微调，微调后将固定套583拧紧，即可锁死旋转自由度。本发明为了解决平面金属薄膜方向控制问题，本发明的负载阴极时这样设计的:
[0040]如图2、图5所示，本发明负载阴极包括阴极底座581、阴极夹口 854及固定套583，阴极夹口包括相扣合的两个半圆锥，两个半圆锥设置在阴极底座上，固定套的内表面包括圆锥面及与圆锥面大端连接的圆柱面，固定套从阴极夹口的小端套入，套入过程中固定套的圆锥面部分压紧阴极夹口的两个半圆锥，固定套的圆柱面部分与阴极底座螺纹连接，回流柱底座上设置有与阳极板上通孔相对的锥形孔，阴极夹口伸入锥形孔孔中夹持平面金属薄膜，阴极夹口与锥形孔圆锥面配合。
[0041]进一步的，为了解决阴极夹持结构烧蚀问题。为保证和薄膜有良好的电接触，同时控制薄膜平面平直，夹持箔片的阴极夹口应当具有一定的平整度。一轮实验后，阴极夹口被烧蚀，不再满足要求，为此负载阴极夹口与阴极底座设计为可分离结构，每次实验后只需更换阴极夹口，既节约成本，又可以保证阴极夹口的平整度。
[0042]另外，本发明的阴极底座与阴极夹口之间还设置有垫圈583，通过调节垫圈厚度对负载阴极的水平位置进行微调。
[0043]本发明的原理是:
[0044]平面金属薄膜一端被阴极夹口夹持住，另一端穿过阳极板上预留的孔槽，被两个半圆柱夹轴夹住，两个半圆柱夹轴合成一个圆柱，放置于固定座上预留的凹槽内，旋转该圆柱将负载拉紧，同时将弹片压弯，拧紧两侧的夹轴固定扣即可将夹轴固定，即使负载阴极和负载阳极在水平方向上有轻微的相对移动亦可保持薄膜的平直。回流柱共有两片，均为不锈钢制长方体，直接与回流柱底座连接，回流柱底座通过卡扣固定于加速器阳极板上。加速器放电时，负载中电流与回流柱中电流方向相反，根据法拉第电磁感应定律，负载将受到回流柱中电流的“排斥”，斥力大小与负载平面和回流柱内表面的距离有关，可以通过调节两个回流柱与负载的距离控制负载受力，观测平面金属薄膜负载在不同受力条件下，不稳定性的发展情况。
【权利要求】
1.平面金属薄膜负载装置，包括负载、负载阴极及负载阳极，其特征在于:所述负载为平面金属薄膜，所述平面金属薄膜呈拉直状态，一端与负载阴极电连接，另一端与负载阳极电连接； 所述负载装置还包括位于负载阴极和负载阳极之间的回流装置，所述回流装置包括回流柱底座及两个回流柱，所述两个回流柱对称设置在平面金属薄膜的两侧且与平面金属薄膜之间的距离可调，所述回流柱的一端与负载阳极电接触，所述回流柱的另一端与回流柱底座电连接，所述回流柱底座与负载阴极电连接。
2.根据权利要求1所述的平面金属薄膜负载装置，其特征在于:所述负载阳极包括阳极板及夹紧装置，所述阳极板的与回流柱电连接，所述夹紧装置固定在阳极板上，所述阳极板的中心处开设有通孔，所述平面金属薄膜的一端经过通孔与夹紧装置固定连接。
3.根据权利要求2所述的平面金属薄膜负载装置，其特征在于:所述夹紧装置包括固定座、两个半圆柱、两个夹轴固定扣及弹片，所述固定座的材料为非金属绝缘材料，所述两个半圆柱相扣形成夹轴，所述夹轴安装于固定座内且两端伸出固定座； 所述夹轴固定扣包括本体及设置在本体上与本体垂直的转轴，两个夹轴固定扣通过转轴安装于固定座的两侧，所述转轴的安装位置低于夹轴的中心轴，所述本体上还开设有朝向夹轴开口的凹槽，所述凹槽为以转轴为中心的弧形槽，所述弧形槽的径向尺寸与夹轴向适配，当旋转固定扣时，所述弧形槽能够包裹住伸出固定座的夹轴； 所述弹片设置在固定座边缘且朝阳极板通孔方向伸出，所述平面金属薄膜由通孔穿出后沿弹片进入固定座中的夹轴由夹轴夹紧。
4.根据权利要求1或2或3所述的平面金属薄膜负载装置，其特征在于:所述负载阴极包括阴极底座、阴极夹口及固定套， 所述阴极夹口包括相扣合的两个半圆锥，所述两个半圆锥设置在阴极底座上，所述固定套的内表面包括圆锥面及与圆锥面大端连接的圆柱面，所述固定套从阴极夹口的小端套入，套入过程中固定套的圆锥面部分压紧阴极夹口的两个半圆锥，固定套的圆柱面部分与阴极底座螺纹连接， 所述回流柱底座上设置有与阳极板上通孔位置及大小相适配的锥形孔，所述阴极夹口伸入锥形孔中夹持平面金属薄膜的一端，所述阴极夹口与锥形孔圆锥面配合。
5.根据权利要求4所述的平面金属薄膜负载装置，其特征在于:所述阴极底座与阴极夹口为两个分立的器件。
6.根据权利要求5所述的平面金属薄膜负载装置，其特征在于:所述阴极底座与阴极夹口之间还设置有垫圈。
7.根据权利要求6所述的平面薄膜负载装置，其特征在于:所述平面金属薄膜为铝膜或钨膜，其宽度为范围为0.5-1.5cm，长度为8-lOcm，厚度小于50 μ m。
【文档编号】H05H5/02GK104202903SQ201410457940
【公开日】2014年12月10日 申请日期:2014年9月10日 优先权日:2014年9月10日
【发明者】袁媛, 盛亮, 李阳, 张美 , 彭博栋, 赵吉祯, 李奎念, 王培伟, 李沫, 王亮平 申请人:西北核技术研究所