一种辅助触发的新型等离子体焦点装置的制作方法

1.本发明属于核技术及脉冲功率技术领域，具体涉及一种辅助触发的新型等离子体焦点装置。


背景技术：

2.离子体焦点装置（简称dpf装置）是利用氘-氘、氘-氚在高温等离子体状态下发生核反应从而产生中子的一种装置。其基本工作原理是：充电系统给dpf装置的脉冲电容器充电至预置电压，触发系统输出前沿陡峭的高压脉冲信号，进而触发dpf装置的放电开关，使脉冲电容器与dpf装置放电室电极连通，高电压脉冲加载到等离子体聚焦放电室的阴极（外电极）、阳极（内电极）之间，使阴、阳极之间的氘-氘、氘-氚气体击穿，形成等离子体，等离子体在放电电流产生的自磁场作用下，受法拉第电磁力作用驱动向阳极末端运动，在阳极末端等离子体汇聚形成高温等离子体焦点，使高温高密度等离子体中的氘核-氘核、氘核-氚核发生核反应，生成氦核和中子。
3.自上世纪60年代初期以来，dpf装置一直是核技术和脉冲功率技术研究领域的热点。dpf装置的放电室主要有mather型和filippov型两种类型，它们的差别在于阳极的直径与长度的比值k不同。mather型放电室的k值一般小于0.25，即其阳极为长圆柱型。filippov型放电室的k值一般大于5，即其阳极为圆饼型。
4.现有dpf装置仅有主驱动脉冲电源驱动，在主驱动脉冲电源开关闭合后，储存在主驱动脉冲电源电容器中的电能加载到放电室的阴、阳极上，使放电室阴、阳极之间的介质在过电压作用下发生自击穿，形成等离子体后汇聚、压缩，其等离子体密度沿周向分布通常是不均匀的，往往形成扇形分布，这种等离子体密度分布的不均匀将导致汇聚压缩后形成的等离子体柱极易发生过早崩溃，使中子产额降低且极不稳定。


技术实现要素：

5.有鉴于此，本发明提供的一种辅助触发的新型等离子体焦点装置，所述装置通过在阴、阳极之间的绝缘体中嵌入辅助电极，利用辅助电源激励辅助电极控制dpf装置氘-氘、氘-氚等离子体的产生，提高等离子体周向密度分布的均匀性，从而提升其中子产额及其稳定性。
6.为达此目的，本发明采用以下技术方案：一种辅助触发的新型等离子体焦点装置，所述装置包括：阳极、阴极和绝缘介质，所述阴极为中空壳体，阴极底部与绝缘介质密封连接，所述阳极穿过绝缘介质位于阴极中空壳体内，阳极、阴极和绝缘介质构成了所述等离子体焦点装置的放电室；所述装置还包括辅助电源和辅助电极，所述辅助电源连接辅助电极和阴极，所述辅助电极埋设在绝缘介质中，且为环形刃边电极。
7.优选的，所述绝缘介质位于阴极与阳极之间的部分上表面上设有多个非贯穿环状槽，所述辅助电极嵌入位于阴极和阳极连线中间的非贯穿环状槽内。
8.优选的，所述辅助电极到阴极与阳极的距离相等。
9.优选的，所述辅助电源，其输出脉冲幅度，其中为主驱动电源输出脉冲幅度，主驱动电源为驱动等离子体焦点装置的电源，其输出脉冲加载在阳极和阴极上；所述辅助电源，其与辅助电极之间形成的电场与放电室阴极和阳极之间的电场方向相反。
10.优选的，所述辅助电源，其输出脉冲幅度。
11.优选的，所述辅助电源，其脉冲电压上升速率。
12.优选的，所述辅助电源，其脉冲电压上升速率。
13.优选的，当能够获知放电室阴极与阳极之间氘-氘、氘-氚等离子体形成贯通阴极和阳极的放电通道所需时间时，所述辅助电源，其输出脉冲宽度≥所述放电室阴极和阳极之间氘-氘、氘-氚等离子体形成贯通阴极和阳极的放电通道所需时间；当不能获知放电室阴极和阳极之间氘-氘、氘-氚等离子体形成贯通阴极和阳极的放电通道所需时间时，所述辅助电源，其输出脉冲宽度≥20ns。
14.优选的，当不能获知放电室阴极和阳极之间氘-氘、氘-氚等离子体形成贯通阴极和阳极的放电通道所需时间时，所述辅助电源，其输出脉冲宽度≥200ns。
15.优选的，所述辅助电源，其放电开关为光导开关。
16.本发明的有益效果是：本发明公开的一种辅助触发的新型等离子体焦点装置，在主驱动脉冲电源加载到放电室阴、阳极上的电压接近峰值时，使用辅助脉冲电源对辅助电极-阴极加载上升沿极短的电脉冲，在放电室阴、阳极之间的介质中形成电场强度远超过击穿阈值的高过压击穿电压，并在放电室阴极和阳极之间的介质中形成环形幕布式放电，使得形成的等离子体密度沿周向均匀分布，形成具备良好的轴对称性和稳定性的等离子柱，在等离子体崩塌时达到极高的温度和密度，从而提高中子产额及其稳定性，并在同样中子产额要求下可有效降低dpf装置建造规模和成本，降低对极其昂贵的氘、氚的消耗。
附图说明
17.图1为本发明实施例中辅助触发的新型等离子体焦点装置放电室的结构示意图；图中：p1.阳极p2.阴极p3.绝缘介质p4.辅助电极。
具体实施方式
18.本领域的普通技术人员将会意识到，这里所述的实施例是为了帮助读者理解本发明的原理，应被理解为本发明的保护范围并不局限于这样的特别陈述和实施例。本领域的普通技术人员可以根据本发明公开的这些技术启示做出各种不脱离本发明实质的其它各种具体变形和组合，这些变形和组合仍然在本发明的保护范围内。
19.下面结合附图和具体实施例对本发明进行详细说明。
20.一种辅助触发的新型等离子体焦点装置，其结构如图1所示，该装置包括由阳极p1、阴极p2和绝缘介质p3组成的放电室，其中阴极p2为中空壳体，在本实施例中阴极p2的形状为前半段为空腔圆柱，后半段为与圆柱等内外径的半球壳体；阴极p2底部与绝缘介质p3密封连接；阳极p1为圆柱型电极，其中一端为球头形状，阳极p1穿过绝缘介质p3位于阴极p2的中空壳体内。
21.本发明的关键在在于，在等离子体焦点装置中增加了辅助电源（图中未示出）和辅助电极p4，该辅助电源与埋设在绝缘介质中的辅助电极p4和阴极p2连接，为辅助电极p4提供脉冲高压。辅助电极p4为环形刃边电极，嵌入到绝缘介质中，辅助电极到阴极和阳极的距离依据阴、阳极之间电压及辅助电极与阴极之间电压及其极性关系确定，作为最佳实施例选择辅助电极到阴极与阳极的距离相等。为了增加阴极p2到辅助电极p4，阳极p1到辅助电极p4之间的绝缘可靠性，将绝缘介质在位于阴极与阳极之间的部分上表面上有多个非贯穿环状槽，以增加电极之间的沿面绝缘距离，确保放电时辅助电极与放电室阴、阳极之间不会发生击穿。同时绝缘介质厚度应确保辅助电极上方的绝缘介质不会被破坏，以使辅助电极不暴露于氘气或氘、氚混合气构成的放电介质中。
22.为了解决现有技术中主驱动电源驱动下等离子体密度分布不均匀的问题，本发明增加了辅助电极，并利用辅助电源提供激励，需要对辅助电源进行特殊设计才能实现本发明的目的，辅助电源的设计如下：辅助电源的输出脉冲幅度≥主驱动电源输出脉冲幅度，所述主驱动电源是指驱动等离子体焦点装置的电源，辅助电源的输出脉冲幅度≥主驱动电源输出脉冲幅度，才更有利于在阳极与阴极之间形成很高的过电压电场，作为最优实施例取辅助电源的输出脉冲幅度；辅助电源脉冲电压的上升速率越大越有利于提高放电等离子体的径向均匀性，一般要求电压上升速率≥1kv/ns，作为最佳实施例电压上升速率≥15kv/ns，若电压上升速率低于3kv/ns，则会严重影响本发明的使用效果；辅助电源输出脉冲宽度≥所述放电室阴、阳极之间氘-氘、氘-氚等离子体形成贯通阴、阳极的放电通道所需时间，在不能获知放电室阴、阳极之间氘-氘、氘-氚等离子体形成贯通阴、阳极的放电通道所需时间的情况下，要求辅助电源输出脉冲宽度≥20ns，作为最佳实施例，此时选择辅助电源输出脉冲宽度≥200ns；辅助电源放电回路电感应尽量小，需选用低导通阻抗、高电压开关，推荐采用光导开关作为辅助电源放电开关以提高其输出脉冲电压上升速率；在加载电源方向时，辅助触发脉冲与主驱动脉冲极性可相同或相反，作为最佳实施例选择极性相反的组合，即辅助触发脉冲到达辅助电极时辅助电极和阴极之间形成的电场与无辅助触发脉冲时放电室阳极和阴极之间的电场方向相反。
23.本发明在主驱动电源开关闭合后，储存在主驱动电源电容器中的电能通过主驱动电源开关加载到放电室阴、阳极之间，在阴、阳极之间形成较高强度的电场，当阴、阳极之间的电压脉冲接近其峰值时，辅助脉冲电源输出的正极性高电压脉冲加载到辅助电极-阴极上，迅速提高辅助电极和放电室阴、阳极之间的空间中的电场强度，该电场强度高于使放电室阴、阳极之间发生沿面闪络击穿或气体介质体击穿所需的阈值强度，使放电室阴、阳极之间发生沿面闪络击穿或气体介质体击穿，形成环形均匀分布的等离子体，在放电室阴、阳极之间放电电流产生的自磁场与放电电流相互作用的法拉第电磁力作用下，环形等离子体向阳极球头端运动，并在阳极球头端汇聚、压缩成高密度等离子体柱，在包括瑞利-泰勒不稳定性等多种不稳定性作用下等离子体柱崩塌，在等离子体柱及阳极表面形成高温高密度等
离子体热斑，等离子体热斑中的氘（d）核-氘核、氘核-氚（t）核发生d-d、d-t核反应，释放出中子。
24.因此本发明采用辅助电极控制放电室气体介质放电过程，使阴、阳极之间氘氚气体击穿时电场强度远高于击穿阈值，形成的等离子体呈幕布型沿周向和径向发育均具有良好的对称性，从而避免现有dpf装置常见的扇形放电造成的初始等离子体密度分布不均匀带来的聚焦等离子体柱过早崩溃问题。