外爆型平面薄膜负载装置制造方法
【专利摘要】本发明提供一种外爆型平面薄膜负载装置，整个负载装置包括平面金属薄膜、支撑结构及薄膜调节装置，其中，支撑结构包括阴极底座、阳极底座、阴极平台及导流柱，导流柱的一端通过阴极底座与加速器阴极电接触，阴极底座直接与加速器阴极连接，导流柱脚被底座扣在加速器阴极上，导流柱的另一端与阴极平台电接触，阳极底座位于阴极平台和阴极底座之间且与加速器阳极电接触，阳极底座和阴极平台相互平行且与导流柱垂直。本发明外爆型平面薄膜负载作为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受力与不稳定性发展方向相同时，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】外爆型平面薄膜负载装置
【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，就是采用平面丝阵和柱形丝阵负载。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，上升沿为l〇〇ns左右的电流脉冲，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面的不稳定性发展。
[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] 电接触本发明提供一种外爆型平面薄膜负载的设计方案，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如下：
[0007] -种外爆型平面薄膜负载装置，其特殊之处在于：包括平面金属薄膜、支撑结构及 薄膜调节结构，
[0008] 所述支撑结构包括阴极底座、阳极底座、阴极平台及导流柱，所述导流柱的一端通 过阴极底座与加速器阴极电接触，所述导流柱的另一端与阴极平台电接触，所述阳极底座 位于阴极平台和阴极底座之间且与加速器阳极电接触，所述阳极底座和阴极平台相互平行 且与导流柱垂直；
[0009] 所述薄膜调节结构包括设置于阴极平台外侧的两个活动阴极、设置于阳极底座外 侧的两个限位块、两个导轨及两个固定块，
[0010] 所述两个活动阴极可沿阴极平台向相反方向滑动并定位，所述两个固定块位于导 流柱两外侧且与阳极底座固定连接，所述两个导轨分别固定在两个固定块上且与阴极平台 滑动方向平行，所述两个限位块分别设置在两条导轨的两端并可沿两条导轨滑动并定位， [0011] 所述平面金属薄膜的一端与一个限位块电接触，另一端经过两个活动阴极的外表 面后与另一限位块电接触，形成一个倒U型结构，所述倒U型结构的两臂所在的两个平面均 为负载平面，所述负载平面与导流柱的相对面之间平行。
[0012] 上述导流柱与阴极平台之间通过弹性结构电接触。
[0013] 上述弹性结构包括支撑柱、导向孔、螺纹孔、通孔及螺钉，
[0014] 所述支撑柱为金属圆筒且一端与阴极平台固定连接，所述导向孔沿导流柱轴向设 置，所述支撑柱的另一端放入导向孔内，所述螺纹孔与导向孔同轴设置且位于导向孔的底 部，所述通孔设置在金属圆筒的底部，所述螺钉依次穿过通孔、螺纹孔将支撑柱与导流柱连 接，所述弹簧套在螺钉上且位于支撑柱与螺纹孔之间，在弹簧处于自然状态时，所述导流柱 与阴极平台之间有间隙。
[0015] 上述弹性结构的数量为两个，且并行设置。
[0016] 上述限位块上设置有用于压紧平面金属薄膜的压片。
[0017] 上述导流柱的正对负载平面的面为矩形，其余面为弧形。
[0018] 上述阳极底座的形状为圆盘状，所述阴极底座的形状为圆盘状或锥盘状。
[0019] 上述活动阴极的形状为L型，两个活动阴极沿阴极平台对角设置。
[0020] 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。
[0021] 本发明与现有技术相比，优点是：
[0022] 1、本发明外爆型平面薄膜负载作为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受力与不稳定性发展方向相同时，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。
[0023] 2、本发明安装简便、工作稳定且能够实现负载平面与导流柱侧面距离和平行度的 调节。可以利用该负载装置在"强光一号"加速器上进行Z箍缩不稳定性研究实验，观测负 载受力方向与不稳定性发展相同时，负载表面的不稳定性发展情况。
[0024] 3、本发明在高真空下（l(T2Pa)，受压力差影响，加速器阴极向真空腔室内探出，使 阴阳极之间距离增大，本外爆型平面薄膜负载利用可伸缩导流柱解决了这一问题。
【专利附图】
【附图说明】
[0025] 图1强光I号结构及Z箍缩实验示意图；
[0026] 图2阴极底座及导流柱剖面图；
[0027] 图3阴极平台及活动阴极示意图；
[0028] 图4负载阳极薄膜固定装置示意图；
[0029] 图5外爆型负载装配效果图及电流流向示意图；
[0030] 附图标记为：1_直线变压器驱动源、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-阴极底座、52-阳极底座、53-固定块、55-导流柱、56-活动阴 极、57-平面金属薄膜、58-阴极平台、59-压片、60-限位块、61-导轨、63-支撑柱、64-弹簧、 65-螺钉、66-阴极平台导轨。
【具体实施方式】
[0031] 以下结合附图对本发明做详细说明。
[0032] 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 所提供的平面薄膜负载结构，本发明与同传统的Z箍缩实验技术类似，薄膜电爆炸实验需 要在真空环境中进行，以免放电瞬间空气击穿影响爆炸品质，同时削弱空气对不稳定性发 展的影响。整个负载装置包括平面金属薄膜57、支撑结构及薄膜调节装置。
[0033] 其中，支撑结构包括阴极底座51、阳极底座52、阴极平台58及导流柱55,导流柱 55的一端通过阴极底座51与加速器阴极电接触，阴极底座51直接与加速器阴极连接，导流 柱脚被底座扣在加速器阴极上，当底座未拧紧时，导流柱可以轻微调节位置和方向，满足诊 断现场需求。导流柱的另一端与阴极平台电接触，阳极底座位于阴极平台和阴极底座之间 且与加速器阳极电接触，阳极底座和阴极平台相互平行且与导流柱垂直。
[0034] 薄膜调节装置包括设置于阴极平台外侧的两个活动阴极56、设置于阳极底座外侧 的两个限位块60、两个导轨61、两个固定块53,两个活动阴极沿阴极平台向相反方向滑动， 两个固定块53位于导流柱两侧且与阳极底座52固定连接，两个导轨61分别对应经过两个 固定块53且与阴极平台上设置的滑轨平行，两个限位块分别设置在两条导轨的两端并可 沿两条导轨滑动移动至合适位置后用紧固螺栓锁死。
[0035] 平面金属薄膜57的一端与一个限位块60欧姆接触，另一端经过两个活动阴极56 的外表面后与另一限位块60电接触，形成一个倒U型结构，倒U型结构的两臂所在的两个 平面均为负载平面，所述负载平面与导流柱55正对，且导流柱55正对负载平面的面与负载 平面平行，两个活动阴极与薄膜接触的始边和终边分别平行于导流柱正对负载平面的面。
[0036] 本发明中的活动阴极56与限位块60配合使负载平面的位置和倾斜角度可调。活 动阴极与阴极平台的结构如图3所示。首先应保证活动阴极外边缘的加工精度：该边缘需 严格平行于导流柱平面柱。
[0037] 另外，本发明的活动阴极上打有腰形孔，活动阴极可以在腰形孔的长度范围内沿 阴极平台的轨道运动，当阴极外边缘与导流柱表面的距离达到预定长度时，拧紧腰形孔处 的紧固螺栓完成该活动阴极的调节；然后调节与该活动阴极同侧的限位块位置，使负载平 面与导流柱相对面互相平行，固定限位块两端的紧固螺栓。重复上述调节过程即可完成另 一侧负载平面与导流柱平面平行度和距离的调节。
[0038] 为了避免抽真空过程中阴阳极之间的距离变长，保护平面金属薄膜不被拉断。本 发明中的导流柱有两个作用，首先，它可以将电流基本无损的导入活动阴极，第二，它支撑 阴极平台，使活动阴极和阳极底座之间的距离相对固定，同时具备一定的"可伸缩性"，为 此，本发明中的阴极平台与导流柱的连接关系如下：
[0039] 从导流柱55上方向下开有两个导向孔，导向孔恰好能够容纳阴极平台支撑柱63， 支撑柱上端要高出导向孔lcm左右，为抽真空时电极间距离变化保留收缩空间。支撑柱与 阴极平台通过螺钉65连接，两个导向孔可以保证阴极平台稳定，不产生水平方向的旋转。 支撑柱为不锈钢制圆筒，底端留有通孔，使用固定螺钉穿过通孔，固定于导向孔底部的螺孔 内。支撑柱与螺栓之间可以自由活动，螺钉上套有弹簧64,弹簧64下端顶住导向孔底部，上 端顶住支撑柱底部，防止在安装负载时支撑柱顶端预留的收缩空间进入导向孔。螺栓帽的 直径大于支撑柱底端通孔的直径，确保支撑柱不被弹簧顶飞。
[0040] 进一步的，本发明的限位块侧面中央安装有一片压片59,平面金属薄膜一端穿过 其中一个限位块与压片之间的缝隙，压紧压片即可实现薄膜与限位块的可靠电接触。将薄 膜拉直，绕过两片活动阴极，使平面金属薄膜的另一端传过另一个限位块与压片之间的缝 隙，轻轻拉紧薄膜使两个负载平面平直，锁紧第二片限位块压片即可完成平面金属薄膜的 安装。
[0041] 进一步的，本发明的导流柱外形为一长方体，长边的四个棱进行倒角处理以减少 放电过程中的尖端放电。
[0042] 更进一步的，本发明导流柱的正对负载平面的面为矩形，其余面为弧面。本发明的 阳极底座的形状为圆盘状，阴极底座的形状为圆盘状或锥盘状。
[0043] 另外，本发明的阴极平台是一片圆角矩形不锈钢片，它的正面有两个分别平行于 矩形长边的凸棱作为活动阴极的阴极平台导轨66,活动阴极有两片，为L形不锈钢片，活动 阴极的背面有与阴极平台凸棱配合的凹槽，使活动阴极在阴极平台上只能沿阴极平台导轨 方向活动，活动阴极调整到位后，使用固定螺栓卡死。
[0044] 平面金属薄膜为铝、钨等金属材料制成的带状长条，其宽度为范围为0. 2-1. 5cm， 长度一般为8-10cm，厚度一般小于50 μ m，有20 μ m、30 μ m和50 μ m等规格。
[0045] 本发明的原理：
[0046] 平面金属薄膜一端被限位块固定于阳极底座上，另一端绕过两片活动阴极，被另 一个限位块固定于阳极底座上，这样平面金属薄膜呈倒U形扣于阳极底座上，U形的底边覆 盖两片活动阴极，与其直接接触，U形的两臂分别在两个活动阴极与阳极底座之间形成电流 通路。将平面金属薄膜U形两臂所在的两个平面都称为负载平面，通过调整薄膜调整结构 使两个负载平面均平行于导流柱所在的平面。加速器放电时，两个负载平面中的电流方向 相同，与导流柱中电流方向相反（图5)，根据法拉第电磁感应定律，负载平面处的薄膜将受 到导流柱中电流的"排斥"，受到另一个负载平面上电流的"吸引"。电流间相互作用力的大 小与电流大小和距离有关，电流越大，距离越小，受力越大，所以负载平面受到导流柱的斥 力要大于另一个负载平面的引力，两个负载平面会向外爆炸。可以通过调节负载平面与导 流柱的距离控制负载受力大小，观测平面金属薄膜在受力大小不同时，不稳定性发展的区 别。
【权利要求】
1. 一种外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：包括平面金属薄膜、支撑结构及薄膜 调节结构， 所述支撑结构包括阴极底座、阳极底座、阴极平台及导流柱，所述导流柱的一端通过阴 极底座与加速器阴极电接触，所述导流柱的另一端与阴极平台电接触，所述阳极底座位于 阴极平台和阴极底座之间且与加速器阳极电接触，所述阳极底座和阴极平台相互平行且与 导流柱垂直； 所述薄膜调节结构包括设置于阴极平台外侧的两个活动阴极、设置于阳极底座外侧的 两个限位块、两个导轨及两个固定块， 所述两个活动阴极可沿阴极平台向相反方向滑动并定位，所述两个固定块位于导流柱 两外侧且与阳极底座固定连接，所述两个导轨分别固定在两个固定块上且与阴极平台滑动 方向平行，所述两个限位块分别设置在两条导轨的两端并可沿两条导轨滑动并定位； 所述平面金属薄膜的一端与一个限位块电接触，另一端经过两个活动阴极的外表面后 与另一限位块电接触，形成一个倒U型结构，所述倒U型结构的两臂所在的两个平面均为负 载平面，所述负载平面与导流柱的相对面之间平行。
2. 根据权利要求1所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述导流柱与阴极 平台之间通过弹性结构电接触。
3. 根据权利要求2所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述弹性结构包括 支撑柱、导向孔、螺纹孔、通孔及螺钉， 所述支撑柱为金属圆筒且一端与阴极平台固定连接，所述导向孔沿导流柱轴向设置， 所述支撑柱的另一端放入导向孔内，所述螺纹孔与导向孔同轴设置且位于导向孔的底部， 所述通孔设置在金属圆筒的底部，所述螺钉依次穿过通孔、螺纹孔将支撑柱与导流柱连接， 所述弹簧套在螺钉上且位于支撑柱与螺纹孔之间，在弹簧处于自然状态时，所述导流柱与 阴极平台之间有间隙。
4. 根据权利要求3所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述弹性结构的数 量为两个，且并行设置。
5. 根据权利要求1或2或3或4所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述 限位块上设置有用于压紧平面金属薄膜的压片。
6. 根据权利要求5所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述导流柱的正对 负载平面的面为矩形，其余面为弧形。
7. 根据权利要求6所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述阳极底座的形 状为圆盘状，所述阴极底座的形状为圆盘状或锥盘状。
8. 根据权利要求7所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述活动阴极的形 状为L型，两个活动阴极沿阴极平台对角设置。
9. 根据权利要求8所述的外爆型平面薄膜负载装置，其特征在于：所述平面金属薄膜 为铝膜或钨膜，其宽度为范围为〇· 2-1. 5cm，长度为8-lOcm，厚度小于50 μ m。
【文档编号】H05H1/02GK104219862SQ201410461018
【公开日】2014年12月17日 申请日期:2014年9月11日 优先权日:2014年9月11日
【发明者】袁媛, 盛亮, 李阳, 张美 , 彭博栋, 赵吉祯, 李奎念, 王培伟 申请人:西北核技术研究所