[科普中国]-等离子体聚焦装置

工作原理

等离子体聚焦装置的简单工作原理为：首先启动能源系统，充电电源给储能装置充电至设定电压；此时外触发信号启动触发装置，产生前沿很陡的高压脉冲信号；该信号导通储能装置的主放电开关，使储能电容器与聚焦装置接通，聚焦装置开始工作；经过约2μs时间，产生短脉冲、高强度的中子脉冲。电容DPF开关导通以后，电容器对等离子体枪放电，此时电容器、外电路和枪形成放电回路，放电电流大体上应是一衰减的正弦波。事实上，枪内放电开始以后，其内电感不是常数，而是随着电流壳层向终端推移而逐渐升高，所以电流波形并不是一个理想的正弦波形。

当焦点形成时，由于电感的突然增加，因而放电电流突然下降，如图1所示的尖峰波形；同时，枪端电压也产生一个突然的跃变。一般认为，这种电流和电压在波形上的突变是有焦点形成的表现。

利用一维雪耙模型可以粗略地描绘电流壳层的动力学行为1，并算出为使聚焦发生在电流最大值时刻的电容器充电电压V0、枪内起始充气密度ρ0以及中心电极长度L之间应当满足的关系。依据雪耙模型，放电气体被击穿后形成的等离子体壳层在电磁力的作用下，像活塞或“雪耙”一样的沿轴向运动，将所遇到的中性气体都电离成为等离子体，并堆积在壳层里面，同壳层一起运动。

在计算中，假设电流壳层是轴对称的，把这电流壳层分割成许多单位宽度的圆环，并忽略各面元之间的相互作用，那么根据雪耙模型，对于半径为r0的圆环，其轴向运动方程为：

式中，I(t)为放电电流；μ0为真空磁导率。

把实验中测得的电流曲线图代入上面的方程进行数值积分，就可以得到对于一定的r0值，电流壳层在每一时刻t的位置和速度。改变r0值，就可以得到整个电流壳层在两极间的运动情况。图2是计算结果，它给出了电流壳层在不同时刻t的位置。

从图2中我们可以清楚的看到，在电击穿后3.4μs，电流壳层被推到中心电极的末端。此时，电流达到了它的峰值，这一点与实验结果符合得相当好。2

工作过程等离子体聚焦(DPF)产生中子的机理是氢的同位素氘（D）、氚（T）在高温下发生聚变反应：

提高D、T核的温度是提高反应稳定性和中子产额的根本途径。根据早先的研究成果，等离子体聚焦装置在放电过程中形成热点，温度和密度都远远高于放电通道的其他区域，是发生D、T聚变反应的主要区域。但是热点的参数也存在很大差异，一般以放电通道的等离子体线平均密度作为判断依据，如果线平均密度大于1017cm-1，则形成微箍缩区，最终压缩温度可达到：

如果线平均密度≤1017cm-1，则形成热区，终态参数为：

估算两种状态下反应率的差异，会发现微箍缩区的中子产额将会远远大于热区的中子产额。

等离子体聚焦装置的结构差异、放电和充气条件的改变以及一些不稳定性因素都会导致箍缩形成的热点在二种状态之间转化，从而导致中子产额涨落，甚至无中子产生。因此，通过采用综合诊断方法研究等离子体产生、加速的机理，我们有可能找到形成微箍缩和提高压缩度的优化条件，从而达到提高中子产额及其稳定性的目的。3

影响因素1、中心电极的影响

一般说来，最小的中心电极(CE)产生最高的中子产额。CE直径太大有可能不产生中子，因为CE太大的直径会使径向箍缩占去DPFτ/4(τ为装置放电周期)的太多时间，而一般认为放电回路的1Π4周期时间应与等离子体聚焦达到最大收缩的时间相当。

也有人认为太小的CE不能形成等离子体焦点的经典尺寸。还存在利用小CE直径的另一面，电流强度和磁场的大小在CE直径小时更大，从而使升举时间减少。然而，实验表明，假如升举前电流密度太高，在绝缘体端头附近区域CE发生明显气化，会出现绝缘体被破坏，由鞘所形成的环向对称性也被破坏，而且没有聚焦。

当中心电极CE直径太小时，升举前的高电流密度使得中心电极的破坏与箍缩时的退化箍缩动力学之间的平衡不能得到保证。运用小电极直径也有好处，它可在击穿前在电极附近产生更高的电场，提高鞘的质量，在电极附近还可能产生更强的磁场和更大的电流密度，再通过洛仑兹力使鞘的升举更快，从而减轻绝缘材料与热鞘接触时对鞘的沾染、电子束轰击、等离子体电极气化、脉冲磁压以及从箍缩区射来的轴上气流等的作用，箍缩本身也会引起CE的破坏。

2、高压运行的影响

当等离子体聚焦装置在相同储能条件下高压运行时，它有如下特点：

a.固定储能时，高压下获得的更大电流将导致更多的中子产额或其它产额；

b.固定储能时，高压允许高电容阻抗，减弱了等离子体焦点负载电抗变化对放电电流的影响；

c.高压运行增大了传给鞘形成的能量，产生高质量的鞘，因而得到高质量的焦点；

d.对给定的电容组能量，高压允许低阻电容和高响应频率，这给控制等离子体的不稳定性提供了机会；

e.对快速高压组，聚焦发生很快，以致鞘还没到达外电极的柱墙，这可减少由外电极内表面向等离子体释放杂质，因而使等离子体更干净，且降低反复点火的可能性。

放电初始状态时，对称电流鞘在绝缘体上形成，但如何确定绝缘体的最佳长度这一问题至今尚未进行系统的研究。内外电极尺寸、布局、绝缘体材料及其结构以及初始压强等参数之间的关系十分复杂，至今尚未有普遍关系。有研究表明，在对获得环向对称电流鞘的套筒长度作出最佳选择时，任何对此选择的偏离都将导致在套筒表面上产生幅条形电流。

3、氘气体充压对中子产生的影响在D-D反应中，聚焦装置放电所产生的中子产额与箍缩电流的关系式为：

虽然这个定标关系在每个PF装置中都适用，但它只在一定的气压范围内适用，即有一个上限气压pM和一个下限气压pm。实际上，超出这个气压范围，即使箍缩电流I的变化不大，中子产额Y也会下降很多。有关气压上限的解释是与在径向压缩期间的电流雪鞘(CS)电离中性气体的能力有关。而下限气压的解释是：在聚焦装置放电阶段，在获得最佳中子产额的氘气压条件下，磁活塞(MP，即等离子体2磁场相互作用表面)和电流鞘离子化前端面(IF，即等离子体2中性气体相互作用表面)有相似的表达式τ(t)，在整个压缩阶段电流鞘厚度保持一个常数(0.2cm)；而在低气压阶段，在径向压缩阶段电流鞘的厚度较小(约为0.1cm)，而且在最后的35ns时间内，IF以7.5×107cm·s-1的速度超越MP向前运动，这个IF的突然加速就是导致低工作气压状态下中子产额降低的一个主要因素。这个电流雪鞘实际上是一个被强烈离子化的冲击波。

有实验研究表明，在工作电压足够高时，随着气压的升高，放电室内将出现几种不同的击穿模式：低气压时是顶部击穿，在内电极顶部的内、外电极之间的直接击穿；在中气压时是沿面击穿、绝缘体表面击穿；高气压时是弥漫击穿，在绝缘体上部内、外电极之间的大面积击穿。沿面击穿可以在绝缘体表面形成均匀的电流鞘层，它是导致最后良好聚焦的必要条件，而顶部击穿和弥漫击穿均不可能导致聚焦。若气压偏高，即使击穿阶段在绝缘体表面形成了均匀的电流鞘层，该鞘层也难以驱动其前方的全部气体前进，同样不能聚焦。总的说来，气压对中子产额Y的影响具有以下特征：

a.较大的Y值只在界限分明的充D气压(p)范围内探测到；

b.只改变p值时，有一个p=pM使Y达到最大值，不同装置pM的变动可大于一个数量级；

c.一般情况下，p大于pM时Y急剧下降，表现出一种截止特征；

d.p大于等于pM时Y的降低不能由焦点中电流If的减小来解释，事实上，大多数实验中Y随p的增大而减小(p大于pM时)，而If随p而增大。

提高装置中子产额稳定性的措施一般说来，影响装置放电产生中子的因素有下述的一些因素：放电、枪结构、电容器储能、靶室充气气压、工作电压和腔内清洁等。目前，我们还不能确切的说通过调整那一个因素能显著地改进装置性能，只能通过大量实验进行摸索，调整装置参数，以使等离子体聚焦装置中子源工作在最优状态。经过摸索，等离子体聚焦装置目前的工作条件：储能电容为40μF；充电电压为25kV；电容器储能为12kJ；回路电感约为30nH；放电电流幅值约为480kA；内电极半径为5cm；外电极半径为12cm。当装置运行在这样的工作条件下时，中子产额可达到每脉冲～1×109n，中子脉冲波形半宽度为30～40ns，基本上可以满足使用要求。

1、腔内清洁

通过对等离子体聚焦装置工作原理的研究及相关实验，等离子体聚焦装置腔内电极表面的清洁程度是影响其稳定可靠工作的关键因素之一。有研究表明，杂质对中子产生有明显的影响。其表现为每一次新的(纯D气体)充气，第一次放电的中子产额都比较低，而总是在第二第三次放电时才有较高的中子产额，这显然是因为有了一、二次放电，枪内已经由于出气掺进了某种杂质的缘故。这些杂质在真空中会放出大量的杂质气体，而且当等离子体聚焦装置工作时，还会汽化而进入等离子体，并随后重新凝结或吸附在电极和陶瓷表面，极易导致初始放电不均匀，并在等离子体中引入大量的杂质离子。

因此，为提高等离子体聚焦装置中子管的稳定性和可靠性，我们从改善初始放电入手，采用了场变形放电单元，增大击穿前的场强，提高初始放电的可靠性和所形成的等离子体层的性能，并利用了先进的特种电真空工艺，对管内零件进行较为彻底的处理。零件经严格的化学清洗后进行高低温真空除气，以除去零件表面和内部的杂质气体。安装后再采用氩弧焊和激光焊，最后结合玻璃的封接保证了腔体的良好密封性，同时还便于零件更换。处理之后的密封件，在经过放电实验后出气量极少，能满足100次以上不清洁、不更换气体的要求，在经过了一段相当长的时间考核，中子产额无明显下降，首次中子产额能满足实验要求。DPF中子管排气工艺流程图如图3所示。

2、场崎变开关研究

在聚焦装置中，开关(如图4所示)是把电容器的能量有效地传送给等离子体聚焦装置的关键部件。实验表明，等离子体聚焦装置产生中子的时间抖动主要是开关的导通抖动引起的，在要求低抖动时往往带来过高的自击穿率。开关的导通性能与很多因素有关，如开关工作的欠压比、触发脉冲的幅度、触发脉冲的上升时间、开关电极形状及加工精度、绝缘气体等。为解决等离子体聚焦装置产生中子时的可靠运行，开展了场崎变开关性能的系统研究，先后使用了四种电极形状、六种绝缘气体进行了多次实验，在使用环形电极、75%SF6+25%N2，欠压比60%～90%工作范围内以及使用75%SF6+25%Ar，可以很好地提高聚焦装置的可靠运行。在每轮实验中，装置输出中子的起伏由过去的约两个量级降到目前的3倍左右，基本上可以满足实验对装置的使用要求。

大量的实验及理论可以证明，场崎变元件可以有效地增加装置放电时电流鞘的质量，改善离子束的精细化结构，有效地消除在高密度电流鞘后面的电流扩散影响，提高中子输出的稳定性。