外爆型平面薄膜負載裝置制造方法
【專利摘要】本發(fā)明提供一種外爆型平面薄膜負載裝置，整個負載裝置包括平面金屬薄膜、支撐結構及薄膜調節(jié)裝置，其中，支撐結構包括陰極底座、陽極底座、陰極平臺及導流柱，導流柱的一端通過陰極底座與加速器陰極電接觸，陰極底座直接與加速器陰極連接，導流柱腳被底座扣在加速器陰極上，導流柱的另一端與陰極平臺電接觸，陽極底座位于陰極平臺和陰極底座之間且與加速器陽極電接觸，陽極底座和陰極平臺相互平行且與導流柱垂直。本發(fā)明外爆型平面薄膜負載作為Z箍縮不穩(wěn)定性研究實驗中的一個關鍵部件，在于它可以研究負載平面受力與不穩(wěn)定性發(fā)展方向相同時，不穩(wěn)定性的發(fā)展情況。相關研究結果可以應用于分析MagLIF套筒靶在致穩(wěn)磁場作用下不穩(wěn)定性發(fā)展情況。
【專利說明】外爆型平面薄膜負載裝置
【技術領域】
[0001] 本發(fā)明涉及脈沖功率加速器的負載裝置或負載實驗裝置，具體涉及一種用于研究 Z箍縮過程不穩(wěn)定性發(fā)展的負載設計。
【背景技術】
[0002] Z箍縮（Z-Pinch)是指由Z方向上的脈沖電流產生的角向磁場對等離子體進行徑 向壓縮。作為一種高效的X射線源，Z箍縮在慣性約束核聚變、高能量密度物理和實驗室天 體物理等方面得到廣泛應用。傳統(tǒng)的Z箍縮實驗中，一般使用金屬絲陣負載進行實驗。如 目前在"強光一號"加速器上進行的Z箍縮實驗，就是采用平面絲陣和柱形絲陣負載。強 光I號加速器中央存儲單元中的電流經脈沖壓縮單元、脈沖形成線之后，形成一個峰值大 于1MA，上升沿為l〇〇ns左右的電流脈沖，施加于安裝在真空腔室中的負載上，金屬絲負載 在大電流作用下，迅速經歷從固態(tài)到等離子體的相變過程，所產生的等離子體在角向磁場 作用下向負載中心聚爆，產生X射線（圖1)。用這類負載進行Z箍縮實驗，X射線轉換效率 和輻射功率較高。但從分幅照相的情況看，所產生的箍縮柱存在較大的不穩(wěn)定性。這是由 于在箍縮過程中，等離子體向軸心聚集過程所受到的磁流體力學不穩(wěn)定性的影響，使得等 離子體殼層結構發(fā)生變形甚至遭到破壞的結果。
[0003] 近幾年，美國圣地亞實驗室提出了一種被稱作磁化套筒靶慣性約束核聚變 (MagLIF)的新技術，這種技術旨在26MA驅動電流下實現(xiàn)高增益點火，相關文獻表明，制約 這種技術發(fā)展的最重要因素之一是套筒靶面的不穩(wěn)定性發(fā)展。
[0004] 近年來，從事Z箍縮研究的科研人員利用單絲、雙層等負載結構研究箍縮過程中 不穩(wěn)定性發(fā)展的物理過程，以克服其帶來的不利影響，但相關研究成果很難應用于分析 MagLIF套筒靶在致穩(wěn)磁場作用下不穩(wěn)定性的發(fā)展狀況。
【發(fā)明內容】
[0005] 電接觸本發(fā)明提供一種外爆型平面薄膜負載的設計方案，可以用于研究MA量級 (強光I號）Z箍縮實驗中，負載受力方向與不穩(wěn)定性發(fā)展方向相同時，負載的不穩(wěn)定性發(fā)展 過程。
[0006] 本發(fā)明的技術解決方案如下：
[0007] -種外爆型平面薄膜負載裝置，其特殊之處在于：包括平面金屬薄膜、支撐結構及 薄膜調節(jié)結構，
[0008] 所述支撐結構包括陰極底座、陽極底座、陰極平臺及導流柱，所述導流柱的一端通 過陰極底座與加速器陰極電接觸，所述導流柱的另一端與陰極平臺電接觸，所述陽極底座 位于陰極平臺和陰極底座之間且與加速器陽極電接觸，所述陽極底座和陰極平臺相互平行 且與導流柱垂直；
[0009] 所述薄膜調節(jié)結構包括設置于陰極平臺外側的兩個活動陰極、設置于陽極底座外 側的兩個限位塊、兩個導軌及兩個固定塊，
[0010] 所述兩個活動陰極可沿陰極平臺向相反方向滑動并定位，所述兩個固定塊位于導 流柱兩外側且與陽極底座固定連接，所述兩個導軌分別固定在兩個固定塊上且與陰極平臺 滑動方向平行，所述兩個限位塊分別設置在兩條導軌的兩端并可沿兩條導軌滑動并定位， [0011] 所述平面金屬薄膜的一端與一個限位塊電接觸，另一端經過兩個活動陰極的外表 面后與另一限位塊電接觸，形成一個倒U型結構，所述倒U型結構的兩臂所在的兩個平面均 為負載平面，所述負載平面與導流柱的相對面之間平行。
[0012] 上述導流柱與陰極平臺之間通過彈性結構電接觸。
[0013] 上述彈性結構包括支撐柱、導向孔、螺紋孔、通孔及螺釘，
[0014] 所述支撐柱為金屬圓筒且一端與陰極平臺固定連接，所述導向孔沿導流柱軸向設 置，所述支撐柱的另一端放入導向孔內，所述螺紋孔與導向孔同軸設置且位于導向孔的底 部，所述通孔設置在金屬圓筒的底部，所述螺釘依次穿過通孔、螺紋孔將支撐柱與導流柱連 接，所述彈簧套在螺釘上且位于支撐柱與螺紋孔之間，在彈簧處于自然狀態(tài)時，所述導流柱 與陰極平臺之間有間隙。
[0015] 上述彈性結構的數(shù)量為兩個，且并行設置。
[0016] 上述限位塊上設置有用于壓緊平面金屬薄膜的壓片。
[0017] 上述導流柱的正對負載平面的面為矩形，其余面為弧形。
[0018] 上述陽極底座的形狀為圓盤狀，所述陰極底座的形狀為圓盤狀或錐盤狀。
[0019] 上述活動陰極的形狀為L型，兩個活動陰極沿陰極平臺對角設置。
[0020] 上述平面金屬薄膜為鋁膜或鎢膜，其寬度為范圍為0. 2-1. 5cm，長度為8-lOcm，厚 度小于50 μ m。
[0021] 本發(fā)明與現(xiàn)有技術相比，優(yōu)點是：
[0022] 1、本發(fā)明外爆型平面薄膜負載作為Z箍縮不穩(wěn)定性研究實驗中的一個關鍵部件， 在于它可以研究負載平面受力與不穩(wěn)定性發(fā)展方向相同時，不穩(wěn)定性的發(fā)展情況。相關研 究結果可以應用于分析MagLIF套筒靶在致穩(wěn)磁場作用下不穩(wěn)定性發(fā)展情況。
[0023] 2、本發(fā)明安裝簡便、工作穩(wěn)定且能夠實現(xiàn)負載平面與導流柱側面距離和平行度的 調節(jié)?？梢岳迷撠撦d裝置在"強光一號"加速器上進行Z箍縮不穩(wěn)定性研究實驗，觀測負 載受力方向與不穩(wěn)定性發(fā)展相同時，負載表面的不穩(wěn)定性發(fā)展情況。
[0024] 3、本發(fā)明在高真空下（l(T2Pa)，受壓力差影響，加速器陰極向真空腔室內探出，使 陰陽極之間距離增大，本外爆型平面薄膜負載利用可伸縮導流柱解決了這一問題。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0025] 圖1強光I號結構及Z箍縮實驗示意圖；
[0026] 圖2陰極底座及導流柱剖面圖；
[0027] 圖3陰極平臺及活動陰極示意圖；
[0028] 圖4負載陽極薄膜固定裝置示意圖；
[0029] 圖5外爆型負載裝配效果圖及電流流向示意圖；
[0030] 附圖標記為：1_直線變壓器驅動源、2-中央儲能單元、3-脈沖壓縮線、4-脈沖形成 線、5-負載、6-真空腔室、51-陰極底座、52-陽極底座、53-固定塊、55-導流柱、56-活動陰 極、57-平面金屬薄膜、58-陰極平臺、59-壓片、60-限位塊、61-導軌、63-支撐柱、64-彈簧、 65-螺釘、66-陰極平臺導軌。
【具體實施方式】
[0031] 以下結合附圖對本發(fā)明做詳細說明。
[0032] 圖1所示為強光I號結構及Z箍縮實驗示意圖，包括依次連接的直線變壓器驅動 源（LTD)、中央儲能單元2、脈沖壓縮線3、脈沖形成線4及負載5,其中負載5可使用本發(fā)明 所提供的平面薄膜負載結構，本發(fā)明與同傳統(tǒng)的Z箍縮實驗技術類似，薄膜電爆炸實驗需 要在真空環(huán)境中進行，以免放電瞬間空氣擊穿影響爆炸品質，同時削弱空氣對不穩(wěn)定性發(fā) 展的影響。整個負載裝置包括平面金屬薄膜57、支撐結構及薄膜調節(jié)裝置。
[0033] 其中，支撐結構包括陰極底座51、陽極底座52、陰極平臺58及導流柱55,導流柱 55的一端通過陰極底座51與加速器陰極電接觸，陰極底座51直接與加速器陰極連接，導流 柱腳被底座扣在加速器陰極上，當?shù)鬃磾Q緊時，導流柱可以輕微調節(jié)位置和方向，滿足診 斷現(xiàn)場需求。導流柱的另一端與陰極平臺電接觸，陽極底座位于陰極平臺和陰極底座之間 且與加速器陽極電接觸，陽極底座和陰極平臺相互平行且與導流柱垂直。
[0034] 薄膜調節(jié)裝置包括設置于陰極平臺外側的兩個活動陰極56、設置于陽極底座外側 的兩個限位塊60、兩個導軌61、兩個固定塊53,兩個活動陰極沿陰極平臺向相反方向滑動， 兩個固定塊53位于導流柱兩側且與陽極底座52固定連接，兩個導軌61分別對應經過兩個 固定塊53且與陰極平臺上設置的滑軌平行，兩個限位塊分別設置在兩條導軌的兩端并可 沿兩條導軌滑動移動至合適位置后用緊固螺栓鎖死。
[0035] 平面金屬薄膜57的一端與一個限位塊60歐姆接觸，另一端經過兩個活動陰極56 的外表面后與另一限位塊60電接觸，形成一個倒U型結構，倒U型結構的兩臂所在的兩個 平面均為負載平面，所述負載平面與導流柱55正對，且導流柱55正對負載平面的面與負載 平面平行，兩個活動陰極與薄膜接觸的始邊和終邊分別平行于導流柱正對負載平面的面。
[0036] 本發(fā)明中的活動陰極56與限位塊60配合使負載平面的位置和傾斜角度可調。活 動陰極與陰極平臺的結構如圖3所示。首先應保證活動陰極外邊緣的加工精度：該邊緣需 嚴格平行于導流柱平面柱。
[0037] 另外，本發(fā)明的活動陰極上打有腰形孔，活動陰極可以在腰形孔的長度范圍內沿 陰極平臺的軌道運動，當陰極外邊緣與導流柱表面的距離達到預定長度時，擰緊腰形孔處 的緊固螺栓完成該活動陰極的調節(jié)；然后調節(jié)與該活動陰極同側的限位塊位置，使負載平 面與導流柱相對面互相平行，固定限位塊兩端的緊固螺栓。重復上述調節(jié)過程即可完成另 一側負載平面與導流柱平面平行度和距離的調節(jié)。
[0038] 為了避免抽真空過程中陰陽極之間的距離變長，保護平面金屬薄膜不被拉斷。本 發(fā)明中的導流柱有兩個作用，首先，它可以將電流基本無損的導入活動陰極，第二，它支撐 陰極平臺，使活動陰極和陽極底座之間的距離相對固定，同時具備一定的"可伸縮性"，為 此，本發(fā)明中的陰極平臺與導流柱的連接關系如下：
[0039] 從導流柱55上方向下開有兩個導向孔，導向孔恰好能夠容納陰極平臺支撐柱63， 支撐柱上端要高出導向孔lcm左右，為抽真空時電極間距離變化保留收縮空間。支撐柱與 陰極平臺通過螺釘65連接，兩個導向孔可以保證陰極平臺穩(wěn)定，不產生水平方向的旋轉。 支撐柱為不銹鋼制圓筒，底端留有通孔，使用固定螺釘穿過通孔，固定于導向孔底部的螺孔 內。支撐柱與螺栓之間可以自由活動，螺釘上套有彈簧64,彈簧64下端頂住導向孔底部，上 端頂住支撐柱底部，防止在安裝負載時支撐柱頂端預留的收縮空間進入導向孔。螺栓帽的 直徑大于支撐柱底端通孔的直徑，確保支撐柱不被彈簧頂飛。
[0040] 進一步的，本發(fā)明的限位塊側面中央安裝有一片壓片59,平面金屬薄膜一端穿過 其中一個限位塊與壓片之間的縫隙，壓緊壓片即可實現(xiàn)薄膜與限位塊的可靠電接觸。將薄 膜拉直，繞過兩片活動陰極，使平面金屬薄膜的另一端傳過另一個限位塊與壓片之間的縫 隙，輕輕拉緊薄膜使兩個負載平面平直，鎖緊第二片限位塊壓片即可完成平面金屬薄膜的 安裝。
[0041] 進一步的，本發(fā)明的導流柱外形為一長方體，長邊的四個棱進行倒角處理以減少 放電過程中的尖端放電。
[0042] 更進一步的，本發(fā)明導流柱的正對負載平面的面為矩形，其余面為弧面。本發(fā)明的 陽極底座的形狀為圓盤狀，陰極底座的形狀為圓盤狀或錐盤狀。
[0043] 另外，本發(fā)明的陰極平臺是一片圓角矩形不銹鋼片，它的正面有兩個分別平行于 矩形長邊的凸棱作為活動陰極的陰極平臺導軌66,活動陰極有兩片，為L形不銹鋼片，活動 陰極的背面有與陰極平臺凸棱配合的凹槽，使活動陰極在陰極平臺上只能沿陰極平臺導軌 方向活動，活動陰極調整到位后，使用固定螺栓卡死。
[0044] 平面金屬薄膜為鋁、鎢等金屬材料制成的帶狀長條，其寬度為范圍為0. 2-1. 5cm， 長度一般為8-10cm，厚度一般小于50 μ m，有20 μ m、30 μ m和50 μ m等規(guī)格。
[0045] 本發(fā)明的原理：
[0046] 平面金屬薄膜一端被限位塊固定于陽極底座上，另一端繞過兩片活動陰極，被另 一個限位塊固定于陽極底座上，這樣平面金屬薄膜呈倒U形扣于陽極底座上，U形的底邊覆 蓋兩片活動陰極，與其直接接觸，U形的兩臂分別在兩個活動陰極與陽極底座之間形成電流 通路。將平面金屬薄膜U形兩臂所在的兩個平面都稱為負載平面，通過調整薄膜調整結構 使兩個負載平面均平行于導流柱所在的平面。加速器放電時，兩個負載平面中的電流方向 相同，與導流柱中電流方向相反（圖5)，根據(jù)法拉第電磁感應定律，負載平面處的薄膜將受 到導流柱中電流的"排斥"，受到另一個負載平面上電流的"吸引"。電流間相互作用力的大 小與電流大小和距離有關，電流越大，距離越小，受力越大，所以負載平面受到導流柱的斥 力要大于另一個負載平面的引力，兩個負載平面會向外爆炸?？梢酝ㄟ^調節(jié)負載平面與導 流柱的距離控制負載受力大小，觀測平面金屬薄膜在受力大小不同時，不穩(wěn)定性發(fā)展的區(qū) 別。
【權利要求】
1. 一種外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：包括平面金屬薄膜、支撐結構及薄膜 調節(jié)結構， 所述支撐結構包括陰極底座、陽極底座、陰極平臺及導流柱，所述導流柱的一端通過陰 極底座與加速器陰極電接觸，所述導流柱的另一端與陰極平臺電接觸，所述陽極底座位于 陰極平臺和陰極底座之間且與加速器陽極電接觸，所述陽極底座和陰極平臺相互平行且與 導流柱垂直； 所述薄膜調節(jié)結構包括設置于陰極平臺外側的兩個活動陰極、設置于陽極底座外側的 兩個限位塊、兩個導軌及兩個固定塊， 所述兩個活動陰極可沿陰極平臺向相反方向滑動并定位，所述兩個固定塊位于導流柱 兩外側且與陽極底座固定連接，所述兩個導軌分別固定在兩個固定塊上且與陰極平臺滑動 方向平行，所述兩個限位塊分別設置在兩條導軌的兩端并可沿兩條導軌滑動并定位； 所述平面金屬薄膜的一端與一個限位塊電接觸，另一端經過兩個活動陰極的外表面后 與另一限位塊電接觸，形成一個倒U型結構，所述倒U型結構的兩臂所在的兩個平面均為負 載平面，所述負載平面與導流柱的相對面之間平行。
2. 根據(jù)權利要求1所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述導流柱與陰極 平臺之間通過彈性結構電接觸。
3. 根據(jù)權利要求2所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述彈性結構包括 支撐柱、導向孔、螺紋孔、通孔及螺釘， 所述支撐柱為金屬圓筒且一端與陰極平臺固定連接，所述導向孔沿導流柱軸向設置， 所述支撐柱的另一端放入導向孔內，所述螺紋孔與導向孔同軸設置且位于導向孔的底部， 所述通孔設置在金屬圓筒的底部，所述螺釘依次穿過通孔、螺紋孔將支撐柱與導流柱連接， 所述彈簧套在螺釘上且位于支撐柱與螺紋孔之間，在彈簧處于自然狀態(tài)時，所述導流柱與 陰極平臺之間有間隙。
4. 根據(jù)權利要求3所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述彈性結構的數(shù) 量為兩個，且并行設置。
5. 根據(jù)權利要求1或2或3或4所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述 限位塊上設置有用于壓緊平面金屬薄膜的壓片。
6. 根據(jù)權利要求5所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述導流柱的正對 負載平面的面為矩形，其余面為弧形。
7. 根據(jù)權利要求6所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述陽極底座的形 狀為圓盤狀，所述陰極底座的形狀為圓盤狀或錐盤狀。
8. 根據(jù)權利要求7所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述活動陰極的形 狀為L型，兩個活動陰極沿陰極平臺對角設置。
9. 根據(jù)權利要求8所述的外爆型平面薄膜負載裝置，其特征在于：所述平面金屬薄膜 為鋁膜或鎢膜，其寬度為范圍為〇· 2-1. 5cm，長度為8-lOcm，厚度小于50 μ m。
【文檔編號】H05H1/02GK104219862SQ201410461018
【公開日】2014年12月17日 申請日期:2014年9月11日 優(yōu)先權日:2014年9月11日
【發(fā)明者】袁媛, 盛亮, 李陽, 張美 , 彭博棟, 趙吉禎, 李奎念, 王培偉 申請人:西北核技術研究所