電漿聚焦裝置

電漿聚焦裝置是一種利用氘氣和氚氣在在高溫下發生聚變反應從而產生中子的一種裝置。

利用不同電極形狀、不同絕緣氣體的場崎變開關可以很好地提高電漿聚焦裝置的運行性能。

基本介紹

• 中文名：電漿聚焦裝置
• 外文名：dense plasma focus
• 目的：提高中子產額及其穩定性
• 簡稱：DPF
• 原理：D+T→He+n
• 影響因素：中心電極、電壓

工作原理

電漿聚焦裝置的簡單工作原理為：首先啟動能源系統，充電電源給儲能裝置充電至設定電壓；此時外觸發信號啟動觸發裝置，產生前沿很陡的高壓脈衝信號；該信號導通儲能裝置的主放電開關，使儲能電容器與聚焦裝置接通，聚焦裝置開始工作；經過約2μs時間，產生短脈衝、高強度的中子脈衝。電容DPF開關導通以後，電容器對電漿槍放電，此時電容器、外電路和槍形成放電迴路，放電電流大體上應是一衰減的正弦波。事實上，槍內放電開始以後，其內電感不是常數，而是隨著電流殼層向終端推移而逐漸升高，所以電流波形並不是一個理想的正弦波形。

當焦點形成時，由於電感的突然增加，因而放電電流突然下降，如圖1所示的尖峰波形；同時，槍端電壓也產生一個突然的躍變。一般認為，這種電流和電壓在波形上的突變是有焦點形成的表現。

利用一維雪耙模型可以粗略地描繪電流殼層的動力學行為，並算出為使聚焦發生在電流最大值時刻的電容器充電電壓V₀、槍內起始充氣密度ρ₀以及中心電極長度L之間應當滿足的關係。依據雪耙模型，放電氣體被擊穿後形成的電漿殼層在電磁力的作用下，像活塞或“雪耙”一樣的沿軸向運動，將所遇到的中性氣體都電離成為電漿，並堆積在殼層裡面，同殼層一起運動。

在計算中，假設電流殼層是軸對稱的，把這電流殼層分割成許多單位寬度的圓環，並忽略各面元之間的相互作用，那么根據雪耙模型，對於半徑為r₀的圓環，其軸向運動方程為：

式中，I(t)為放電電流；μ₀為真空磁導率。

把實驗中測得的電流曲線圖代入上面的方程進行數值積分，就可以得到對於一定的r₀值，電流殼層在每一時刻t的位置和速度。改變r₀值，就可以得到整個電流殼層在兩極間的運動情況。圖2是計算結果，它給出了電流殼層在不同時刻t的位置。

從圖2中我們可以清楚的看到，在電擊穿後3.4μs，電流殼層被推到中心電極的末端。此時，電流達到了它的峰值，這一點與實驗結果符合得相當好。

工作過程

電漿聚焦(DPF)產生中子的機理是氫的同位素氘（D）、氚（T）在高溫下發生聚變反應：

提高D、T核的溫度是提高反應穩定性和中子產額的根本途徑。根據早先的研究成果，電漿聚焦裝置在放電過程中形成熱點，溫度和密度都遠遠高於放電通道的其他區域，是發生D、T聚變反應的主要區域。但是熱點的參數也存在很大差異，一般以放電通道的電漿線平均密度作為判斷依據，如果線平均密度大於10¹⁷cm^-1，則形成微箍縮區，最終壓縮溫度可達到：

如果線平均密度≤10¹⁷cm^-1，則形成熱區，終態參數為：

估算兩種狀態下反應率的差異，會發現微箍縮區的中子產額將會遠遠大於熱區的中子產額。

電漿聚焦裝置的結構差異、放電和充氣條件的改變以及一些不穩定性因素都會導致箍縮形成的熱點在二種狀態之間轉化，從而導致中子產額漲落，甚至無中子產生。因此，通過採用綜合診斷方法研究電漿產生、加速的機理，我們有可能找到形成微箍縮和提高壓縮度的最佳化條件，從而達到提高中子產額及其穩定性的目的。

影響因素

1、中心電極的影響

一般說來，最小的中心電極(CE)產生最高的中子產額。CE直徑太大有可能不產生中子，因為CE太大的直徑會使徑向箍縮占去DPFτ/4(τ為裝置放電周期)的太多時間，而一般認為放電迴路的1Π4周期時間應與電漿聚焦達到最大收縮的時間相當。

也有人認為太小的CE不能形成電漿焦點的經典尺寸。還存在利用小CE直徑的另一面，電流強度和磁場的大小在CE直徑小時更大，從而使升舉時間減少。然而，實驗表明，假如升舉前電流密度太高，在絕緣體端頭附近區域CE發生明顯氣化，會出現絕緣體被破壞，由鞘所形成的環向對稱性也被破壞，而且沒有聚焦。

當中心電極CE直徑太小時，升舉前的高電流密度使得中心電極的破壞與箍縮時的退化箍縮動力學之間的平衡不能得到保證。運用小電極直徑也有好處，它可在擊穿前在電極附近產生更高的電場，提高鞘的質量，在電極附近還可能產生更強的磁場和更大的電流密度，再通過洛侖茲力使鞘的升舉更快，從而減輕絕緣材料與熱鞘接觸時對鞘的沾染、電子束轟擊、電漿電極氣化、脈衝磁壓以及從箍縮區射來的軸上氣流等的作用，箍縮本身也會引起CE的破壞。

2、高壓運行的影響

當電漿聚焦裝置在相同儲能條件下高壓運行時，它有如下特點：

a.固定儲能時，高壓下獲得的更大電流將導致更多的中子產額或其它產額；

b.固定儲能時，高壓允許高電容阻抗，減弱了電漿焦點負載電抗變化對放電電流的影響；

c.高壓運行增大了傳給鞘形成的能量，產生高質量的鞘，因而得到高質量的焦點；

d.對給定的電容組能量，高壓允許低阻電容和高回響頻率，這給控制電漿的不穩定性提供了機會；

e.對快速高壓組，聚焦發生很快，以致鞘還沒到達外電極的柱牆，這可減少由外電極內表面向電漿釋放雜質，因而使電漿更乾淨，且降低反覆點火的可能性。

放電初始狀態時，對稱電流鞘在絕緣體上形成，但如何確定絕緣體的最佳長度這一問題至今尚未進行系統的研究。內外電極尺寸、布局、絕緣體材料及其結構以及初始壓強等參數之間的關係十分複雜，至今尚未有普遍關係。有研究表明，在對獲得環向對稱電流鞘的套筒長度作出最佳選擇時，任何對此選擇的偏離都將導致在套筒表面上產生幅條形電流。

3、氘氣體充壓對中子產生的影響在D-D反應中，聚焦裝置放電所產生的中子產額與箍縮電流的關係式為：

雖然這個定標關係在每個PF裝置中都適用，但它只在一定的氣壓範圍內適用，即有一個上限氣壓p_M和一個下限氣壓p_m。實際上，超出這個氣壓範圍，即使箍縮電流I的變化不大，中子產額Y也會下降很多。有關氣壓上限的解釋是與在徑向壓縮期間的電流雪鞘(CS)電離中性氣體的能力有關。而下限氣壓的解釋是：在聚焦裝置放電階段，在獲得最佳中子產額的氘氣壓條件下，磁活塞(MP，即電漿2磁場相互作用表面)和電流鞘離子化前端面(IF，即電漿2中性氣體相互作用表面)有相似的表達式τ(t)，在整個壓縮階段電流鞘厚度保持一個常數(0.2cm)；而在低氣壓階段，在徑向壓縮階段電流鞘的厚度較小(約為0.1cm)，而且在最後的35ns時間內，IF以7.5×10⁷cm·s^-1的速度超越MP向前運動，這個IF的突然加速就是導致低工作氣壓狀態下中子產額降低的一個主要因素。這個電流雪鞘實際上是一個被強烈離子化的衝擊波。

有實驗研究表明，在工作電壓足夠高時，隨著氣壓的升高，放電室內將出現幾種不同的擊穿模式：低氣壓時是頂部擊穿，在內電極頂部的內、外電極之間的直接擊穿；在中氣壓時是沿面擊穿、絕緣體表面擊穿；高氣壓時是瀰漫擊穿，在絕緣體上部內、外電極之間的大面積擊穿。沿面擊穿可以在絕緣體表面形成均勻的電流鞘層，它是導致最後良好聚焦的必要條件，而頂部擊穿和瀰漫擊穿均不可能導致聚焦。若氣壓偏高，即使擊穿階段在絕緣體表面形成了均勻的電流鞘層，該鞘層也難以驅動其前方的全部氣體前進，同樣不能聚焦。總的說來，氣壓對中子產額Y的影響具有以下特徵：

a.較大的Y值只在界限分明的充D氣壓(p)範圍內探測到；

b.只改變p值時，有一個p=p_M使Y達到最大值，不同裝置p_M的變動可大於一個數量級；

c.一般情況下，p大於p_M時Y急劇下降，表現出一種截止特徵；

d.p大於等於pM時Y的降低不能由焦點中電流I_f的減小來解釋，事實上，大多數實驗中Y隨p的增大而減小(p大於p_M時)，而I_f隨p而增大。

提高裝置中子產額穩定性的措施

一般說來，影響裝置放電產生中子的因素有下述的一些因素：放電、槍結構、電容器儲能、靶室充氣氣壓、工作電壓和腔內清潔等。目前，我們還不能確切的說通過調整那一個因素能顯著地改進裝置性能，只能通過大量實驗進行摸索，調整裝置參數，以使電漿聚焦裝置中子源工作在最優狀態。經過摸索，電漿聚焦裝置目前的工作條件：儲能電容為40μF；充電電壓為25kV；電容器儲能為12kJ；迴路電感約為30nH；放電電流幅值約為480kA；內電極半徑為5cm；外電極半徑為12cm。當裝置運行在這樣的工作條件下時，中子產額可達到每脈衝～1×10⁹n，中子脈衝波形半寬度為30～40ns，基本上可以滿足使用要求。

1、腔內清潔

通過對電漿聚焦裝置工作原理的研究及相關實驗，電漿聚焦裝置腔內電極表面的清潔程度是影響其穩定可靠工作的關鍵因素之一。有研究表明，雜質對中子產生有明顯的影響。其表現為每一次新的(純D氣體)充氣，第一次放電的中子產額都比較低，而總是在第二第三次放電時才有較高的中子產額，這顯然是因為有了一、二次放電，槍內已經由於出氣摻進了某種雜質的緣故。這些雜質在真空中會放出大量的雜質氣體，而且當電漿聚焦裝置工作時，還會汽化而進入電漿，並隨後重新凝結或吸附在電極和陶瓷表面，極易導致初始放電不均勻，並在電漿中引入大量的雜質離子。

因此，為提高電漿聚焦裝置中子管的穩定性和可靠性，我們從改善初始放電入手，採用了場變形放電單元，增大擊穿前的場強，提高初始放電的可靠性和所形成的電漿層的性能，並利用了先進的特種電真空工藝，對管內零件進行較為徹底的處理。零件經嚴格的化學清洗後進行高低溫真空除氣，以除去零件表面和內部的雜質氣體。安裝後再採用氬弧焊和雷射焊，最後結合玻璃的封接保證了腔體的良好密封性，同時還便於零件更換。處理之後的密封件，在經過放電實驗後出氣量極少，能滿足100次以上不清潔、不更換氣體的要求，在經過了一段相當長的時間考核，中子產額無明顯下降，首次中子產額能滿足實驗要求。DPF中子管排氣工藝流程圖如圖3所示。

2、場崎變開關研究

在聚焦裝置中，開關(如圖4所示)是把電容器的能量有效地傳送給電漿聚焦裝置的關鍵部件。實驗表明，電漿聚焦裝置產生中子的時間抖動主要是開關的導通抖動引起的，在要求低抖動時往往帶來過高的自擊穿率。開關的導通性能與很多因素有關，如開關工作的欠壓比、觸發脈衝的幅度、觸發脈衝的上升時間、開關電極形狀及加工精度、絕緣氣體等。為解決電漿聚焦裝置產生中子時的可靠運行，開展了場崎變開關性能的系統研究，先後使用了四種電極形狀、六種絕緣氣體進行了多次實驗，在使用環形電極、75%SF₆+25%N₂，欠壓比60%～90%工作範圍內以及使用75%SF₆+25%Ar，可以很好地提高聚焦裝置的可靠運行。在每輪實驗中，裝置輸出中子的起伏由過去的約兩個量級降到目前的3倍左右，基本上可以滿足實驗對裝置的使用要求。

大量的實驗及理論可以證明，場崎變元件可以有效地增加裝置放電時電流鞘的質量，改善離子束的精細化結構，有效地消除在高密度電流鞘後面的電流擴散影響，提高中子輸出的穩定性。