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基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟

赵海龙 董烨 周海京 王刚华 王强

赵海龙, 董烨, 周海京, 等. 基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
引用本文: 赵海龙, 董烨, 周海京, 等. 基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
Zhao Hailong, Dong Ye, Zhou Haijing, et al. 3D particle-in-cell simulations of current convolute structure on pulsed power facility using NEPTUNE3D[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
Citation: Zhao Hailong, Dong Ye, Zhou Haijing, et al. 3D particle-in-cell simulations of current convolute structure on pulsed power facility using NEPTUNE3D[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066

基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟

doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
基金项目: 国家自然科学基金项目(11205145,11605189)
详细信息
    作者简介:

    赵海龙(1985—),男,博士研究生,主要从事脉冲功率技术及其应用研究;ifp.zhaohailong@qq.com

  • 中图分类号: O536

3D particle-in-cell simulations of current convolute structure on pulsed power facility using NEPTUNE3D

  • 摘要: 大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响,在高性能计算集群的帮助下,使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究,模拟区域(34 cm×34 cm×18 cm)包括双层柱-孔盘旋(DPHC)结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹,电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射,在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处;对电子能量沉积的统计结果表明,受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面,来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果,最大电流损失率(437 kA,27%)发生在电流传输的早期时刻(~15 ns),而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%,此时磁绝缘已完全生效,表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。
  • 图  1  脉冲功率装置汇流区结构示意图

    Figure  1.  Schematic of current converging region on pulsed power facility

    图  2  NEPTUNE3D软件建模区域示意图

    Figure  2.  Schematic of simulated structure in NEPTUNE3D code

    图  3  由PSPICE全电路模拟获得的真空绝缘堆B层电压曲线

    Figure  3.  Driving voltage curves from vacuum insulator stack B based on full-circuit PSPICE simulations

    图  4  DPHC结构中磁场强度分布示意图(二维切面)

    Figure  4.  2D slice view of magnetic field distribution in DPHC structure

    图  5  脉冲功率装置汇流区电子发射与输运过程示意图

    Figure  5.  Demonstration of electron emission and transportation process in DPHC structure

    图  6  NEPTUNE计算得到的阳极柱表面电子能量沉积(45˚角方向)

    Figure  6.  Electron deposition on one of twelve anode posts under 45˚ view calculated by NEPTUNE

    图  7  大型脉冲功率装置DPHC结构下阳极柱损伤情况

    Figure  7.  Demonstration of experimental pictures of lower anode posts

    图  8  NEPTUNE3D计算得到的输出端磁场强度对比(是否包含电子发射)

    Figure  8.  Comparison of output magnetic fields between PIC simulations with or without electron emission

    图  9  NEPTUNE3D计算得到的输出电流与损失电流随时间演化曲线

    Figure  9.  Schematics of output driving current and loss calculated by NEPTUNE3D with electron emission

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-03-14
  • 修回日期:  2020-05-20
  • 网络出版日期:  2020-06-12
  • 刊出日期:  2020-06-24

基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟

doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11205145,11605189)
    作者简介:

    赵海龙(1985—),男,博士研究生,主要从事脉冲功率技术及其应用研究;ifp.zhaohailong@qq.com

  • 中图分类号: O536

摘要: 大型脉冲功率装置真空汇流区的电子输运过程对于电流汇聚有重要的影响,在高性能计算集群的帮助下,使用NEPTUNE3D软件开展三维全电磁PIC模拟进行了研究,模拟区域(34 cm×34 cm×18 cm)包括双层柱-孔盘旋(DPHC)结构和部分内、外磁绝缘传输线等关键位置。计算结果清晰地展示了零磁位区分布和电子输运轨迹,电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射,在洛伦兹力作用下向中心漂移并损失在零磁位区处;对电子能量沉积的统计结果表明,受电子流轰击最严重的位置在DPHC结构下层阳极柱表面,来自大型脉冲功率装置的实验结果证实了上述结论。根据计算结果,最大电流损失率(437 kA,27%)发生在电流传输的早期时刻(~15 ns),而电流峰值时刻损失率则仅有0.48%,此时磁绝缘已完全生效,表明DPHC结构在峰值电流的汇聚与传输上有很高的效率。

English Abstract

赵海龙, 董烨, 周海京, 等. 基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
引用本文: 赵海龙, 董烨, 周海京, 等. 基于NEPTUNE3D开展的脉冲功率装置汇流区三维PIC数值模拟[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
Zhao Hailong, Dong Ye, Zhou Haijing, et al. 3D particle-in-cell simulations of current convolute structure on pulsed power facility using NEPTUNE3D[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
Citation: Zhao Hailong, Dong Ye, Zhou Haijing, et al. 3D particle-in-cell simulations of current convolute structure on pulsed power facility using NEPTUNE3D[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 075005. doi: 10.11884/HPLPB202032.200066
  • 对高能量密度物理实验而言,能量汇聚与损失问题至关重要,特别是能量密度达到GW/cm3的情况下,降低能量损失意味着获取更高的驱动能力和更广泛的研究范围。在大型脉冲功率装置如ZR装置[1-3]和聚龙一号装置(PTS)[4-6]中,双层柱-孔盘旋(DPHC)结构[7-8]承担了电流汇聚的作用,四路来自外磁绝缘传输线(MITL)的径向电流经过DPHC结构汇聚、传输后,转成单路轴向电流并最终加载到负载上去,用以开展Z箍缩和磁驱动飞片等实验。然而,证据表明并非所有电流都完全有效地流经负载,部分经由其他方式[9-10]损失掉了,特别是在DPHC结构处,有大量的实验与数值模拟工作对ZR装置上电流损失机制进行了研究[11-13]。本文使用NEPTUNE3D软件[14-16]开展了脉冲功率装置电流汇聚过程的三维数值模拟研究,模拟区域(34 cm×34 cm×18 cm)包含DPHC结构和部分内、外磁绝缘传输线,驱动源来自真空绝缘堆B层电压,在高性能计算集群的帮助下完成了系列PIC模拟计算及后处理工作。

    • 脉冲功率装置汇流区的主要结构如图1所示,能量由右向左传输。DPHC结构由上下两层组成,每一层连接了两路外磁绝缘传输线的电流,而上下层则由穿过阴极板中间所开圆孔的阳极柱连接起来,上下两层共有12个孔-洞,因此称为双层柱-孔盘旋结构。在装置的设计中,外磁绝缘传输线与DPHC结构之间存在着不同角度的倾角,其主要目的在于尽可能使磁绝缘的效果保持较长时间。然而,由于NEPTUNE3D软件使用结构化网格建模,过多的倾角会给三维模型的建立带来极大的挑战,因此在不影响计算结果准确性的前提下,参照国外QUICKSILVER等相关软件的计算经验[11],对真实结构倾角部分进行了适当的简化,便于添加驱动源,同时提升计算效率,NEPTUNE3D计算中所使用的几何建模如模如图2所示。

      图  1  脉冲功率装置汇流区结构示意图

      Figure 1.  Schematic of current converging region on pulsed power facility

      图  2  NEPTUNE3D软件建模区域示意图

      Figure 2.  Schematic of simulated structure in NEPTUNE3D code

      计算中四个端口(A~D)添加同样的激励信号,使用PSPICE软件开发了大型脉冲功率装置的全电路模拟平台[6],以便获取任意时刻绝缘堆B处的电压曲线。分别使用开路负载和短路负载两种条件下得到的电压曲线作为驱动源,如图3所示。为便于程序输入,对电压幅值进行了归一化处理。

      图  3  由PSPICE全电路模拟获得的真空绝缘堆B层电压曲线

      Figure 3.  Driving voltage curves from vacuum insulator stack B based on full-circuit PSPICE simulations

    • 基于上述参数,开展了一系列关于DPHC结构的电磁PIC模拟计算,并针对磁场分布、电子发射与输运、电子能量沉积以及电流传输和损失等方面开展了深入研究,特别关注DPHC结构特殊性带来的零磁位区的影响。

    • 考虑其较高的幅值和较长的上升时间,使用开路负载电压曲线用作输入条件,探索DPHC结构内磁场强度的分布情况。受特有的对称性和柱-孔结构的影响,DPHC结构内部存在所谓的零磁位区,该处磁场强度远低于周围正常区域,几乎为零。

      计算得到峰值时刻附近(~75 ns)的磁场分布情况如图4所示,分别展示了0°和15°的二维切面分布图,其中0°代表从单根阳极柱中间切面,而15°代表从相邻的两根阳极柱之间切面。从图中可以看出在柱-孔结构处、中心阴极筒与底层阳极柱之间分别存在着线型和环形的零磁位区,该部分在图中使用蓝色区域中的白色部分进行标识。

      图  4  DPHC结构中磁场强度分布示意图(二维切面)

      Figure 4.  2D slice view of magnetic field distribution in DPHC structure

      零磁位区的计算结果对于理解整个DPHC结构的功能有着重要意义。在这些区域,电子失去了磁场的约束,非常容易损失,导致传输到负载上的电流下降;此外,持续的空间电子流对阳极表面的轰击也容易导致结构损伤,这些将在进一步的计算结果中予以说明。

    • 电子发射条件选择不锈钢表面真空电子发射阈值240 kV/cm,当局部电场大于这个值时,阴极表面开始发射电子。使用开路负载电压曲线作为输入条件,计算得到电子动量的空间分布如图5所示,从(a)到(f)分别对应时刻18.6,23.4,26.1,29.6,39.9和71.5 ns,图中每个宏粒子代表104个电子。

      图  5  脉冲功率装置汇流区电子发射与输运过程示意图

      Figure 5.  Demonstration of electron emission and transportation process in DPHC structure

      图5是三维几何结构与电子动量分布的叠加展示,其中几何结构在渲染时进行了透明化,以便更清晰地展示电子空间位置。从图5(a)可以看出,早期阶段(18.6 ns)电子主要由外磁绝缘传输线阴极表面发射,此时磁绝缘尚未建立,因此空间电子流一部分被临近的阳极吸引并损失在阳极表面,另一部分则在洛伦兹力作用下向轴心进行$E \times B$漂移。随着极间电压的升高(23.4 ns),磁绝缘逐渐生效,被相邻阳极所吸引的电子减少,更多电子向内漂移,如图5(b)所示。

      图5(c)更加清晰地展示了26.1 ns时刻电子输运的细节,此时向轴心漂移的电子主要聚集在柱-孔结构中阳极柱的周围,其中一部分电子由于零磁位区影响损失在阳极柱表面;另一部分则再次分成两个方向漂移,较少的电子向下漂移至阴极筒底部的环形零磁位区处,而较多部分则向上漂移至内磁绝缘传输线处。到29.6 ns时,几乎一半的空间电子流聚集在内磁绝缘传输线处,值得注意的是,剩余部分中高能电子明显增多,如图5(d)所示,图中使用红色渲染。

      图5(e)可以看出,39.9 ns时刻几乎90%的空间电子流集中在内磁绝缘传输线处,少量电子留在阴极筒底部的环形零磁位区,此时随着极间电压的升高,外磁绝缘传输线中磁绝缘已完全建立,因此不再提供空间电子流,直到模拟结束。到71.5 ns时,几乎所有的电子都集中在内磁绝缘传输线处,如图5(f)所示。

      空间电子的输运与损失机制非常复杂,且对DPHC结构承担的电流传输功能有负面影响,所携带的电流对于驱动负载没有直接贡献,并且在输运过程中对于阳极柱表面的持续冲刷会造成结构损伤,这些需要重点给予关注。

    • 通过后处理软件,可对所有位置电子能量的沉积进行统计分析,结果表明阳极柱表面最为严重。图6展示其中一根阳极柱表面电子能量沉积的统计结果,从中可以看出大量的电子损失在下层阳极柱的表面,特别集中于沿径向朝内和朝外两个方向上(图6(a)(b)所示),而对应上层阳极柱的能量沉积则明显较弱。

      图  6  NEPTUNE计算得到的阳极柱表面电子能量沉积(45˚角方向)

      Figure 6.  Electron deposition on one of twelve anode posts under 45˚ view calculated by NEPTUNE

      根据计算结果,能量沉积的最大面密度约150 kJ/m2,由外磁绝缘传输线阴极表面发射的电子漂移至DPHC处零磁位区轰击阳极柱表面产生。根据所制作的全过程能量沉积动画可知,阳极柱表面电子能量沉积主要发生在计算早期阶段,此时磁绝缘尚未完全生效,与前文电子输运过程的分析相吻合。

      持续不断的电子流冲刷,容易导致阳极柱表面发生结构损伤,形成图7(a)所示的“V”型槽,特别是经历多发次实验后,损伤会更加严重,如图7(b)所示,从而必须停机更换。图7为中国工程物理研究院流体物理研究所大型脉冲功率装置实验结果,这不仅验证了数值模拟的正确性,而且说明DPHC结构功能会被阳极柱表面损伤所直接影响,此外被电子流冲刷走的金属材料对于DPHC结构其他位置处的绝缘性提出更高的挑战,应给予额外关注。

      图  7  大型脉冲功率装置DPHC结构下阳极柱损伤情况

      Figure 7.  Demonstration of experimental pictures of lower anode posts

    • 使用短路负载下绝缘堆B处电压曲线作为输入源,开展DPHC结构对于电流传输和损失过程的分析。有很多因素会导致DPHC结构中电流的损失,然而受限于计算条件,本文仅选择阴极表面电子发射作为考虑。分别关闭和打开电子发射,计算得到输出端磁场强度随时间演化曲线如图8所示。

      图  8  NEPTUNE3D计算得到的输出端磁场强度对比(是否包含电子发射)

      Figure 8.  Comparison of output magnetic fields between PIC simulations with or without electron emission

      根据计算结果,DPHC结构中电流传输过程大致可分为三个阶段:无电子发射阶段,电子爆炸式发射阶段和磁绝缘完全生效阶段。从计算开始到3 ns左右,由于局部电场强度未达到阈值,计算区域没有电子发射;随后(3~35 ns)电压快速升高,极间电场快速增强导致阴极表面爆炸式的电子发射,大量空间电子流导致电流损失严重;后期(35 ns~)随着磁绝缘逐渐建立并完全生效,电流损失快速下降直到模拟过程结束,相关细节也可在图9中获得。

      图  9  NEPTUNE3D计算得到的输出电流与损失电流随时间演化曲线

      Figure 9.  Schematics of output driving current and loss calculated by NEPTUNE3D with electron emission

      提取输出的总电流和电流损失随时间演化的数据如图9所示,从中可以更加清晰地得到三个阶段的区分时刻为2.5 ns和35 ns。最大电流损失率(27%)发生在计算早期阶段(~15 ns),电流损失约437 kA,而电流峰值时刻(53 ns,7.12 MA)电流损失率仅为0.48%,这与文献计算结果[17]吻合,同时也说明DPHC结构在峰值电流传输中有着很高的效率。

    • 本文围绕大型脉冲功率装置中能量汇聚问题,选择汇流区包含DPHC结构在内关键区域进行建模,使用NEPTUNE3D软件开展了系列PIC计算模拟,初步探索了由阴极表面电子发射导致的电流损失机制,给出磁场分布、电子输运、能量沉积以及电流损失等主要计算结果与分析。

      计算结果表明,由DPHC结构特殊性所产生的零磁位区,对电子输运和能量沉积有着直接的影响,大量电子由外磁绝缘传输线向轴心漂移后损失在阳极柱的表面,特别是在磁绝缘未能完全生效之前,对早期阶段电流传输效率造成严重影响,电流传输和损失过程的深入分析也验证了上述观点。根据计算结果,虽然早期阶段电流损失率较大,但峰值时刻电流损失率很小(0.48%),几乎可以忽略,因此若仅考虑电子发射的情况下,DPHC结构良好地履行了峰值电流传输的功能。

      对电子能量沉积统计结果的分析以及与实验结果的对比,在验证数值模拟正确性的同时,也对整个DPHC结构的绝缘性能提出更高要求。由此出发,在不影响功能的前提下,建议在阳极柱外添加一层陶瓷套管,在获得更好绝缘性能的同时,尽可能保护阳极柱的结构。

      由于计算条件和时间精力的限制,本文仅开展了阴极表面电子发射的初步计算研究,仍有很多不足之处,包括计算模型简化、驱动条件和电流损失机制较为单一等,这些不足将在今后工作中逐步完善。下一步计划考虑更为精准的几何建模,并在阳极离子发射与等离子体形成等方面开展深入研究,以期对DPHC结构在电流传输过程中的作用获得更为清晰的认知。

参考文献 (17)

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