Pulsed power technology, whereas the electrical energy stored in a relative long period is released in much shorter timescale, is an efficient method to create high energy density physics (HEDP) conditions in laboratory. Around the beginning of this century, China Academy of Engineering Physics (CAEP) began to build some experimental facilities for HEDP investigations, among which the Primary Test Stand (PTS), a multi-module pulsed power facility with a nominal current of 10 MA and a current rising time ~90 ns, is an important achievement on the roadmap of the electro-magnetically driven inertial confinement fusion (ICF) researches. PTS is the first pulsed power facility beyond 10 TW in China. Therefore, all the technologies have to be demonstrated, and all the engineering issues have to be overcome. In this article, the research outline, key technologies and the preliminary HEDP experiments are reviewed. Prospects on HEDP research on PTS and pulsed power development for the next step are also discussed.

分析了“聚龙一号”装置同步控制时序及Marx发生器、主开关、自击穿水开关工作状态对装置同步性的影响, Marx发生器的同步性影响装置的能量传输效率, 主开关和自击穿水开关的同步性共同决定装置的同步性。实现装置精确同步的关键, 即每台激光器经过左右分光后同时触发2个主开关导通, 12台激光器可以独立调整精确的出光时间, 用下方的主开关比上方的提前20 ns导通的方式来修正传输线长度上的差异, 将自击穿水开关的电极间隙设置为合适的距离来控制其导通时间。实验结果表明, Marx发生器同步性抖动为11 ns, 主开关和自击穿水开关上下分组的平均同步性抖动分别为4 ns和10 ns, “聚龙一号”装置的同步性抖动为6 ns。在同一负载参数下, 磁绝缘传输线和负载电流具有较好的重复性。

成功研制了用于“聚龙一号”装置上Z箍缩实验中等离子体图像诊断的三通道不同光子能段的X射线积分成像系统。该系统主要由针孔阵列调节组件、X射线真空飞行管道、X射线分光器件及成像板组成，各通道的光谱响应分别为277 eV，小于700 eV和大于800 eV，其对应的成像针孔直径为100，100和50 μm，成像放大倍率2倍，成像空间分辨率均优于0.2 mm。在“聚龙一号”装置上完成了该成像系统的性能考核，获取了不同光子能段的等离子体时间积分图像。结果表明，该成像系统满足“聚龙一号”装置上Z箍缩实验的诊断需求，在提升了单台相机光谱响应范围的同时提高了低能段图像的空间分辨率。

为了对即将建成的PTS装置的实验能力进行分析, 对装置的工作模式及波形调节能力进行了分析。装置具有三种工作模式：短脉冲模式、长脉冲模式和波形调节模式。在不同的工作模式下, 装置可以进行不同负载的实验研究。在基本工作模式下, 在15 nH负载上输出前沿90 ns、幅值8~10 MA脉冲电流。通过电路模拟, 对装置在三种工作模式下预计的负载电流输出进行了分析, 短脉冲模式下装置负载电流的上升时间约90 ns, 长脉冲模式时约200 ns, 波形调节模式时可以达到400 ns。模拟结果表明, 通过调节激光触发气体开关的触发方式和脉冲输出开关及装置其他参数, PTS装置可以输出脉冲前沿100~400 ns、波形形状在一定范围可调的强电流脉冲。

出于开关性能参数和结构要求考虑，PTS装置脉冲输出开关设计为3对自击穿电极间隙的水介质开关，间隙结构采用板-球间隙的同轴-三平板结构。选择水介质自击穿开关作为研究对象,进行了1.5 MV同轴结构开关研究，并在此基础上开展了4 MV同轴-三平板结构开关研究。开关实验达到的技术指标为：自击穿电压3.5 MV，导通电流500 kA，电感65 nH，自击穿时间分散性极差4.0 ns(1.3 ns均方根值)。

正在研制的Z箍缩实验装置(Z-pinch Primary Test Stand,PTS装置),由24个基于Marx发生器和水线的性能、结构相同的模块组成,各模块产生的大电流脉冲在绝缘堆上汇集后经磁绝缘传输线汇流到负载区,要求在不到0.2 Ω的低阻抗负载上得到8 MA以上电流,电流上升时间小于90 ns。研制的样机模块由Marx发生器、中间储能器、激光触发开关、脉冲形成线、水介质自击穿脉冲形成开关、三板型脉冲传输线组成,样机模块输出电流450 kA、输出电压2.2 MV、输出脉冲功率0.95 TW,从触发激光器信号输出到负载电压上升的系统延迟时间抖动小于6 ns。

中物院的初级实验平台(PTS)低抖动Marx发生器由60个标称电压为100 kV、电容量为1 μF电容器和30个低抖动环轨式场畸变开关构成,采用以S型线路为基础的超前触发型电路。近千次实验结果表明:在工作欠压比71%、触发电压200 kV的条件下,Marx发生器的建立时间175 ns,抖动极差小于±10.0 ns,均方根抖动小于7.0 ns。Marx发生器的串联电感13.5 μH,串联电阻3.2 Ω,在电容器充电80 kV时,实验测得输出电压4.3 MV,Marx发生器电压建立时间175 ns,与电路模拟结果(输出电压为4.6 MV,电压建立时间160 ns)吻合良好。