光子多普勒测速系统(PDV)常采用全光纤模式, 操作方便, 已成为材料超高压动态实验获取动力学特性的重要诊断技术。测速范围和精度与光电传感器和数据采集仪器有关, 激光到达靶面后返回光电转换器, 速度由多普勒引起的频率变化直接解读。聚龙一号装置是开展材料动态实验的重要平台, 放电电流峰值5~8 MA, 0~100%上升时间300~750 ns。在装置放电过程中, 靶室和大厅中的强电磁干扰可以达到10~300 MHz, 当干扰耦合进返回光信号后, 导致速度剖面解读困难。采用聚四氟乙烯绝缘膜和导电铝膜包覆测速探针很好地抑制了强电磁干扰信号对光信号的干扰, 大大提高了速度测量数据的有效性。

利用FCM-PTS程序与负载动力学程序耦合模拟研究了聚龙一号装置中主开关导通时刻对Z箍缩实验中负载电流峰值和上升时间的影响。结果表明, 虽然聚龙一号装置上下支路三平板传输线的单向传输时间相差20 ns, 但是当上下支路主开关导通时刻的时间差为22 ns时, 负载电流的峰值最大, 上升时间最短。将上下支路主开关导通时刻的时间差设置为20 ns和22 ns时, 主开关导通时刻10 ns的抖动导致负载电流峰值损失最大值分别为163 kA和136 kA, 上升时间最多分别延长2.4 ns和2.9 ns。

聚龙一号装置由24路模块并联组成, 通过调整24路模块中激光触发气体开关的导通时序可实现负载电流波形的精确调节, 以满足磁驱动加载实验所要求的负载电流波形灵活调节的需求。针对聚龙一号装置开展的磁驱动加载实验, 建立了能够描述能量从Marx发生器开始至负载整个传输过程的全电路模型, 开发了相应的电路计算程序, 并基于实验结果对计算程序进行了校验, 电路模拟结果与实验结果符合较好。电路模拟程序的计算效率比采用Pspice软件进行全电路计算的效率显著提高, 其不仅可应用于在给定激光触发气体开关导通时序的情况下对聚龙一号装置的输出特性进行预测和评估, 同时也为负载电流波形调节的方案设计提供了一种有效工具。

为获取聚龙一号实验装置负载放电产生硬X射线的能谱分布, 设计了一套7通道硬X射线能谱仪。介绍了这套多通道硬X射线能谱仪的测谱原理、主要参数及根据测量结果回推光源辐射能谱的解谱算法。在聚龙一号装置丝阵负载物理实验中对测量系统进行考核, 获得了信噪比较高的测量波形。利用最大熵方法进行解谱, 获得了丝阵负载产生的硬X射线能谱分布, 辐射能段主要集中在200~500 keV附近, 且1 MeV以上光子份额较低。

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程, 基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析, 建立了一个简化的集总电路模型, 获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集**量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压, 进一步拟合为正弦平方函数, 峰值为3.3 MV(当前驱动器充压为65 kV), 零到峰值的时间长度为102.5 ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟, 得到了与实验结果符合的负载电流波形, 尤其电流波形的前沿和峰值符合较好, 分析了电磁能转化为负载动能的过程。

以聚龙一号装置为驱动源,分别结合理论计算和电路模拟,开展了磁驱动平面加载实验设计和样品加载路径控制,实现了高电导率无氧铜(OFHC)材料的准等熵压缩。实验中采用现有的波剖面测量实验技术成功测量了两个不同厚度OFHC样品/LiF窗口材料的界面速度历史,再结合Lagrange分析和反积分计算,成功获取了铜直到100 GPa的准等熵压缩参考线,与国外公布的SESAME数据线符合较好。

在聚龙一号装置(PTS装置)上开展了系列波形调节实验,成功在负载上输出脉冲上升时间达到600 ns、峰值电流大于5.0 MA的电流。聚龙一号装置在同步放电情况(短脉冲模式)下,负载电流的上升时间约90 ns, 峰值电流约10.0 MA。波形调节通过装置24台激光触发气体开关分时放电、脉冲输出开关短接等技术调整,实现负载上长上升时间的脉冲电流输出。波形调节根据需要实现的电流波形形状,通过全电路模拟计算,调整激光触发气体开关的触发时序和脉冲输出开关状态,在相应负载上输出接近需求的实验波形。聚龙一号装置波形调节实验研究表明,输出电流脉冲的前沿的最大值取决于24台激光触发气体开关最早触发时刻和最晚触发时刻的时间差,该时间差受制于激光触发气体开关的正常触发。激光触发气体开关能否被正常触发,除了取决于进入开关触发间隙的触发激光能量外,还取决于开关充气压力和加载于开关两端的电位差,该电位差与相关两路的渡越时间相关。通过波形调节研究,聚龙一号装置具备在不同实验负载上输出不同上升时间、不同波形形状的脉冲电流的能力。

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。