基于磁光效应的电磁内爆装置负载电流测量技术研究

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脉冲功率技术是一种以储能元件存储较低功率的电磁场能量,通过瞬间释放到负载获得高功率脉冲的电磁物理技术。电磁内爆就是利用脉冲功率技术产生的超大脉冲电流形成洛伦兹力驱动负载内爆,能够在实验室条件下创造出强辐射、强磁场、高温、高压和高密度等高能量密度物理实验条件。不仅是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一,还是开展核爆效应模拟、材料高压动态特性等高能量密度物理研究及其它基础科学研究的一个重要手段,对武器聚变物理、武器材料动态特性、辐射物理与效应、聚变能源和天体物理等前沿物理研究具有重要意义。流过负载的脉冲电流是电磁内爆装置最重要的技术指标,它不仅是衡量电磁内爆装置脉冲功率系统能量传输效率的重要指标,而且脉冲电流的大小及波形形状直接影响着负载电磁内爆的物理过程和能量转换效率,对电磁内爆起着决定性的作用。但是由于脉冲电流特别大,负载处于强电磁场和等离子体复合区域,目前常用的电流监测方法在近负载区受到强烈的空间电子、等离子体、冲击震动以及强电磁干扰等因素的影响,无法给出直接测量结果。因此,真正流过电磁内爆负载的电流测量一直是一个世界难题,成为该领域研究关注的重点,迄今未获突破。目前,国内外大型电磁内爆装置中,通常通过测量负载附近的内磁绝缘传输线电流作为负载电流的替代数据,导致相关理论分析存在一定误差,难以进行有效评估。因此,开展相关新测试方法的探索非常紧迫和必要,本论文的选题正是根据这一紧迫需要而提出的。为解决这一难题,本论文从瞬态光电传感领域寻找突破点,利用光信号本质绝缘的特征来克服复杂环境的干扰。论文提出基于磁光效应测量流过电磁内爆负载电流的新设计思想,通过对负载区电磁场分布情况进行数值仿真,确定电流测量的真实环境,为满足磁光测量的条件打下基础;论文提出了一种反射式偏振调制型磁光测量方法,研究了脉冲大电流数据处理方法,分析了磁光测量中的关键参数——线性双折射对测量精度的影响,建立了磁光测量系统,并在不同负载电流等级的电磁内爆装置上进行了实验。论文的工作,为解决电磁内爆装置负载电流的直接测量难题提供了新方法,同时,通过测量获取负载电流波形,为电磁内爆实验设计、指标判断和精密物理实验提供了更为准确的实验数据。本论文工作的创新之处包括以下几点。一是提出了直接测量电磁内爆负载电流的设计思想,建立了测量系统,在不同电流等级的装置、不同复合电磁环境下开展了验证实验,证明了测量方法的可靠性;二是提出了一种新型的反射式偏振调制型磁光测量技术,磁光光纤传感探头采用反射式设计,不但可提高测量的灵敏度,而且有效减弱了温度、机械扰动、应力应变等互易性效应对有效信号的影响,同时通过能量分光的方式将信号光分为两路,扩大了电流的测量动态范围;三是提出了不同电流装置逐级验证的实验方法,提高了测量方法和数据处理的可靠性,首次给出了MA级电磁内爆装置流过负载电流的直接测量结果。
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