平面金屬薄膜負載裝置制造方法
【專利摘要】本發明提供一種平面金屬薄膜負載裝置，包括負載、負載陰極及負載陽極，負載為平面金屬薄膜，平面金屬薄膜呈拉直狀態，一端與負載陰極電連接，另一端與負載陽極電連接；負載裝置還包括位于負載陰極和負載陽極之間的回流裝置，回流裝置包括回流柱底座及兩個回流柱，兩個回流柱對稱設置在平面金屬薄膜的兩側且與平面金屬薄膜之間的距離可調，回流柱的一端與負載陽極電接觸，回流柱的另一端與回流柱底座電連接，回流柱底座與負載陰極電連接。本發明可以研究負載平面兩側存在受力時，不穩定性的發展情況。相關研究結果可以應用于分析MagLIF套筒靶在致穩磁場作用下不穩定性發展情況。
【專利說明】平面金屬薄膜負載裝置
【技術領域】
[0001]本發明涉及脈沖功率加速器的負載裝置或負載實驗裝置，具體涉及一種用于研究Z箍縮過程不穩定性發展的負載設計。
【背景技術】
[0002]Z箍縮(Z-Pinch)是指由Z方向上的脈沖電流產生的角向磁場對等離子體進行徑向壓縮。作為一種高效的X射線源，Z箍縮在慣性約束核聚變、高能量密度物理和實驗室天體物理等方面得到廣泛應用。傳統的Z箍縮實驗中，一般使用金屬絲陣負載進行實驗。如目前在“強光一號”加速器上進行的Z箍縮實驗，就是采用平面和柱形絲陣負載。強光I號加速器中央存儲單元中的電流經脈沖壓縮單元、脈沖形成線之后，形成一個峰值大于1MA，半寬為10ns量級的電流脈沖，施加于安裝在真空腔室中的負載上，金屬絲負載在大電流作用下，迅速經歷從固態到等離子體的相變過程，所產生的等離子體在角向磁場作用下向負載中心聚爆，產生X射線(圖1)。用這類負載進行Z箍縮實驗，X射線轉換效率和輻射功率較高。但從分幅照相的情況看，所產生的箍縮柱存在較大的不穩定性。這是由于在箍縮過程中，等離子體向軸心聚集過程所受到的磁流體力學不穩定性的影響，使得等離子體殼層結構發生變形甚至遭到破壞的結果。
[0003]近幾年，美國圣地亞實驗室提出了一種被稱作磁化套筒靶慣性約束核聚變(MagLIF)的新技術，這種技術旨在26MA驅動電流下實現高增益點火，相關文獻表明，制約這種技術發展的最重要因素之一是套筒靶的不穩定性發展。
[0004]近年來，從事Z箍縮研究的科研人員利用單絲、雙層等負載結構研究箍縮過程中不穩定性發展的物理過程，以克服其帶來的不利影響，但相關研究成果很難應用于分析MagLIF套筒靶在致穩磁場作用下不穩定性的發展狀況。
【發明內容】
[0005]本發明提供一種外爆型平面金屬薄膜負載，可以用于研究MA量級(強光I號)Z箍縮實驗中，負載受力方向與不穩定性發展方向相同時，負載的不穩定性發展過程。
[0006]本發明的技術解決方案是:
[0007]平面金屬薄膜負載裝置，包括負載、負載陰極及負載陽極，其特殊之處在于:所述負載為平面金屬薄膜，所述平面金屬薄膜呈拉直狀態，一端與負載陰極電連接，另一端與負載陽極電連接；
[0008]所述負載裝置還包括位于負載陰極和負載陽極之間的回流裝置，所述回流裝置包括回流柱底座及兩個回流柱，所述兩個回流柱對稱設置在平面金屬薄膜的兩側且與平面金屬薄膜之間的距離可調，所述回流柱的一端與負載陽極電接觸，所述回流柱的另一端與回流柱底座電連接，所述回流柱底座與負載陰極電連接。
[0009]上述負載陽極包括陽極板及夾緊裝置，所述陽極板的與回流柱電連接，所述夾緊裝置固定在陽極板上，所述陽極板的中心處開設有通孔，所述平面金屬薄膜的一端經過通孔與夾緊裝置固定連接。
[0010]上述夾緊裝置包括固定座、兩個半圓柱、兩個夾軸固定扣及彈片，所述固定座的材料為非金屬絕緣材料，所述兩個半圓柱相扣形成夾軸，所述夾軸安裝于固定座內且兩端伸出固定座；
[0011]所述夾軸固定扣包括本體及設置在本體上與本體垂直的轉軸，兩個夾軸固定扣通過轉軸安裝于固定座的兩側，所述轉軸的安裝位置低于夾軸的中心軸，所述本體上還開設有朝向夾軸開口的凹槽，所述凹槽為以轉軸為中心的弧形槽，所述弧形槽的徑向尺寸與夾軸向適配，當旋轉固定扣時，所述弧形槽能夠包裹住伸出固定座的夾軸；
[0012]所述彈片設置在固定座邊緣且朝陽極板通孔方向伸出，所述平面金屬薄膜由通孔穿出后沿彈片進入固定座中的夾軸由夾軸夾緊。
[0013]上述負載陰極包括陰極底座、陰極夾口及固定套，
[0014]所述陰極夾口包括相扣合的兩個半圓錐，所述兩個半圓錐設置在陰極底座上，所述固定套的內表面包括圓錐面及與圓錐面大端連接的圓柱面，所述固定套從陰極夾口的小端套入，套入過程中固定套的圓錐面部分壓緊陰極夾口的兩個半圓錐，固定套的圓柱面部分與陰極底座螺紋連接，
[0015]所述回流柱底座上設置有與陽極板上通孔位置及大小相適配的錐形孔，所述陰極夾口伸入錐形孔中夾持平面金屬薄膜的一端，所述陰極夾口與錐形孔圓錐面配合。
[0016]上述陰極底座與陰極夾口為兩個分立的器件。
[0017]上述陰極底座與陰極夾口之間還設置有墊圈。
[0018]上述平面金屬薄膜為鋁膜或鎢膜，其寬度為范圍為0.2-1.5cm，長度為8-lOcm，厚度小于50 μ m。
[0019]本發明與現有技術相比，優點是:
[0020]1、平面金屬薄膜負載作為Z箍縮不穩定性研究實驗中的一個關鍵部件，在于它可以研究負載平面兩側存在受力時，不穩定性的發展情況。相關研究結果可以應用于分析MagLIF套筒靶在致穩磁場作用下不穩定性發展情況。
[0021]2、本發明陽極板處夾緊裝置的獨特設計，使得本發明可以滿足由于壓差使陰極向陽極移動時，保證薄膜平面平直的物理要求，在高真空下(10_2Pa)，整個負載平面受力均勻，不發生扭曲變形。
[0022]3、本發明負載陰極與回流柱底座采用圓錐面配合，使得本發明可以對負載薄膜平面方向進行微調，使其與探針激光方向保持高的平行度；該裝置負載在“強光一號”加速器上進行Z箍縮不穩定性研究實驗時，可以觀測到負載兩面在受不同力時不穩定性發展的差巳
[0023]4、本發明機械結構簡單、安裝方便、工作穩定可靠、現場拆卸快捷，滿足實驗要求。
【專利附圖】
【附圖說明】
[0024]圖1為強光I號結構及Z箍縮實驗示意圖；
[0025]圖2平面金屬薄膜負載裝配結構示意圖；
[0026]圖3為負載陽極、回流柱結構示意圖
[0027]圖4為雙半圓柱夾軸固定結構及彈片安裝結構示意圖；
[0028]圖5為雙半圓柱夾軸固定結構及彈片扣合后的狀態示意圖；
[0029]圖6為去掉夾軸固定扣后的夾緊結構圖；
[0030]圖7負載陰極及薄膜夾口示意圖；
[0031]附圖標記為:1_直線變壓器驅動源(LTD)、2_中央儲能單元、3-脈沖壓縮線、4-脈沖形成線、5-負載、6-真空腔室、51-夾緊裝置、52-彈片、53 -平面金屬薄膜、54-陽極板、55-回流柱、56-回流柱底座、57-線圈壓圈、58-負載陰極、511-固定座、512-夾軸、513-夾軸固定扣、581-陰極底座、582-墊圈、583-固定套、584-陰極夾口。
【具體實施方式】
[0032]以下結合附圖對本發明的優選方式進行詳細說明。
[0033]圖1所示為強光I號結構及Z箍縮實驗示意圖，包括依次連接的直線變壓器驅動源(LTD)、中央儲能單元2、脈沖壓縮線3、脈沖形成線4及負載5，其中負載5可使用本發明所提供的平面金屬薄膜負載結構，同傳統的Z箍縮實驗技術類似，電爆炸實驗需要在真空環境中進行，以減少放電瞬間空氣擊穿對爆炸品質的影響。
[0034]本發明平面金屬薄膜為鋁、鎢等金屬材料制成，其寬度為范圍為0.2-1.5cm，有效長度2cm，實際長度一般需要超過1cm以保證與陰極夾口、陽極固定結構的有效連接，厚度一般小于 5(^111，有2(^111、3(^111和 50 μ m 等規格。
[0035]如圖2-3所示，本發明的平面金屬薄膜負載裝置，其基本結構包括負載、負載陰極、負載陽極及回流裝置，負載為平面金屬薄膜53，平面金屬薄膜呈拉直狀態，一端與負載陰極電連接，另一端與負載陽極電連接；回流裝置位于負載陰極和負載陽極之間，包括回流柱底座56及兩個回流柱55，兩個回流柱對稱設置在平面金屬薄膜的兩側且與平面金屬薄膜之間的距離可調，回流柱的一端與負載陽極電接觸，回流柱的另一端與回流柱底座電連接，回流柱底座與負載陰極58電連接。
[0036]基于對以上基本方案的改進，本發明為了解決在真空抽取過程中由于陰陽極之間的距離收縮所導致的薄膜平面難以保持的問題。為此負載陽極端設計為一種由兩個半圓柱組成的夾軸固定結構和防止負載平面變形的彈片結構，具體如下:
[0037]如圖2、圖4所示，本發明負載陽極包括陽極板54及夾緊裝置51，陽極板的內側與回流柱電連接，夾緊裝置固定在陽極板的外側，陽極板的中心處開設有通孔，平面金屬薄膜的一端與負載陰極電連接后從兩個回流柱之間通過再經過通孔后由夾緊裝置夾緊。夾緊裝置包括固定座511、兩個半圓柱、兩個夾軸固定扣及彈片52,兩個半圓柱相扣形成一個夾軸512安裝于固定座內且兩端伸出固定座，夾軸固定扣包括本體及設置在本體上與本體垂直的轉軸，兩個夾軸固定扣513通過轉軸安裝于固定座的兩側，轉軸的安裝位置低于夾軸的中心軸，本體上還開設有朝向夾軸開口的凹槽，凹槽為以轉軸為中心的弧形槽，弧形槽的徑向尺寸與夾軸向適配，當旋轉固定扣時，所述弧形槽能夠包裹住伸出固定座的夾軸，彈片設置在固定座邊緣且朝陽極板通孔方向伸出，平面金屬薄膜有通孔穿出后沿彈片進入固定座中的夾軸由夾軸夾緊。夾軸固定結構可以保證在沒有很強外力條件下負載的可靠固定，彈片結構用于保證在陰陽極間距變化時薄膜平面保持平直，不扭曲變形，同時保證平面金屬薄膜在經過陽極板通孔時與孔邊接觸。同傳統的吊錘固定方式相比，這種結構可以在保證薄膜平面平直的情況下，任意改變其方向，滿足實驗診斷需求。
[0038]進一步的本發明夾緊裝置的固定座的材料為非金屬絕緣材料，其優點是使流經平面金屬薄膜的電流在通過陽極板上能夠均分由兩側的回流柱流過，避免夾緊裝置固定座的分流。
[0039]實驗中，主要采用激光探針和分幅相機等手段進行診斷，為獲得好的診斷結果，薄膜平面方向需平行于探針激光的方向，負載陰極和加速器陰極板固定后，仍需對負載平面方向進行微調(小于1° )以滿足診斷要求。設計中，采用可旋轉轉陰極夾口實現負載平面方向微調，微調后將固定套583擰緊，即可鎖死旋轉自由度。本發明為了解決平面金屬薄膜方向控制問題，本發明的負載陰極時這樣設計的:
[0040]如圖2、圖5所示，本發明負載陰極包括陰極底座581、陰極夾口 854及固定套583，陰極夾口包括相扣合的兩個半圓錐，兩個半圓錐設置在陰極底座上，固定套的內表面包括圓錐面及與圓錐面大端連接的圓柱面，固定套從陰極夾口的小端套入，套入過程中固定套的圓錐面部分壓緊陰極夾口的兩個半圓錐，固定套的圓柱面部分與陰極底座螺紋連接，回流柱底座上設置有與陽極板上通孔相對的錐形孔，陰極夾口伸入錐形孔孔中夾持平面金屬薄膜，陰極夾口與錐形孔圓錐面配合。
[0041]進一步的，為了解決陰極夾持結構燒蝕問題。為保證和薄膜有良好的電接觸，同時控制薄膜平面平直，夾持箔片的陰極夾口應當具有一定的平整度。一輪實驗后，陰極夾口被燒蝕，不再滿足要求，為此負載陰極夾口與陰極底座設計為可分離結構，每次實驗后只需更換陰極夾口，既節約成本，又可以保證陰極夾口的平整度。
[0042]另外，本發明的陰極底座與陰極夾口之間還設置有墊圈583，通過調節墊圈厚度對負載陰極的水平位置進行微調。
[0043]本發明的原理是:
[0044]平面金屬薄膜一端被陰極夾口夾持住，另一端穿過陽極板上預留的孔槽，被兩個半圓柱夾軸夾住，兩個半圓柱夾軸合成一個圓柱，放置于固定座上預留的凹槽內，旋轉該圓柱將負載拉緊，同時將彈片壓彎，擰緊兩側的夾軸固定扣即可將夾軸固定，即使負載陰極和負載陽極在水平方向上有輕微的相對移動亦可保持薄膜的平直。回流柱共有兩片，均為不銹鋼制長方體，直接與回流柱底座連接，回流柱底座通過卡扣固定于加速器陽極板上。加速器放電時，負載中電流與回流柱中電流方向相反，根據法拉第電磁感應定律，負載將受到回流柱中電流的“排斥”，斥力大小與負載平面和回流柱內表面的距離有關，可以通過調節兩個回流柱與負載的距離控制負載受力，觀測平面金屬薄膜負載在不同受力條件下，不穩定性的發展情況。
【權利要求】
1.平面金屬薄膜負載裝置，包括負載、負載陰極及負載陽極，其特征在于:所述負載為平面金屬薄膜，所述平面金屬薄膜呈拉直狀態，一端與負載陰極電連接，另一端與負載陽極電連接； 所述負載裝置還包括位于負載陰極和負載陽極之間的回流裝置，所述回流裝置包括回流柱底座及兩個回流柱，所述兩個回流柱對稱設置在平面金屬薄膜的兩側且與平面金屬薄膜之間的距離可調，所述回流柱的一端與負載陽極電接觸，所述回流柱的另一端與回流柱底座電連接，所述回流柱底座與負載陰極電連接。
2.根據權利要求1所述的平面金屬薄膜負載裝置，其特征在于:所述負載陽極包括陽極板及夾緊裝置，所述陽極板的與回流柱電連接，所述夾緊裝置固定在陽極板上，所述陽極板的中心處開設有通孔，所述平面金屬薄膜的一端經過通孔與夾緊裝置固定連接。
3.根據權利要求2所述的平面金屬薄膜負載裝置，其特征在于:所述夾緊裝置包括固定座、兩個半圓柱、兩個夾軸固定扣及彈片，所述固定座的材料為非金屬絕緣材料，所述兩個半圓柱相扣形成夾軸，所述夾軸安裝于固定座內且兩端伸出固定座； 所述夾軸固定扣包括本體及設置在本體上與本體垂直的轉軸，兩個夾軸固定扣通過轉軸安裝于固定座的兩側，所述轉軸的安裝位置低于夾軸的中心軸，所述本體上還開設有朝向夾軸開口的凹槽，所述凹槽為以轉軸為中心的弧形槽，所述弧形槽的徑向尺寸與夾軸向適配，當旋轉固定扣時，所述弧形槽能夠包裹住伸出固定座的夾軸； 所述彈片設置在固定座邊緣且朝陽極板通孔方向伸出，所述平面金屬薄膜由通孔穿出后沿彈片進入固定座中的夾軸由夾軸夾緊。
4.根據權利要求1或2或3所述的平面金屬薄膜負載裝置，其特征在于:所述負載陰極包括陰極底座、陰極夾口及固定套， 所述陰極夾口包括相扣合的兩個半圓錐，所述兩個半圓錐設置在陰極底座上，所述固定套的內表面包括圓錐面及與圓錐面大端連接的圓柱面，所述固定套從陰極夾口的小端套入，套入過程中固定套的圓錐面部分壓緊陰極夾口的兩個半圓錐，固定套的圓柱面部分與陰極底座螺紋連接， 所述回流柱底座上設置有與陽極板上通孔位置及大小相適配的錐形孔，所述陰極夾口伸入錐形孔中夾持平面金屬薄膜的一端，所述陰極夾口與錐形孔圓錐面配合。
5.根據權利要求4所述的平面金屬薄膜負載裝置，其特征在于:所述陰極底座與陰極夾口為兩個分立的器件。
6.根據權利要求5所述的平面金屬薄膜負載裝置，其特征在于:所述陰極底座與陰極夾口之間還設置有墊圈。
7.根據權利要求6所述的平面薄膜負載裝置，其特征在于:所述平面金屬薄膜為鋁膜或鎢膜，其寬度為范圍為0.5-1.5cm，長度為8-lOcm，厚度小于50 μ m。
【文檔編號】H05H5/02GK104202903SQ201410457940
【公開日】2014年12月10日 申請日期:2014年9月10日 優先權日:2014年9月10日
【發明者】袁媛, 盛亮, 李陽, 張美 , 彭博棟, 趙吉禎, 李奎念, 王培偉, 李沫, 王亮平 申請人:西北核技術研究所