闪光二号加速器主开关电场电容计算.pdfVIP

第九届高功率粒子束学术交流会议文集 “闪光二号加速器主开关电场电容计算 来定国1，黄建军1’2，张永民1，陈维青1，任书庆1，夏阳1张玉英1 (西北核技术研究所I西安710024 西安交通大学2西安710049) 摘要：利用Ansofl电磁场模拟计算软件，建立了“闪光二号”加速器主开关三维模型，对 其电场进行了模拟计算，解决了二维场计算不能准确模拟主开关电场分布的问题，同时计算了 主开关的电容，准确给?了主开关的空间电场分布和电容，为加速器的运行调试及小水线并联 技术研究中主开关、预脉冲抑制电感的设计提供数据依据。 关键词：“闪光二号”加速器，主开关，电场模拟，Ansoft软件，电容 中图文分类号：TM803 1．引言 ．． ， 开关是脉冲功率装置的关键部件u’。，按其所处的介质可分为油介质、水介质、气体介质、固体 介质和真空开关等类型，水开关以其通流能力大常作为脉冲功率装置的主开关。电场分布和电容是 开关的主要参数，充分了解开关空间电场分布和电容，对深入掌握开关的击穿机理以及脉冲功率装 置的物理设计具有重要的指导意义。 “闪光二号”加速器主开关采用自击穿水介质开关把’。，主开关电极表面电场分布是设计和调试 的主要依据，在低阻抗脉冲功率装置中，主开关电容是影响预脉冲的主要参数，预脉冲幅值随着主 开关电容的增加而增加∞’。。现用主开关电场分布和电容的数据，对小水线并联技术研究中主开关和 预脉冲电感的物理设计有一定的参考价值，因而计算主开关电场、电容显得非常必要。但由于主开 关结构特殊，简单的二维场计算不能准确模拟其电场分布，其电容计算没有现成的公式，要准确得 到空间电场分布必须进行三维场计算，电容值的获得，必须解决不规则形状导体电容的计算方法。 Ansoft场计算软件可以进行三维场计算，并可求解不规则形状导体的电容，文中利用Ansoft场计 算软件对“闪光二号”加速器水介质主开关进行三维场计算，得到了主开关空间电场分布和电容。 2．“闪光二号”加速器主开关结构参数及计算模型 2．1“闪光二号”加速器主开关结构参数 “闪光二号”加速器主开关形成线末端为平板电极，传输线始端为球头电极。形成线内筒端面 为曲面状，传输线内筒端面也为曲面状，为了减小主开关电容，将传输线内筒端面设计为辐射状， 此外为了保证极间电场分布均匀，在传输线内筒端面加一屏蔽环。。1。主开关结构尺寸：球头电极 R50mm，平板电极盘(b170mm，棱边导圆R45mm，其它部分尺寸如图1所示。 ～134～ 图l主开关结构示意图 第九届高功率粒子束学术交流会议文集 2．2计算模型 根据“闪光二号”加速器主开关的结构尺寸，利用Ansoft程序的模型编辑器建立了三维模型(如 图3)，模型包括五部分：形成线末端面(含平板电极)、球头电极、辐射状结构、屏蔽环及外筒。 主开关辐射状结构是一个斜面，在软件中建模非常困难，考虑到其斜率比较小，对电场和电容的影 响较小，建模时将开关辐射状结构由斜面改为平面，其它结构尺寸与实际结构尺寸完全相同。根据 加速器运行调试经验，模型中开关电极间距取150mm，即发生器充电70kV情况下主开关极间距。 图2“闪光二号”加速器主开关计算模型 3．计算结果及分析 3．1参数设置 计算过程中，参数设置如下： 边界条件：根据加速器设计参数，Marx充电lOOkV形成线电压5．8MV乜一，Marx充电70kV时平 板电极电压取4．1MV； 球头电极、辐射状结构、屏蔽环及外筒电压为0。 材料属性：不锈钢和去离子水的介电常数分别取20000和81，背景材料为去离子水。 单元剖分：自适应单元剖分。 求解精度：计算结果能量误差小于0．2％。 3．2空间电场分布 通过Ansoft软件后处理程序，从两个视角给出了主开关的电场分布，如图3、图4所示。图3、 图4分别为直角坐标系XZ切面上的电场分布和过球头电极顶端横切面上的电场分布。从图中可以看 出主开关电场分布呈对称状且比较均匀，正对辐射状结构处的场强略强于极板被挖去部分的场强， 整个场域最大值山现在球头电极表面，但并不在球头电极顶端，大小为596kV／cm。 图3主开关直角坐标系XZ切面上的电场分布 ～135～ 第九屈高功率粒子束学术交流会议文集 [曩]I：[I‘?I。兰C1i：+‘?13 c2。-!jCC C‘；!i+c名c3。。；：C：羞。?：，][：i；]|Q2 一12 o+12+c之 一c23 If％l【-Q3 j L —13 —23 o+13+c23J l匕j 表l：电容矩阵 导体 屏蔽环 球头电极 形成线末端面 辐射状结构 屏蔽环 3．9208E一009 —3。5679E一012 —1．09．61E一09 -I．2758E一009 球头电极 一3．5679E一012 9．1648E一010 -7．9319E-