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长磁绝缘传输线传输过程数值模拟研究

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第一章 绪 论

1.1 高功率脉冲技术的发展简介

1.2 磁绝缘传输线在脉冲功率装置中的意义

1.3 磁绝缘传输线的数值仿真现状

1.4 论文的主要工作

1.5论文的组织结构

第二章 磁绝缘传输线基本理论

2.1 磁绝缘传输线的结构

2.2 磁绝缘的基本概念

2.3 磁绝缘稳态流理论

2.4 磁绝缘的电流特性

2.5 非稳态流理论

第三章 粒子模拟软件的概述及对比验证

3.1 粒子模拟方法概述

3.2 电磁模拟算法的简介

3.3 CHIPIC软件及并行运算简介

3.4 两种粒子模拟软件结果对比验证

3.5 不同网格划分对于模拟结果的影响

第四章 磁绝缘传输线的结构设计

4.1 负载的设计

4.2 同轴磁绝缘传输线阴阳极之间间距的选择

4.3 磁绝缘传输线的阻抗匹配问题

第五章 单路脉冲功率真空装置的三维数值模拟研究

5.1 数值模型的实现方法

5.2 模拟结果分析

5.3 接长传输段的单路脉冲功率真空装置的三维数值模拟研究

第六章 总 结

致谢

参考文献

攻硕期间取得的研究成果

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摘要

近年来,随着高功率脉冲技术在民用军用以及高新技术领域的高速发展,许多发达国家开始着力开展对Z箍缩装置的研究。磁绝缘传输线作为Z箍缩装置的重要组成器件,磁绝缘传输线的设计和理论研究是关键性的技术核心,但是由于器件的结构复杂、成本高,所以一般要求在投入实际的实验之前对设计的磁绝缘传输线进行仿真模拟。本文主要是基于CHIPIC粒子模拟软件平台对磁绝缘传输线进行 PIC模拟,不仅研究了磁绝缘传输线的基本理论,而且对关于传输线的设计也进行了比对分析,而后采用CHIPIC对单路脉冲功率真空装置进行粒子模拟,为其投入实际实验提供有力的保证。具体分为以下几个内容:
  首先,对磁绝缘传输线的基本理论进行分析,介绍了电子磁绝缘的稳态流理论和非稳态流理论,运用CHIPC粒子模拟软件和MAGIC粒子模拟软件同时对同一结构进行PIC仿真,验证CHIPIC在同轴磁绝缘传输线模型的模拟的正确性。
  其次,介绍了三种电磁模拟算法——中心差分算法、时偏算法和高品质因数算法,并对同一结构使用三种算法分别模拟研究,来研究三种算法所模拟的结果的区别。并且对不同网格划分对于PIC模拟结果的影响做了简单的介绍。
  再次,研究了同轴磁绝缘的设计需要注意的地方。不仅要选择合适的负载二极管阴阳极之间的间距,还要根据实际的需要选择合适的同轴磁绝缘传输线阴阳极间的间距,更要注意不同磁绝缘传输线相链接时,其阻抗匹配的问题。
  最后,研究了单路脉冲功率真空装置中脉冲功率的馈入、汇聚及传输,在CHIPIC平台上,采用多台计算机进行分进程并行计算的方法,突破了单台计算机的内存及运行速度限制,对单路脉冲功率的馈入、汇聚及传输装置进行建模,并设置相应的参数,从而对该大尺度装置进行了整体模拟。不仅对1米长传输段的装置进行了模拟,还对拥有12米长传输段的长磁绝缘传输线进行了模拟,模拟得到的该器件各个部分的阴阳极间电压、阴阳极电流等一些重要的物理参数。模拟结果表明:该单路真空脉冲功率器件整体都可以保持磁绝缘状态,并达到了很好的功率汇聚的作用。该工作验证了真空状态下脉冲功率产生及传输器件的可行性,为进一步的实验研究提供了有力保证。

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