紫外激光探针在Z-pinch中的应用北大核心CSCD

报道了基于脉冲宽度为16ns、波长为266nm、总能量为30mJ、时间分辨为1.6ns的紫外激光四分幅阴影成像系统,用于研究Z-pinch产生等离子体与在丝阵负载中心放置塑料泡沫材料相互作用输运规律,研究动态黑腔形成过程的主要物理因素。使用高能高密度激光束透射等离子体,依据等离子体对激光束吸收衰减特性诊断激光束通过等离子体后的空间强度分布,通过理论计算获得等离子体空间密度分布,获得等离子体产生的早期稳定性、箍缩速度等规律。实验研究表明,在X射线峰值前约-25ns等离子体开始压缩塑料泡沫,在峰值前-5ns压缩到最小,之后泡沫开始膨胀。在X射线峰值时刻泡沫直径由3mm压缩到直径约为1mm,对泡沫的最大压缩比约为9倍。实验测量压缩速度约为3.3×10~6 cm/s,并给出了不同时刻的磁流体不稳定结构分布。     

Z箍缩动态黑腔动力学及辐射特性初步实验研究

在“强光一号”装置进行的Z箍缩动态黑腔实验中, 初步系统研究了动态黑腔的内爆动力学特性及辐射特性的一般规律. 通过高空间分辨图像, 对丝阵与泡沫黑腔碰撞前后泡沫辐射场的变化, 泡沫对不稳定性发展的抑制开展了细致研究. 实验结果显示, 动态黑腔负载内爆的辐射功率波形呈现双峰结构, 首峰和主峰分别对应于碰撞和滞止过程. 8 mm负载的内爆速度高于12 mm负载, 但其他内爆动力学参数和辐射参数均无明显差异. 实验使用的泡沫黑腔能够很好地抑制不稳定性的发展, 但在泡沫内部未能实现对辐射的均匀控制, 滞止泡沫等离子体柱上仍能轻易区分辐射较强和辐射较弱的区域. 关键词： Z箍缩动态黑腔 泡沫黑腔 动力学特性 辐射特性     

用X-pinch对双丝Z箍缩进行轴向X射线背光照相

利用PPG-1脉冲电流源(400 kA, 100 ns), 同时驱动X-pinch和双丝Z箍缩负载. 用X-pinch作为X射线源, 对双丝Z箍缩进行了轴向背光照相的初步实验. 得到了双丝Z箍缩在r-θ 平面上随时间演化的图像, 观察到了丝阵Z箍缩所有早期过程, 包括丝芯膨胀、冕层等离子体产生、等离子体向丝阵中心的运动、先驱等离子体形成. 利用阶跃光楔滤片, 对上述背光图像进行了等离子体质量面密度的标定, 首次得到了在r-θ平面上双丝Z箍缩等离子体质量面密度的时空分布图像.     

丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断系统

 主要介绍了为“强光一号”加速器丝阵负载Z箍缩实验设计的可见光图像诊断系统，系统时间分辨约为5 ns，空间分辨约为6.5 lp/mm，光谱响应范围365~750 nm。系统能够满足从早期单丝电离到等离子体柱飞散整个Z箍缩过程的诊断要求， 给出了系统在Z箍缩实验中获得的丝阵负载内爆图像序列，并对其反映的内爆现象进行了初步的唯象分析。     

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.     

激光烧蚀Al靶产生的等离子体中辐射粒子的速度及激波

在低真空条件下(5Pa),通过测量脉冲激光烧蚀平面Al靶产生的等离子体辐射谱的时间分辨特征,得到辐射粒子速度的空间分布.在激光脉冲宽度为10ns,烧蚀斑直径为200μm,靶面上功率密度分别为1.91×10¹⁰,5.10×10¹⁰和7.64×10¹⁰W/cm²时,测得辐射粒子Al的速度均在10⁶cm/s量级,且随着靶面径向距离的增大而近似呈指数衰减.在距靶面的相同距离处,激光功率密度的增大反而使速度减小.利用激波模型(shockwave model)较好地解释了实验结果,并得出激波的波面基本为柱对称 关键词： 激光等离子体 平面Al靶 粒子速度分布 激波     

丝阵Z箍缩早期消融等离子体动力学的二维数值模拟研究

采用理想磁流体力学模型,给出合理的二维(r, θ)质量注入边界条件,对丝阵Z箍缩早期消融等离子体的动力学过程进行了二维(r, θ)数值模拟研究,得到消融等离子体各参量以及磁场的二维时空分布.模拟结果表明,消融等离子体的运动包括四个主要阶段:首先向轴漂移,然后在轴线处滞止并形成先驱等离子体柱,随后先驱等离子体柱被压缩,最后缓慢膨胀.计算了不同丝阵半径和丝间距情况下消融等离子体到轴速度以及消融质量占丝阵总质量的份额,它们的变化规律与实验结果基本符合.通过 关键词： 丝阵Z箍缩 理想磁流体 消融等离子体     

丝阵Z箍缩可见光辐射区径向变化过程

 在“强光一号”上进行的Z箍缩实验中,利用1维可见光成像系统获取了丝阵内爆可见光辐射区径向变化过程图像。采用的负载包括单层钨丝阵、单层铝丝阵,驱动电流为1.3~1.5 MA,上升时间89~140 ns。实验结果表明:丝阵内爆产生轴向先驱等离子体柱,尺寸为0.3~0.5 mm;丝阵在内爆和内爆到芯及冷却飞散阶段,外围区域始终存在较弱的可见光辐射;获得的可见光条纹像提供了丝阵等离子体内爆可见光轨迹,内爆径向压缩比为2.84～7.84,丝阵内爆速度为4.60×10⁶～1.73×10⁷ cm/s。     

Z箍缩动态黑腔形成过程和关键影响因素数值模拟研究

在Z箍缩动态黑腔研究中, 认识黑腔形成物理过程及主要特征, 明确优化黑腔辐射的关键参数, 是实验物理设计的重要基础. 本文针对W丝阵填充CH泡沫转换体的负载构型, 利用一维辐射磁流体程序, 在8 MA驱动电流条件下开展了动态黑腔形成过程和关键影响因素的数值模拟研究. 结果表明, 丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用产生局部高压力区是驱动冲击波传播和形成动态黑腔的关键物理过程. 由于辐射超声速传播及其与冲击波波阵面的空间分离, 产生了辐射温度较高而物质未受明显压缩的动态黑腔区域. 丝阵等离子体碰撞泡沫转换体前的状态分布决定了动态黑腔辐射场的主要特征, 可以通过改变负载参数调整并优化黑腔辐射波形. 综合考虑黑腔峰值辐射温度和有效维持时间两个参数, 选择匹配质量的丝阵和泡沫, 使丝阵质量略小于泡沫, 可以获得相对优化的动态黑腔辐射波形. 同时, 合适的丝阵/泡沫初始半径比也是优化动态黑腔辐射的重要影响因素.     

箍缩背光照相

 利用PPG-Ⅰ脉冲功率装置（500 kV,400 kA,100 ns）驱动X箍缩负载,得到了μm量级的亚纳秒脉冲X射线辐射点源。在阴阳极轴线和回流柱上同时安装X箍缩负载,前者可作为背光照相的X射线点源;后者可作为被拍照的目标X箍缩。获得了X箍缩发展过程不同时刻的时间序列图像,在背光照相的图像中可以清晰观察到X箍缩交叉点处等离子体的外爆、箍缩以及最终的崩溃阶段。将阴阳极轴线上的X箍缩负载用Z箍缩丝阵负载代替,实现了对丝阵负载Z箍缩放电起始阶段的X射线背光照相,观察到了最初的各单丝电爆炸、等离子体膨胀及融合过程,同时观察到了双丝Z箍缩发展过程中的等离子体不稳定性。实验结果有助于深入理解Z箍缩发展的物理过程,同时可为有效的模拟建模分析提供基本的实验数据。     

X-ray observations of tungsten wire array Z-pinch implosions on QiangGuang-1 facility

Z-pinch experiments with two arrays consisting, respectively, of 32 4-μm- and 6-μm-diameter tungsten wires have been carried out on QiangGuang-1 facility with a current rising up to 1.5MA in 80ns. At early time of implosion, x-ray framing images show that the initial emission comes from the central part of arrays, and double clear emission rings, drifting to the anode and the cathode at 5×10⁶cm/s and 2.4×10⁷cm/s respectively, are often produced near the electrodes. Later, in a 4-μm-diameter tungsten wire array, filamentation caused by ohmic heating is prominent, and more than ten filaments have been observed. A radial inward shift of arrays starts at about 30\,ns earlier than the occurrence of the x-ray peak power for both kinds of arrays, and the shrinkage rate of emission region is as high as 1.7×10⁷cm/s in a 4-μm-diameter tungsten wire array, which is two times higher than that in a 6-μm one. Emission from precursor plasmas is observed in implosion of 6-μm-diameter tungsten wire arrays, but not in implosion of a 4-μm-diameter tungsten wire array. Whereas, in a 4-μm-diameter tungsten wire array, the soft x-ray emission shows the growth of m=1 instability in the plasma column, which is caused by current. The reasons for the discrepancy between implosions of 4-μm- and 6-μm-diameter tungsten wire arrays are explained.     

X光分幅相机在黑腔等离子体填充特性研究中的应用

 在神光Ⅱ装置上2.4 ns长脉冲三倍频激光（激光能量8×300 J）与腔靶耦合实验研究中,X光分幅相机通过激光注入孔观测获得了3种腔尺寸腔内Au等离子体径向运动时空分辨图像。用MATLAB对图像进行了定量处理,结合时间分辨辐射温度测量结果分析表明：在腔内不充气、无低Z衬垫情况下,标准腔（800 μm×1 350 μm）在激光脉冲作用到约1.5 ns时出现明显的Au等离子体堵腔效应;当腔尺寸放大到1.25倍（1 000 μm×1 800 μm）和1.5倍（1 200 μm×2 100 μm）时,腔内等离子体基本不堵腔。给出了3种腔尺寸不同时期腔内Au等离子体径向聚心速度,分析表明：大腔的聚心速度比小腔的慢,后期比初期慢。     

表面绝缘混合平面丝阵Z箍缩激光阴影图像诊断

基于脉冲半高全宽约为9 ns、波长为532 nm的Nd:YAG激光器,采用条纹相机和商用数码相机两种记录设备,建立了时间分辨和时间积分两种模式的激光阴影图像诊断系统,在"强光一号"装置上对表面绝缘混合平面丝阵Z箍缩等离子体开展了实验研究.实验结果表明:在融蚀过程中表面绝缘金属丝冕等离子体发展较普通金属丝慢,在t=44ns到t=56ns之间,其平均膨胀速度分别为1.1×104m·s-1和1.7×104m·s-1;在等离子体滞止前10 ns的快速聚爆过程中,表面绝缘金属丝和普通金属丝两侧的平均聚爆速度分别为5.5×105m·s-1和9.3×105m·s-1,表面绝缘一侧等离子体滞止时间小于普通金属丝一侧,分别为5.9 ns和9.5 ns;等离子体碰撞分界线偏向于表面绝缘一侧,滞止时形成的磁流体不稳定性结构类似.     

Picosecond X-ray plasma radiation measurements

Direct picosecond measurements of X-ray laser plasma radiation were performed with a high-speed X-ray image-converter camera (ICC). This camera operates in the single-frame mode with an exposure time ranging from 5 ns to 0.5 μs and in the streak mode with 5 × 10⁹ to 5 × 10⁷ cm/s streak velocities. Its temporal resolution in the streak mode was calculated to be about 7 ps. A plasma was created by focussing 10 ps 1 to 2 joule laser pulses onto a titanium target placed in a vacuum chamber. The halfwidth of the recorded X-ray pulses varied from 30 to 60 ps.     

Side on interferometry at 10.6 μm of Theta pinch plasmas

An experiment for measuring electron density spatially resolved with high time resolution is described. The experiment was performed side on on a Theta pinch plasma. The light source (TEA-CO₂ laser), the window problem, the area detector for the interferogram are discussed. The sensitivity of the technique is 1–2×10¹⁵ electrons/cm². Some examples of measured density profiles show that the method may be used effectively on toroidal plasma machines.     

Characterisation of laser-produced tungsten plasma using optical spectroscopy method

This paper describes results of spectroscopic investigation of laser-produced tungsten plasma. The laser intensity on the target surface reached up to 30 GW/cm² depending on the focusing conditions. Optical spectra emitted from plasma plumes which were formed under vacuum conditions in front of the tungsten target due to the interaction of Nd-YAG laser pulses (1.06 μm, 0.5 J), were characterised by means of an optical spectrometer (λ/Δλ= 900) in the wavelength range from 300 to 1100 nm. The spectra were recorded automatically with the use of a CCD detector with exposition time varied from 100 ns to 50 ms. On the basis of WI and WII lines it was possible to estimate electron temperature and electron density which corresponded to the expansion phase of the plasma. T_e and N_e were measured as 1.1 eV and 8×10¹⁶ cm^-3, respectively. The spectra collected by the ion energy analyser showed that the plasma included tungsten ions up to 6+ ion charge. Signals from the ion collector allowed to estimate the average value of ion energy of tungsten as 4.6 keV. Basing on this value the electron temperature corresponding to the initial stage of the plasma formation was estimated to be about 320 eV. Optical microscope investigation showed that laser irradiation caused structural changes on the surface of the target.     

Z箍缩动态黑腔冲击波辐射图像诊断

在“聚龙一号”装置上开展了单层钨丝阵加载重泡沫的动态黑腔实验, 初步研究了Z 箍缩动态黑腔中冲击波传播和黑腔形成的物理过程. 获得了冲击波辐射环的演化图像, 分析了丝阵等离子体与泡沫的作用过程及动态黑腔内的辐射特性. 测得冲击波的向心传播速度为(14.2±1.7) cm/μs, 冲击波平均宽度为0.8-0.9 mm. 冲击波辐射环的发光强度沿角向分布的标准偏差约为±10%, 中心黑腔区的标准偏差约为±4.2%.