炸药柱面内爆磁通量压缩超高速同时分幅/扫描摄影技术

叙述了超高速同时分幅/扫描摄影技术在柱面内爆磁能量压缩实验中的研究应用,用自研的国内首台同时分幅/扫描超高速光电摄影系统,拍摄到柱面内爆强磁场压缩过程同一时基、同一空基且具有超高时空分辨的一维和二维清晰图像。成功观察到柱面套筒内爆整个压缩过程,获得了该过程直径随时间变化曲线及压缩速度。实验结果表明,柱面套筒内爆强磁场压缩过程中存在界面不稳定性和不对称性现象,整个过程压缩时间8~10μs,压缩速度3.8~4.5km/s。     

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术研究

炸药柱面内爆磁通量压缩实验技术 (MC-1) 是一种原理独特的高能量密度实验技术, 它是利用炸药内爆驱动金属套筒压缩其内部磁通量从而实现超高磁场, 利用超高磁场可以对其内部的样品实现等熵压缩. 由于这项技术具有超高磁场、等熵加载等特点, 在材料高压物性、新材料高压合成、及超强磁场下的凝聚态物理等多个领域都具有广阔的应用前景. 2011年, 中物院流体物理研究所在国内率先开展了这一方面的实验研究工作, 研制成功了单级MC-1实验装置, 观测到了MC-1实验的典型实验特征, 获得了超过430T的动态超强磁场. 数值分析表明, 利用这项技术可以实现对材料的等熵压缩. 这项技术的研究对于我国未来开展极端条件下的凝聚态物理研究具有积极的意义. 关键词： 柱面内爆 磁通量压缩 等熵压缩 超强磁场     

柱面内爆磁通量压缩实验中的磁扩散过程

利用一维磁流体力学程序MC11D,对套筒材料为不锈钢的柱面内爆磁通量压缩实验进行了数值模拟,研究了其中的磁扩散过程。计算结果表明:当套筒空腔中的磁场被压缩到350 T左右时,峭面磁扩散波开始形成,磁扩散波的波前从套筒内壁开始以0.75 km/s的平均速度向外快速推进,给磁场的压缩带来了不利影响;随着套筒内壁温度迅速升高,内壁附近会形成一个电阻率仅有0.3 mcm左右的等离子体保护层,又极大地减缓了空腔磁场向套筒中扩散的速度。在磁压缩过程中,峭面磁扩散波和等离子体层对于空腔磁场的扩散起着相反的作用,两者在发展的过程中相互竞争,在不同的阶段分别起着主导作用。     

FP-1装置铝套筒内爆动力学过程的一维磁流体力学模拟

作为一种重要的柱面会聚冲击和准等熵压缩加载源,磁驱动固体套筒内爆技术已广泛应用于高能量密度物理实验研究.针对FP-1装置驱动的固体套筒内爆动力学过程,建立了含强度的一维磁流体力学模型,并对典型实验进行了模拟.计算获得的套筒内爆速度同实验结果较为相符.模拟结果显示,该装置在40 kV充压条件下,可以将直径3 cm,厚0.5 mm的铝套筒加速至1.1 km/s,内壁速度超过1.5 km/s,同时保持大部分材料为固体状态.内爆套筒与相同材料靶筒碰撞产生的冲击压力约9 GPa.改变靶筒内部填充气体的压力,可以获得不同的靶筒运动速度、轨迹以及反弹半径,以满足不同类型实验的研究需要.     

电流脉冲前沿对电磁驱动固体套筒内爆的影响

固体套筒内爆是采用实验方法研究高能量密度状态下的材料力学性能的重要加载手段之一,国内已经建立起若干开展电磁内爆研究的驱动器。从电流脉冲前沿对固体套筒内爆性能影响的角度进行分析,为如何选择现有的实验装置开展固体套筒内爆实验研究提供依据。采用不可压缩零维模型进行计算,获得了套筒内爆速度受套筒尺寸、电流幅值以及电流脉冲前沿的影响情况。计算结果表明,开展固体套筒内爆的实验研究应选择电流脉冲前沿大于2 s的装置,这也为未来设计驱动能力更强的固体套筒内爆实验装置奠定了基础。     

电作用量在磁驱动固体套筒内爆设计分析中的应用

磁驱动固体套筒内爆作为标准柱面冲击/准等熵汇聚压缩加载方式,在流体动力学、材料物性和聚变能源等领域具有广泛应用前景.在特定加载条件下,套筒飞层材料、半径和厚度的选择决定了套筒内爆力学行为,而电流烧蚀限制了所能选择的参数范围.通过薄壁套筒假定引入作为动力学参量的电作用量概念,利用不可压缩零维模型给出了低线电流密度下薄壁套筒尺寸优化设计方法和套筒飞层材料选择的原则;将修正后的电阻率-电作用量模型嵌入自编的一维弹塑性磁流体力学程序SOL1D进行模拟计算,分别与FP-1装置及ZR装置上的实验结果进行比对,表明在大径厚比和低线电流密度加载下,利用电作用量估算内爆速度及利用电爆炸丝实验获取的各阶段电作用量判断套筒物理状态是有效的.     

材料强度对电磁驱动固体套筒内爆过程的影响

电磁驱动柱形固体套筒内爆加载技术是高能量密度物理实验研究的重要加载方式。由于固体金属具有一定的结合强度, 需外加载荷达到特定阈值才会发生塑性流动, 且在内爆过程中塑性做功会耗散部分电磁力做功而变成金属材料的内能, 进而对固体套筒的内爆过程产生影响。通过弹塑性力学平面轴对称问题的解, 给出了套筒发生塑性流动时外加电流（即屈服电流）与套筒参数的关系。利用考虑材料强度的零维不可压缩模型对铝套筒的内爆过程进行模拟, 并分别与简单零维模型和实验数据进行对比, 结果发现当电流峰值远大于（20倍于）屈服电流时, 金属材料强度的影响甚微;而当峰值电流只数倍于屈服电流时, 金属材料强度的影响便不能忽略。     

内爆圆柱套筒磁通量压缩的磁流体力学计算

在一维反应流体动力学程序SSS的基础上扩充编制一维磁流体力学计算编码SSS/MHD,并对炸药内爆驱动的圆柱形套筒磁通量聚积发生器(MC-1装置)进行了一维磁流体力学模拟计算。分析了空腔磁场向压缩套筒和样品套筒壁中的磁扩散现象,结果表明,在压缩套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值只有十几T;而在样品套筒壁中距离空腔0.2mm处的磁感应强度最大值达到几百T,这主要是内外套筒运动速度不同,电磁力与内爆作用力平衡引起的。计算了空腔中磁感应强度的变化曲线和样品套筒内壁的速度历程曲线,得到与实验测试符合的结果。     

脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟北大核心CSCD

通过建立物理模型,用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流(MA)脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响,以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外,对该过程中磁场增加α粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示:当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5T和250eV时,即可获得超过4keV的升温,初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下,点火成功,可产生kT量级的强磁场,并获得百kJ/mm量级的能量输出。     

喷气Z-pinch高速扫描摄影技术研究

 叙述了高速摄影在阳加速器喷气Z-pinch实验中测量等离子体向心运动时的应用，用高速变像管扫描相机首次拍摄到阳加速器喷气负载为氖气状态下产生等离子体压缩过程的扫描像，该扫描像的时间分辨本领很高,可以观察到等离子体内爆压缩阶段整个过程，测得了该过程的直径随时间连续变化曲线。     

基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场;研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性;利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究;磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力;采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量（率）的X射线和γ射线;利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外,还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。     

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射实验技术

磁驱动准等熵平面压缩和超高速飞片发射技术是近十年来国外核武器实验室发展起来的冲击动力学方面的一种新型实验方法和技术。它可以达到压力平滑加载范围跨越最大，可以实现GPa到TPa量级的加载，一次实验可提供一条从低压到高压完整的等熵参考线，己实现宏观金属飞片高达34km／s的速度，同时可以在一发实验中实现多个样品或飞片的同时加载。更重要的是以往各种加载手段实现的是冲击压缩，而磁驱动实现的是准等熵压缩。     

内爆磁通量压缩过程的一维磁流体计算及分析

在一维内爆磁流体力学编码MC11D的基础上,引入了解析形式的状态方程组。利用改造后的编码对样品为铜材料的柱面内爆磁通量压缩实验进行了模拟,得到了样品管内壁的速度历史,材料的p-V关系曲线以及温升曲线。与原编码利用列表式状态方程数据库计算的结果比较,由两种状态方程模拟得到的速度曲线符合程度很好,所得p-V曲线的最大相对偏差为6.6%,温升曲线基本吻合,且模拟的速度曲线与实验结果符合较好。通过对MC11D编码的改造,拓展了其应用范围,使其可对未包含于现有列表式状态方程数据库中的材料进行模拟,为实验结果分析及数据处理提供了一种方法。     

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

间接驱动惯性约束聚变研究中,获得高内爆速度是实现点火,提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量,实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上,演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化,结合实验室和系统原位标定结果,建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术,采用替代靶方式,实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。     

爆轰驱动固体套筒压缩磁场计算及准等熵过程分析

采用构形磁流体力学计算程序SSS/MHD对炸药爆轰驱动固体套筒压缩磁场实验进行了一维磁流体力学模拟计算, 得到空腔磁场以及样品管内壁速度随时间的变化历程, 分别与磁探针和激光干涉测量的实验结果符合. 由分幅照相结果阐述了套筒压缩空腔磁场过程中的屈曲失稳和Bell-Plesset不稳定性现象. 分析了样品管和套筒中的磁扩散、涡流和磁压力的变化规律. 结果表明, 由于聚心运动下样品管和套筒的运动速度不同、电磁力和内爆作用力平衡等原因, 样品管内靠近磁腔处的磁场、涡流和磁压力均高于套筒内距磁腔相同位置处的结果. 讨论了样品管内距磁腔0.05 mm处的熵增随该点压缩度的变化, 最大熵增与样品管材料定容比热的比值在10%左右, 爆炸磁压缩实验过程的等熵程度较高.     

X光照相技术应用于果冻内爆实验的研究

果冻内爆实验是一种研究柱形汇聚条件下Rayleigh-Taylor不稳定性的实验方法,由于高速摄影图像不能分辨反弹阶段果冻内界面的扰动,因此采用中低能X光照相CCD相机接收技术开展果冻与气体混合区域的实验研究,获得了果冻环在不同时刻压缩、反弹的发展状况及其内外边界,并观测到果冻质量分数降低时果冻与气体混合界面的变化。实验结果表明:X光照相可作为测量湍流混合区域的半定量测试技术,有助于研究果冻内爆中的气液界面Rayleigh-Taylor不稳定性现象。     

高速摄影激光照明技术取得新进展

采用衍射型光束匀化器件及多模光纤传光和透镜耦合扩束方法,有效抑制了激光散斑与干涉条纹,解决了大视场平行光束照明时拍摄物体在成像面上的渐晕问题,实现了?300 mm大口径视场下激光均匀照明和目标的清晰成像,并成功用于柱面内爆压缩、空间碎片等精密物理实验研究中。高速摄影技术与激光照明的成功结合,可有效抑制精密物理实验中强烈自发光导致过度曝光从而大大影响成像质量的问题,获得的物理过程边界形貌更加清晰,判读更精确。     

一种可用于轻气炮加载实验中的光散射测试技术

本文报道了一种用于气炮动态加载实验中的在线光散射测试技术。该实验技术具有技术简单、激发光源工作电压低、光源响应时间短、光源输出功率稳定的优点。利用该实验技术研究了水在多次冲击压缩过程中的相变行为,发现当水被冲击压缩到约2GPa以上时,其透明性开始下降。经分析认为水的透明性下降是由水的液-固相变引起的。     

电磁驱动产生超强磁场的参数优化设计

利用零维模型计算分析电磁驱动柱形薄套筒内爆压缩内嵌轴向磁场的过程。通过求解LC回路方程和套筒运动方程构成的方程组,得到3个无量纲参数(h,A,Π)的最优取值和磁通压缩过程的磁能转换效率。计算表明,在恒定电流驱动,且h0.2情况下,套筒半径的压缩比可达10以上。在1MJ的驱动能量下,通过适当调节参数h、A和Π,使其接近最优取值,模拟产生了1 167T的超强磁场,同时磁能转化效率达到47.3%。计算结果和优化参数对内爆磁通压缩实验设计具有一定的理论指导意义。     

固体套筒内爆非冲击压缩研究北大核心CSCD

Z箍缩上的套筒准等熵压缩技术可以用来研究材料的高压状态方程。通过MDSC磁流体力学程序,以铝为负载材料,对PTS shot37负载电流进行非冲击压缩负载设计。结果显示,在原始电流下,没有合适的铝套筒尺寸可以实现非冲击压缩;对原始电流进行波形调节,将电流上升时间调为202和303ns后,获得了满足非冲击压缩条件的套筒尺寸范围。当电流上升时间为303ns时,半径为2.5mm,厚度为0.6mm的套筒尺寸在电流最大时刻,保留固相的厚度为0.12mm,此时固相最大压力为63GPa,最大内爆速度为15km/s。