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。     

高能密度物理实验装置FP-1及其应用

 综述了由高能密度物理装置FP-1驱动的固体套筒内爆研究情况。主要内容包括FP-1脉冲功率装置的特性和所进行的主要物理实验：铝套筒内爆、双套筒碰撞和微喷射、套筒的内爆脉冲屈曲等，给出了各类实验的典型结果。     

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。     

电磁内爆套筒屈曲的数值模拟

 采用瞬态非线性有限元方法对电磁内爆套筒屈曲进行了数值模拟研究。介绍了瞬态非线性有限元方法的基本原理、电磁内爆套筒模拟的基本方法及对实验的模拟结果。通过分析比较认为,建立的数值模拟方法较好地反映了实验结果,可以作为研究分析电磁内爆套筒屈曲的基本方法之一。     

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.     

Increase in radiation intensity in a quasi-spherical “double liner”/“dynamic hohlraum” system

A concept of the magnetic implosion of quasi-spherical liners, concentration of their kinetic energies, conversion of energy into thermal radiation, confinement of its energy in the cavity of an emitting plasma shell in the “double liner”/“dynamic hohlraum” system, and the irradiation of a spherical target is proposed for the physics of high energy densities and inertial confinement fusion. The radiation intensity on the target was shown to increase considerably due to capture of radiation in the process of converting the kinetic energy of the liner into radiation. The dynamics of the liners and the generation of radiation are simulated by the ZETA code using a physical model developed for a nonequilibrium plasma in a cylindrical geometry. The effect of the instability and inhomogeneity of the liners on confinement of radiation energy is estimated.     

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.     

二维弹塑性磁流体力学数值模拟

为了研究物质弹塑性对磁驱动实验运动过程、不稳定性发展等的影响,在MDSC2程序的基础上,增加了弹塑性模块,研制了包括弹塑性的磁流体力学程序,并进行了弹塑性项影响的数值模拟和分析。数值模拟表明:没有初始扰动时,弹塑性项几乎不影响套筒内外半径的运动轨迹;有初始扰动时,弹塑性项对磁驱动固体套筒的Rayleigh-Tayor不稳定性有明显的抑制作用。     

Characteristics of high-power radiating imploding discharge with cold start

A qualitative model of the dynamics of a multiterawatt radiating Z-pinch with cold start and high rate of current rise is proposed. The model is used to analyze discharges with currents I ～ 2–5 MA (with dI/dt > 10¹³ A/s) through uniform or structured plasma-producing loads, including wire arrays. The most important consequence of cold start is that spatially nonuniform plasma production is prolonged to almost the entire current rise time. Under these conditions, the Ampére force begins to play a dominant role in the plasma dynamics before the plasma-producing load is completely transformed into an accelerated plasma. The results of computations of wire-array vaporization are presented. A formula is proposed for estimating the highest attainable velocity of plasma flow into a heterogeneous liner driven by the Ampére force. It is shown that local imbalance between radial motion of the produced plasma and supply of the plasma-producing substance to be ionized leads to axially nonuniform breakthrough of magnetic flux into the liner, which precedes plasma collapse. The magnetic-flux breakthrough gives rise to a chaotic azimuthal-axial plasma structure consisting of radial plasma jets of relatively small diameter, which is called a radial plasma rainstorm. The breaking-through azimuthal magnetic flux obstructs further current flow in the breakthrough region. Analyses of Z-pinch implosion based on the theory of Rayleigh-Taylor instability or the snowplow model are incorrect under the plasma-rainstorm conditions. The processes taking place in a stagnant Z-pinch include conversion of the energy carried by the current-generated magnetic field into turbulent MHD flow of the ion component of the plasma, its convective mixing with magnetic field, heating, energy transfer from ions to electrons, and emission from the plasma. Under typical experimental conditions, emission plays a key role in the energy balance in an imploding pinch. Z-pinch is modeled by an electric-circuit component that has a time-dependent nonlinear impedance and consumes the magnetic energy supplied by a generator through a magnetically insulated transmission line (MITL). The peak power reached in the circuit is comparable to the peak soft X-ray power output emitted by the pinch in terms of magnitude and timing. Optimum matching conditions are formulated for the generator-MITL-pinch circuit.     

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     

基于单丝行为的平面型丝阵Z箍缩模拟

平面型丝阵负载是近年来Z箍缩实验中研究较多的一种非圆柱型丝阵负载.基于平面型丝阵中单丝的静磁场分析并结合单丝的径向运动方程,计算获得了聚爆过程中负载电流在每根丝上分配、每根丝所受磁场力、丝阵负载区磁场分布、负载总电感及聚爆过程中负载动能变化等规律.模拟计算了平面型丝阵负载Z箍缩聚爆轨迹及聚爆时间,并与"强光一号"加速器上进行的平面型丝阵实验结果进行了对比.结果表明,基于单丝行为的模拟误差约为10%,可较为准确地获得平面型丝阵负载聚爆时间.计算结果有助于深入理解平面型丝阵负载Z箍缩物理过程,同时该模型可用于平面型丝阵负载参数设计.     

Implosion of plasma liners in the presence of an axial magnetic field

Based on a radiative magnetohydrodynamic model, a numerical investigation is made of the implosion of single- and two-stage plasma liners with an initial axial magnetic field. The radiative magnetohydrodynamic model includes the equations of two-temperature hydrodynamics taking into account the electron and ion thermal conductivity, the electromagnetic field equations, and the equations of radiative transfer in a nonequilibrium medium. It is shown that in the case of a single-stage liner the implosion takes place in a subsonic regime, while the dynamics of a two-stage liner is determined by that of the propagation of shock waves of various intensities through the inner stage. Institute of High-Current Electronics, Siberian Branch of the Russian Academy of Sciences. Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 12, pp. 6–15. December, 1995.     

圆盘型发生器驱动固体套筒内爆的数值模拟

根据电爆炸箔断路开关的简化数值模型和不可压缩固体套筒的零维模型,利用Matlab编写了用于模拟圆盘型发生器驱动固体套筒内爆的一体化程序D-Liner,对圆盘型发生器、电爆炸箔断路开关、固体套筒内爆的耦合过程进行了数值模拟,分析了电爆炸断路开关工作电压、套筒半径、套筒速度的变化过程以及电爆炸断路开关对发生器电流波形的影响,并对套筒参数进行了优化设计。计算结果表明,以直径400 mm的十单元圆盘型发生器为驱动源,采用长度72 cm、厚度120 m的铜箔作为脉冲锐化开关,当初始电流为5.9 MA时,圆盘型发生器能够获得35 MA的脉冲大电流,电爆炸箔断路开关在击穿与之并联的间隙开关之后可以在固体套筒上产生230 kV的高电压和31 MA、特征上升时间1.6 s的脉冲大电流,能够把50 g柱形铝套筒加速到13.7 km/s。     

Z箍缩等离子体内爆实验金属丝阵负载优化设计分析

金属丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆是产生强x射线辐射的重要方法之一.在一定脉冲功率加速器条件下，金属丝阵质量和丝阵半径的选择决定了Z-pinch内爆等离子体辐射产额的大小.采用薄壳模型计算了不同丝阵质量、不同丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成的丝阵的内爆时间、内爆轨迹、内爆速度，以及最大动能和动能转换率，综合分析了丝间隙、内爆时间、动能转换率与丝阵质量和丝阵半径的关系，给出了在一定负载驱动电流条件下，金属丝阵的最佳参数.分析表明计算结果与实验上观察得到的内爆规律一致. 关键词： Z-pinch内爆等离子体 金属丝阵负载 薄壳模型     

Detection of the spectra of multicharged ions with time resolution and the determination of the parameters of the hot component of the plasma in the case of the magnetic implosion of multiwire arrays

The dynamics of the hot component of the plasma of imploding multiwire arrays has been analyzed using the time behavior of the X-ray spectral lines of multicharge ions. The spectra of H- and He-like aluminum ions with nanosecond time resolution have been detected using electron-optical chronography in experiments on the implosion of multiwire arrays by mega-ampere currents. The simultaneous appearance of the resonance lines of H- and He-like ions implies that the hot plasma whose electron temperature is higher than 0.5 keV has existed on the axis before the implosion of the main mass of the liner. The further dynamics of the intensity of the lines is primarily attributed to an increase in the mass of the emitting plasma.     

消融等离子体对金属丝阵Z箍缩内爆动力学的影响

结合火箭模型和雪耙模型,建立了完整自洽的丝阵Z箍缩消融-内爆模型,分析了消融等离子体对丝阵Z箍缩内爆动力学的影响,得到了比零维薄壳模型合理的内爆轨迹。在考虑消融等离子体向轴运动的情况下,计算了丝阵Z箍缩的内爆时间、内爆速度和动能,并且与零维薄壳模型进行了对比。结果表明,考虑消融等离子体运动得到的内爆动能低于零维薄壳模型计算结果,其内爆动能最大值所对应的负载线质量也低于薄壳模型。     

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结合火箭模型和雪耙模型,建立了完整自洽的丝阵Z箍缩消融-内爆模型,分析了消融等离子体对丝阵Z箍缩内爆动力学的影响,得到了比零维薄壳模型合理的内爆轨迹。在考虑消融等离子体向轴运动的情况下,计算了丝阵Z箍缩的内爆时间、内爆速度和动能,并且与零维薄壳模型进行了对比。结果表明,考虑消融等离子体运动得到的内爆动能低于零维薄壳模型计算结果,其内爆动能最大值所对应的负载线质量也低于薄壳模型。     

准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.