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。     

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。     

Z箍缩丝阵负载参数的优化设计

 以俄罗斯S-300 Z-pinch 装置的负载电流波形为基准，利用Z箍缩的质点模型对钨丝阵负载的初始半径和线质量进行了系统的优化计算，得到了不同电流幅值的电流波形所对应的优化丝阵负载参数。发现了负载最大内爆动能与负载电流幅值的平方成正比关系。电流上升时间对最优丝阵负载参数的影响的计算表明，随着负载电流上升时间的增大，负载的最优线质量也要增大。     

基于多质点模型的准球形丝阵参数优化研究

基于多质点薄壳模型对准球形丝阵负载参数进行优化,使得终态等离子体具有预期的内爆特性。通过对丝阵初始位形优化,可以获得期望的终态等离子体壳纵横比,并且终态纵横比对负载初始质量变化不敏感。对于固定电流波形(峰值1.2 MA、上升时间80ns),优化计算了初始丝长度15.4mm的丝阵线质量。结果表明,当丝阵初始线质量约为150μg/cm时,赤道半径为2mm、纵横比为1的终态等离子体壳具有最大动能1.5kJ。同时,还针对不同幅度及上升时间的电流进行优化计算,计算结果表明终态等离子体壳的优化的最高动能与电流峰值平方成正比,与最高动能相应的线质量与电流上升时间平方成正比。     

Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析

实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率。为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayle igh-Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析。分析表明:双层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性。     

丝阵Z-pinch等离子体辐射图像

研究了丝阵负载Z-pinch的气化及电离过程、等离子体形成及融合过程、等离子体的不稳定性及其发展、先驱等离子体的产生机制及其辐射特性、双层丝阵负载内外层丝阵等离子体的内爆碰撞辐射过程、内爆聚心时刻X光辐射快速变化过程及能量转换机制。在“强光”1号、俄罗斯S300及ANGARA-5-1装置上获得了较全面地反映内爆物理过程的实验结果。     

Z箍缩驱动器与丝阵负载耦合特性研究

以丝阵内爆零维模型为基础,采用Pspice模拟行为建模方法,建立了丝阵内爆动态电感与Z箍缩驱动器耦合的全电路模型,实现驱动器放电过程与丝阵内爆过程的自洽求解,并研究了丝阵参数、电路参数对内爆过程的影响.结果表明:丝阵负载与驱动器存在强耦合关系,丝阵参数、电路参数对丝阵峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能影响很大;在驱动器参数不变,内爆时间不超过电路固有放电周期1/4的前提下,峰值箍缩电流、内爆时间、内爆动能随丝阵质量的增加而增大,内爆时间随丝阵初始半径的增加而增大;在丝阵参数不变时,随着驱动器等效电容的增大,内爆时间减小,丝阵内爆动能增大,但驱动器储能转化为内爆动能的效率却先增大后减小.对于特定的驱动器,优化的丝阵参数应使内爆过程充分利用驱动器固有放电周期的上升沿,使丝阵快速收缩的时间起点接近电路固有放电周期的四分之一,以获得最大的动能效率. 关键词： Z箍缩驱动器 零维内爆模型 模拟行为建模 耦合特性     

"强光一号"Al丝阵Z箍缩产生K层辐射实验研究

在"强光一号"加速器开展了Al丝阵Z箍缩产生K层辐射的实验研究,固定Al丝线径20 μm、丝阵直径12 mm,丝根数为8和12的负载获得K层产额分别为0.9 kJ/cm和1.1 kJ/cm,明显高于16和24根丝负载.辐射功率波形和时间分辨的X射线图像显示,低丝数负载存在拖尾质量引起的多次内爆现象.在60%-80%的内爆时间内,丝阵几乎停留在初始位置;主体内爆在随后的25-30 ns内完成,将部分等离子体留在初始位置,形成质量的拖尾分布;内爆后期驱动电流向外围的拖尾质量迁移,引发二次乃至三次内爆,后续内爆对K层辐射也有相当贡献.拖尾质量的出现与单丝等离子体上形成的轴向调制结构及不均匀性的发展有关.     

Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

“强光一号”装置上部分Z箍缩实验结果的物理分析

从原子的电离能和维持等离子体所需能量出发，给出了估算任一元素材料，要产生任一壳层的X射线辐射，每个离子(原子)所需要的基本能量和要达到的内爆箍缩速度的方法.对“强光一号”加速器上典型的氪喷气和部分钨丝阵Z箍缩实验的电流和电压波形所蕴涵的丰富物理信息进行了分析，得到了电感和洛伦兹(Lorentz)力做功等物理量的变化规律以及负载参数变化对它们的影响.该电感与基于壳层模型计算出的电感有较大的差异.前者随箍缩开始而缓慢增大，甚至在箍缩到心和飞散后还在增大，最后大致稳定在100 nH附近.差异可能是由于壳层模型过于简化和电流电压的测点同负载有一定的距离而造成的.当丝阵直径为8 mm时，洛伦兹力做功最大；当丝阵直径相同时，丝数较大时，洛伦兹力做功也较大.同时还对该加速器的喷气和丝阵负载的线质量进行了优化，表明也是直径为8 mm的钨丝阵为最佳负载，这同实验的优化结果也一致.     

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.     

强光1号装置上钨丝阵列的Z箍缩实验研究

本文报道了2003年在强光一号装置上进行的钨丝阵列的Z箍缩实验研究的主要结果。为了研究钨丝阵列的内爆过程和x光辐射特性，使用了x光功率谱仪和一维时空分辨x光成像系统等诊断设备。实验中由32根5微米钨丝组成的直径8mm长20mm的优化负载获得了最高能量为36.6kJ的x光产额，一维时空分辨x光成像系统的数据显示x光辐射区域以6.4×10⁶cm/s的速度减小，同时x光峰值时刻出现在等离子体被压缩到近轴区域之前。     

S-300装置铝丝阵内爆X光辐射特性

 零维模型负载优化设计制作的单层和双层铝丝阵负载,在俄罗斯S-300强流发生器上,利用“狭缝+闪烁体+光电探测器”X光功率测量系统对X光辐射特性参数进行了诊断。实验获得单层丝阵负载的辐射功率为(0.31±0.19) TW,辐射总能量为(16.93±7.45) kJ,脉宽为(18.41±5.00) ns;双层丝阵负载的辐射功率为(0.37±0.12) TW,辐射总能量为(16.40±3.99) kJ,脉宽为(13.45±3.50) ns。实验结果表明,双层丝阵负载辐射功率高于单层19.4%,信号脉宽窄4.96 ns。     

“阳”加速器丝阵负载内爆数值模拟

基于描述Saturn装置的ZORK模型,使用Pspice语言建立了适用于阳加速器计算使用的金属丝阵负载模型并进行了相关计算,经过数值模拟与阳加速器1050#,1043#等相关实验结果的对比,验证了驱动电路与相关模型设计的正确性,并对计算结果进行了讨论,给出了此负载模型的适用性分析。使用计算得到的阳1050#加载电流曲线,进行了1维磁流体力学计算,给出内爆时间、辐射功率峰等相关参数。     

喷气Z箍缩内爆等离子体的雪铲模型

 在喷气Z pinch内爆等离子体研究中，雪铲模型是一种常用的、比较简单的物理模型。根据实验中提供的电流波形，负载线质量和初始半径，可以通过雪铲模型来估算内爆到心的时刻。根据一维运动方程和不同构形下的解析解以及部分实验结果相结合，讨论了雪铲模型的适用范围。数值计算的内爆时间和实验（Gamble II, Double EAGLE, BLACKJACK 5）测量值符合得较好。结果表明，雪铲模型在喷气Z pinch实验的负载优化设计研究中是很有参考价值的方法。