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.     

强光一号Z箍缩产生keV级特征X射线初步研究

 分析了高功率Z箍缩产生keV级特征X射线辐射的物理机理和用于计算等离子体K层辐射二能级模型，给出了采用二能级模型进行数值模拟的结果，描述了强光一号装置驱动Z箍缩负载的脉冲功率源特性参数，介绍了所设计研制的双层喷Ne气和双层铝丝阵两类Z箍缩负载的结构与参数，并对下一步拟开展的实验研究工作进行了说明。利用特制真空X射线二极管测量了强光一号双层喷氖气Z箍缩实验产生的X射线波形，实验结果表明，当气室内初始气压在0.8 MPa时，喷Ne气Z箍缩可获得较好的keV量级的X射线辐射。     

Z箍缩等离子体K壳层X射线自辐射单色成像

采用针孔配接对数螺线柱面晶体方案,研制了一种小型、靶室内置X射线单色成像器,用于获取Z箍缩等离子体K壳层自辐射单色图像。在阳加速器上对该成像器进行了测试,成功地获取了铝丝阵负载Z箍缩等离子体K壳层自辐射的类氢线与类氦线单色图像。实验结果表明:该成像器具有优异的单色性（能谱带宽小于1 eV）,适合于中低原子序数Z箍缩内爆负载的特征谱线单色图像诊断。     

系统和负载参数对喷气式Z箍缩过程的影响

利用改进的零维雪铲模型计算了喷气式Z箍缩装置的系统和负载参数（系统特征电感和电阻、气柱质量和外半径等）对电流波形和箍缩动力学过程的影响。结果表明,电流波形和箍缩过程对系统特征电感和电阻的变化非常敏感;气柱质量和外半径对电流波形的影响不大,仅影响等离子体箍缩到心的时间和速度;电感和运动阻抗随箍缩过程的进行而增大;Z箍缩装置的能量转换效率是较高的。     

Z箍缩丝阵负载微型装配系统

 在利用金属丝阵Z箍缩产生强X射线辐射的方法中,为获得超强X射线,一般采用直径几μm的钨丝构成单、双或多层圆柱面状丝阵负载,其中丝阵负载的结构和装配精度是关键因素。为制备出均匀、平直的丝阵负载,进行了Z箍缩丝阵负载微型装配系统的研制,建立了基于机器视觉、微力传感器和精密运动控制系统的Z箍缩丝阵负载微型装配实验系统。该系统成功实现了双层直径5 μm钨丝丝阵的装配,且张力控制精度达0.002 N。     

Z箍缩等离子体MHD不稳定性的简化分析

在Haines的理论模型基础上,将金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体MRT不稳定性发展的全过程划分为四个部分加以描述,并利用ZP-0D程序定性分析了丝阵参数和驱动器条件对不稳定性的影响。研究结果表明,增加丝阵的丝根数,能够明显改善Z箍缩的稳定状态,有利于提高箍缩停滞时等离子体的温度、密度及X射线产额。     

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。     

强光一号Z箍缩实验研究

 在强光一号装置驱动电流峰值1.4~2.1 MA、上升时间80~100 ns条件下,研究了喷Kr气、喷Ne气、W丝阵和Al丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性和聚爆过程。实验研究中,用分压器和两个罗戈夫斯基线圈分别测量二极管的电压和流过负载的电流波形,用过滤型X射线二极管和100~1 400 eV平能谱响应闪烁探测器测量X射线时间谱,用镍薄膜量热计测量X射线总能量,用纳秒时间分辨软X射线图像诊断系统记录了Z箍缩的聚爆过程,用时空分辨的椭圆弯晶谱仪诊断了Z箍缩等离子体产生的keV级特征X射线的能谱分布。其中,喷Kr气负载的X射线辐射总能量大于60 kJ,峰值功率约1.7 TW,总能量转换效率可达23%;W丝阵负载的辐射总能量大于30 kJ,峰值功率约1.30 TW,总能量转换效率约为12.5%;喷Ne气负载的keV级辐射总能量5.6 kJ,峰值功率约256 GW,能量转换效率可达2%; Al丝阵负载的keV级辐射总能量2.3 kJ,峰值功率约94 GW,能量转换效率可达0.8%。喷气负载在Z箍缩聚爆过程中存在“拉链”现象,丝阵负载在Z箍缩聚爆过程中存在先驱现象。     

碳气凝胶薄片的制备及表面密度致密层去除工艺

研究了不同密度和厚度的碳气凝胶薄片的制备及其表面致密层去除工艺。在以间苯二酚、甲醛为原料制备有机及碳气凝胶块体材料的基础上,结合自制活动式微模具成型工艺,制备了厚度在80~350 μm,密度在50~600 mg·cm-3范围内变化的碳气凝胶薄片。采用场发射扫描电镜、X射线相衬成像和表面轮廓仪-台阶仪等手段对其表面和内部微观结构进行了表征。测试结果表明,碳气凝胶薄片与块体的内部结构相同,但薄片表面存在一层和内部结构截然不同的致密层。采用不同粗糙程度的材料对薄片进行了表面微处理,成功去除该致密“皮”层。     

5 MA 100 ns重频LTD驱动器设计

设计了用于Z箍缩丝阵实验的重频LTD驱动器, 含6路并联模组, 每组由8个0.8 MA原型模块串联组成, 全真空结构。原型模块采用全新的单路触发和电感隔离技术, 触发难度和重频运行可靠性得到显著优化。利用电路模拟程序对驱动器进行了仿真计算, 结果表明:在初始半径1.2 cm、线质量1 mg/cm的Z箍缩负载上, 驱动器的输出电流峰值可到5.2 MA, 前沿91 ns;负载内爆最大动能78 kJ, 从电容储能至负载动能的转化效率为11.7%。该驱动器预期将获得高达20%~30%的辐射能量效率, 可为Z箍缩物理研究提供高效的实验平台。     

Silica Aerogel: Synthesis,Characterization, Applications,and Recent Advancements

Silica aerogels have drawn considerable attention due to their low density (almost 95% of the total volume is composed of air), hydrophobicity, optical transparency, low conductivity of heat, and large surface to volume ratio. Sol–gel processing is used to prepare aerogels from molecular precursors. To replace the pore fluid with air while retaining the solid network, a supercritical drying process (the most frequent approach) is used. However, recent technologies use atmospheric pressure to allow for liquid removal followed by chemical alteration of the gel's internal layer, which leaves only a silica network with a porous structure filled with air. This study discusses the sol–gel method for preparing silica aerogels and their various drying processes. Furthermore, various areas of applications of silica aerogels, including electronics, construction, aerospace, purification of water and air, sensing, catalyst, biomedical, absorbent, food packing, textile, etc., are also discussed. Lastly, this review provides a perception of the recent scientific progress along with the futuristic development of silica aerogel.     

间苯二酚-甲醛凝胶自发成膜技术研究

 以间苯二酚和甲醛为原料，对水相溶胶-凝胶聚合自发成膜技术获得间苯二酚-甲醛(RF)凝胶薄膜进行了研究。主要研究了溶胶-凝胶过程中冰醋酸（HAC）含量和反应温度对凝胶过程的影响，分析了RF有机凝胶自发成膜的形成机理。IR和SEM分析表明，所得到的凝胶膜具有典型的RF有机气凝胶结构，薄膜厚度大约为50 μm，膜由直径10 μm左右的粒子组成，没有观察到明显的孔洞结构。分析认为，在间苯二酚和甲醛占总溶液的质量分数为67％左右及控制pH值在一定的酸性范围，RF凝胶自发成膜过程和机理可以用RF凝胶的收缩机理加以解释，RF自发膜的表面形貌及形成机理与均匀泡沫的连续相分离机理类似。     

Buckling instability in liquid crystalline physical gels

In a nematic gel we observe a low-energy buckling deformation arising from soft and semisoft elastic modes. We prepare the self-assembled gel by dissolving a coil-side-group liquid-crystalline polymer-coil copolymer in a nematic liquid crystal. The gel has long network strands and a precisely tailored structure, making it ideal for studying nematic rubber elasticity. Under polarized optical microscopy we observe a striped texture that forms when gels uniformly aligned at 35 degrees C are cooled to room temperature. We model the instability using the molecular theory of nematic rubber elasticity, and the theory correctly captures the change in pitch length with sample thickness and polymer concentration. This buckling instability is a clear example of a low-energy deformation that arises in materials where polymer network strains are coupled to the director orientation.     

超细钼丝亚硫酸盐脉冲镀金实验研究

 超细钼丝是Z-pinch物理实验常用的材料之一。采用亚硫酸脉冲镀金技术，在超细钼丝上镀制一层均匀致密的金层来改善钼丝性能。实验研究和优化了影响镀层质量和沉积效率的主要工艺条件，优化后的阴极电流密度2 mA/cm²，溶液pH值8.5，溶液温度40°。用扫描电镜观察镀金钼丝的表面形貌及镀层质量；用划痕法测试了镀层与钼丝表面的结合力。实验结果表明，采用经过优化的镀金工艺能够在直径小于15 μm的钼丝上镀制厚度0.6~2.5 μm的致密金层，且能够有效地降低钼丝表面的粗糙度和提高抗氧化能力，满足Z-pinch实验的需要。     

CO2活化温度对碳气凝胶结构及氢吸附性能影响

 以间苯二酚(R)和甲醛(F)为前驱体制备出RF碳气凝胶,并利用CO₂气体对其进行活化,通过热重分析(TG)、X射线衍射(XRD)、氢吸附等表征手段研究了活化过程中温度对碳气凝胶微结构及氢吸附性能的影响。结果表明：CO₂活化可使碳气凝胶比表面积大幅提高,且不会影响其微孔网络结构。随着活化温度的升高,碳气凝胶非晶性变得更加明显,失重率显著增加,微孔体积、比表面积及氢吸附量先增后减,有望通过改变CO₂活化温度增加碳气凝胶微孔数量来提高其氢吸附性能。     

时间分辨晶体谱仪在Z箍缩等离子体中的应用

在装置阳加速器上,使用椭圆弯晶谱仪对Al丝阵Z箍缩实验的X射线辐射特性进行了研究。在谱仪结构中,使用椭圆面的晶体作为分光元件,采用PIN阵列作为记录元件实现时间分辨测量,同时用成像板记录时间积分结果。在Al丝阵Ｚ箍缩实验中,获得了时间分辨的Al等离子体Ｋ壳层辐射谱,用基于碰撞-辐射模型的K壳层线辐射谱分析程序对Al丝阵Z箍缩的实验数据进行了分析,获得了Al丝阵等离子体的时间分辨的电子温度和时空平均的电子数密度参数。     

触发电压对±100 kV多级多通道开关性能的影响

研制了一种用于快脉冲直线型脉冲变压器的±100 kV多级多通道火花开关,研究了触发电压极性、幅值对多级多通道火花开关触发性能的影响,分析了不同触发电压下开关各部分延时及抖动。研究结果表明:触发电压的极性对双极性多级多通道火花开关触发性能影响较小;开关的触发放电延时和抖动随着触发电压的增大而减小。进一步分析了多级多通道火花开关的触发击穿模式以及影响开关击穿延时和抖动的主要因素,提出了减小开关触发击穿延时及抖动的技术途径。     

Electronic properties of epitaxial 6H silicon carbide

The electrical conductivity and Hall coefficient were measured in the temperature range from 78 to 900 K for n-type epitaxially grown 6H silicon carbide. A many-valley model of the conduction band was used in the analysis of electron concentration as a function of temperature. From this analysis, the density of states mass to the free electron mass ratio per ellipsoid was calculated to be 0.45. It was estimated that the constant energy surface of the conduction band consists of three ellipsoids. The ionization energy of the shallowest nitrogen donor was found to be 105 meV, when the valley-orbit interaction was taken into account. The electron scattering mechanisms in the epitaxial layers were analyzed and it was shown that the dominant mechanism limiting electron mobility at high temperatures is inter-valley scattering and at low temperatures (200 K), impurity and space charge scattering. A value of $\text{360}\text{cm}{}^2\text{V}$ sec was calculated for the maximum room temperature Hall mobility expected for electrons in pure 6H SiC. The effect of epitaxial growth temperature on room temperature Hall mobility was also investigated.     

Indirect-drive inertial confinement fusion using highly supersonic,radiatively cooled,plasma slugs

We present a new approach to indirect-drive inertial confinement fusion which makes use of highly supersonic, radiatively cooled, slugs of plasma to energize a hohlraum. 2D resistive magnetohydrodynamic simulations of slug formation in shaped liner Z-pinch implosions are presented along with 2D-radiation-hydrodynamic simulations of the slug impacting a converter foil and 3D-view-factor simulations of a double-ended hohlraum. Results for the Z facility at Sandia National Laboratory indicate that two synchronous slugs of 250 kJ kinetic energy could be produced, resulting in a capsule surface temperature of approximately 225 eV.