超高速激光纹影技术测量脉冲功率驱动的磁重联现象

用超高速激光纹影技术测量了Z箍缩等离子体磁重联现象。实验采用超高速光电分幅相机,配合激光纹影技术,测量了XP-1装置上两根金属丝产生的等离子体分布,论证了超高速激光纹影技术研究Z箍缩磁重联现象的可行性。双钨丝实验结果表明,电流加载约10ns后金属丝已有明显膨胀,线性拟合得到平均膨胀速度约8km/s,金属丝内外两侧出现了规则的极有可能是垂直磁场的电热不稳定性扰动,并沿角向高度关联。铝丝负载的实验结果表明,早期的不稳定性波长为0.4mm,电流峰值之后金属丝初始位置仍有大量等离子体,后期的不稳定性波长约1.5mm。这些现象揭示了不稳定性发展的一个主要特征:短波模式受抑制,长波模式将占主导。     

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     

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.     

周期调制结构平面薄膜电爆炸实验研究

在金属层表面引入微结构以实现对Z箍缩等离子体形成和发展过程中不稳定性的调控具有重要研究价值.在“强光一号”装置上(峰值电流~1.4 MA,上升时间~100 ns),开展了针对具有一维周期性凹槽调制结构的金属薄膜的电爆炸实验研究.实验负载采用外推型平面结构,基底为30μm厚铝膜,刻蚀周期为2 mm,刻蚀深度约为10μm.通过激光阴影成像、激光干涉成像和可见光自辐射成像等系统进行联合诊断.实验结果表明刻蚀结构对等离子体发展过程的不稳定性特征产生了明显调制作用,原本征波长也受到抑制,微结构周期对不稳定结构波长产生趋同效应;未刻蚀一侧边界层同样受刻蚀层结构的影响,在不稳定结构上表现出相似形貌,且内外侧不稳定性特征的耦合关联性增强;刻蚀凹槽处在爆炸过程中膨胀更为迅速,形成的表面等离子体结构与初始结构反相;在刻蚀结构的几何突变处会形成细长的等离子体喷流,在二分之一刻蚀波长处出现波谱特征峰.理论分析表明电流密度调制造成电热不稳定性分布改变是调控作用产生的重要原因.     

铝丝阵Z箍缩辐射形成特征实验研究

基于多种诊断设备获得的物理参数和物理图像,分析了8 mm铝丝阵内爆各阶段的辐射特征。 实验结果表明,铝丝阵的先驱等离子体在形成后未出现明显不稳定性特征。在向心箍缩阶段,出现了泡-钉（bubble-spike）结构,并伴有局部热点。结合分析空间分辨能谱图像,表明热点的形成与等离子局部的高温高密状态有关。通过对X光条纹像进行时间和空间的定标,得到透过50 m Be膜的等离子体热点的空间尺寸约为0.8mm,持续时间小于10 ns。     

“强光一号”单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究

利用"强光一号"装置开展了排宽度6~24 mm、丝根数10~34、不同参数的单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究,重点研究了不同负载参数下平面型丝阵Z箍缩内爆、辐射特性随负载参数的变化规律。结果表明:平面型丝阵负载内爆过程存在先驱等离子体柱、拖尾质量等,并伴随着R-T不稳定性;在滞止后期等离子体箍缩柱受扭曲不稳定性影响明显;不同参数负载聚爆时间取决于线质量与排宽度平方的乘积值;以辐射能衡量的最优化值应位于200~400μg·cm之间,在相同值下丝间距应选择在1 mm以下为宜。实验获得的平面型铝丝阵最大X射线辐射能量22 kJ,峰值功率630 GW,最大K层辐射能量3.9 kJ,K层辐射功率158 GW。     

烧蚀引起R－T不稳定性实验条件的初步研究

激光和辐射烧蚀引起的Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ（Ｒ－Ｔ）不稳定性是激光聚变的重要研究课题，本文讨论了Ｒ－Ｔ不稳定性实验的有关要求，在考虑烧蚀致稳的情况下，对特定的塑料薄膜靶用解析公式计算了Ｒ－Ｔ不稳定性线性发展阶段的积分增长指数随扰动波长、驱动源强度和持续时间的变化。给出某些感兴趣的物理图象，提供的信息可供有关实验和靶设计参考。     

烧蚀引起R－T不稳定性实验条件的初步研究

激光和辐射烧蚀引起的Ｒａｙｌｅｉｇｈ－Ｔａｙｌｏｒ（Ｒ－Ｔ）不稳定性是激光聚变的重要研究课题，本文讨论了Ｒ－Ｔ不稳定性实验的有关要求，在考虑烧蚀致稳的情况下，对特定的塑料薄膜靶用解析公式计算了Ｒ－Ｔ不稳定性线性发展阶段的积分增长指数随扰动波长、驱动源强度和持续时间的变化。给出某些感兴趣的物理图象，提供的信息可供有关实验和靶设计参考。     

平面玻璃制成微型透镜

<正> 据日本报道,日大理工学部运用照射激光束来改变玻璃折射率的方法,成功地在平面玻璃上制成了直径为200μm 的微型透镜。所使用的是二氧化碳激光,输出功率为1～10W,波长为10.6μm,激光束直径为5mm。采用的玻璃板是厚度为1.35mm 的     

Z箍缩X射线在金属表面产生电荷分离现象

以"阳"加速器(1 MA,80 ns)驱动的Z箍缩等离子体为X射线源研究X射线加载下金属表面出现的电荷分离现象,Z箍缩负载为16根直径5μm的钨丝组成的丝阵,丝阵半径3 mm。强度107W/cm2、半高宽30 ns的软X射线脉冲通过直径5 mm的限光孔辐照半径30 mm、厚3 mm的铜盘中心,在金属表面产生了脉宽相近,幅值kV的电势。测量了该电势沿金属表面的分布,观测到微弱的调制现象。电势的极性表明电子主要沿金属表面运动而不是垂直表面运动,这表明热电效应是造成电荷分离的主要机制。入射X射线强度较弱时,电子的个体行为——光电效应、康普顿效应占主导;当入射强度较大时,弱关联的集体行为——热效应占主导;进一步增大入射X射线强度将出现强关联的集体行为——电荷密度调制状态。     

Development of instabilities in wire-array Z pinches

3D resistive MHD simulations are used to show how the properties of the "fundamental" mode of modulated ablation in wire-array Z pinches, are consistent with the growth of a modified m=0-like instability. The modulation wavelength, structure, and evolution is found to be governed by the magnetic topology and is largely independent of the initial conditions. The perturbation amplitude as a function of wire number is shown to be consistent with experimental x-ray power scaling. Simulations of an array of helical wires show a substantial reduction in the amplitude of the instability.     

Optimal wire-number range for high x-ray power in long-implosion-time aluminum Z pinches

Experiments performed on the 8-MA Saturn accelerator to investigate the effects of interwire gap spacing on long-implosion-time Z pinches have resulted in the observation of a regime of optimal wire number. The experiments varied the wire number of 40 and 32 mm diam arrays, resulting in interwire gaps from 3.9 to 0.36 mm, with fixed mass and length. aluminum K-shell powers up to 3.4 TW were measured, with long, slow rising, lower power x-ray pulses for interwire gaps greater than 2.2 mm and less than 0.7 mm, and short, fast rising, higher power pulses for interwire gaps in the range 0.7-2.2 mm.     

Visualizing shear stress in Görtler vortex flow

Shear stress distributions were obtained from velocity measurements in a concave surface boundary layer flow in the presence of Görtler vortices by means of a single hot-wire probe for several streamwise (x) locations. A set of vertical wires of 0.20 mm diameter were positioned at a distance of 10 mm upstream from the leading edge of a concave surface of radius of curvature R=1.0 m to pre-set the wavelength of the vortices so to obtain the most amplified wavelength Görtler vortices. Consequently, the wavelength of the vortices was set equal to the wire spacing and preserved downstream. In addition to the high shear regions near the wall, one positive peak at the head of the mushroom-like structures and two relatively weak negative peaks at the vicinity of the low-speed streaks are found in the iso-?u/?y contours. They are believed to be related to the formation of the inflectional point in the velocity profile across boundary layer. The occurrence of the inflection points in the spanwise distributions of streamwise velocity component u is associated with the appearance of the second peak of the ?u/?z shear near the boundary layer edge. The nonlinear effect of Görtler instability is to increase the wall shear stress, and further enhancement beyond the turbulent values is due to the presence of secondary instability.     

Radiation characteristics and implosion dynamics of tungsten wire array Z-pinches on the YANG accelerator

We investigated the radiation characteristics and implosion dynamics of low-wire-number cylindrical tungsten wire array Z-pinches on the YANG accelerator with a peak current 0.8-1.1 MA and a rising time ～ 90 ns.The arrays are made up of(8-32)×5 μm wires 6/10 mm in diameter and 15 mm in height.The highest X-ray power obtained in the experiments was about 0.37 TW with the total radiation energy ～ 13 kJ and the energy conversion efficiency ～ 9%(24×5 μm wires,6 mm in diameter).Most of the X-ray emissions from tungsten Z-pinch plasmas were distributed in the spectral band of 100-600 eV,peaked at 250 and 375 eV.The dominant wavelengths of the wire ablation and the magneto-Rayleigh-Taylor instability were found and analyzed through measuring the time-gated self-emission and laser interferometric images.Through analyzing the implosion trajectories obtained by an optical streak camera,the run-in velocities of the Z-pinch plasmas at the end of the implosion phase were determined to be about(1.3-2.1)×10 7 cm/s.     

X-ray backlighting of two-wire Z-pinch plasma using X-pinch

Two 50-μm Mo wires in parallel used as a Z-pinch load are electrically exploded with a pulsed current rising to 275 kA in 125 ns and their explosion processes are backlighted using an X-pinch as an x-ray source.The backlighting images show clearly the processes similar to those occurring in the initial stages of a cylindrical wire-array Z-pinch,including the electric explosion of single wires characterised by the dense wire cores surrounded by a low-density coronal plasma,the expansion of the exploding wire,the sausage instability (m=0) in the coronal plasma around each wire,the motion of the coronal plasma as well as the wire core toward the current centroid,the formation of the precursor plasma column with a twist structure something like that of higher mode instability,especially the kink instability (m=1).     

飞秒泵浦不同锥长微结构光纤超连续谱的产生

对飞秒脉冲泵浦下,不同锥长及锥腰直径的微结构光纤的超连续谱产生进行了实验研究。采用“快速低温拉锥方法”,在保持d/Λ不变的情况下,对实验室自制的空气孔间距Λ=6.53 μm,归一化孔径d/Λ=0.79的微结构光纤进行了拉锥,分别得到6,8,10 mm等不同锥长微结构光纤。理论计算表明,随着锥长变长,锥腰直径变小,锥腰处零色散波长向短波移动：未拉锥及6,8和10 mm锥微结构光纤锥腰处零色散波长分别为1 129,885,806和637 nm。利用中心波长为810 nm,重复频率76 MHz,脉宽120 fs的钛蓝宝石飞秒激光器对拉锥后微结构光纤进行了实验研究：锥长为6 mm时,泵浦光中心波长位于整根光纤的正常色散区,锥腰的零色散点附近,内脉冲拉曼散射和级联四波混频是光谱初始展宽的主要因素。泵浦功率达到450 mW时,在可见波段390～461 nm及红外波段1 134～1 512 nm形成-5 dB的平坦宽带连续光谱。泵浦功率达到500 mW时,出现366～2 450 nm覆盖紫外、可见、近红外、中红外的超连续谱,其光谱红蓝移边缘已经接近实验用微结构光纤的传输带宽。锥长为8 mm、泵浦功率为450 mW时,在群速度匹配和群加速度失配的共同影响下,连续谱蓝移边缘达到366 nm,比6 mm锥时蓝移9 nm;锥长为10 mm时,由于锥腰处零色散点移动到可见光区域,可见区光谱仍能满足相位匹配条件。通过级联四波混频效应,在可见区域实现了频率上转换及光谱蓝移。泵浦光功率达到500 mW时,在382～412 nm得到谱宽仅为30 nm,转换效率达到27.7%的频率上转换。     

平行面多金属钨丝Z箍缩实验研究

 利用“阳”加速器对平行面多金属钨丝（直径17 μm，丝间距1 mm，丝数3根或5根）负载进行了Z箍缩聚爆实验研究。在峰值为350 kA,上升沿约80 ns的电流作用下，使用针孔成像技术和X射线诊断技术，获得多钨丝等离子体融合图像及相应的软X射线辐射信号。对金属丝聚爆过程中负载电流变化对实验影响进行了分析，并探讨了引起聚爆过程中的等离子体柱腊肠型不稳定性、扭曲型不稳定性和“热点”及其周围弥散斑等现象的原因。