平面丝阵负载Z箍缩内爆动力学一维图像诊断

利用可见光条纹相机对单排和双排平面丝阵内爆动力学过程诊断中的初步实验结果,并对其进行了分析. 实验结果表明,单排平面丝阵相邻单丝等离子体之间并不是发生完全非弹性碰撞,部分等离子体会越过丝阵平面在中心形成先驱等离子体柱;双排平面丝阵中流过外部丝的电流要比内部丝大,烧蚀过程占整个内爆时间约65%,且只有部分质量参与了内爆过程. 关键词： 条纹相机 平面丝阵 Z箍缩 内爆动力学     

Z箍缩丝阵烧蚀的简单模型数值模拟

丝阵烧蚀在丝阵Z箍缩动力学中扮有重要角色,透彻理解丝阵烧蚀对于丝阵Z箍缩动力学的研究至关重要。采用简单模型数值模拟了烧蚀过程,该模型物理上采用绝热、单流体、单相、磁流体力学近似,数值上采用欧拉法结合保单调输运格式来离散。数值结果很好地展示了烧蚀过程的主要特征,例如芯-冕结构、径向等离子体流、轴线上先驱等离子体柱的形成、静止丝芯的长寿命以及延长的烧蚀期,一些关键时间参数定量或定性地相符于文献报道的实验和数值结果,例如冕等离子体角向融合的时刻、等离子体首次到达轴线的时刻、丝芯静止持续的时间、最后的箍缩滞止时刻,但某些方面略有差异。     

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。     

单丝及多丝Z箍缩的X射线背光成像

基于X箍缩软X射线辐射点源对单丝及多丝Z箍缩发展过程进行了背光成像研究,实验平台为清华大学电机系研制的脉冲功率装置PPG-Ⅰ（500 kV/400 kA/100 ns）。成像光路安排为:作为X射线源的X箍缩和作为目标物的单丝或多丝（双丝）Z箍缩分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间或回流导电杆处,成像胶片采用高分辨力、高灵敏度的X射线胶片。利用自行设计的电流传感器和罗氏线圈对目标物实际流过的电流进行监测。为了测定目标物金属细丝的质量消融率,设计了m级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了Z箍缩等离子体融合、先驱等离子体形成及不稳定性发展等过程的相关物理图像以及质量消融率、丝芯膨胀率等重要定量参数。     

HL-2A等离子体边界识别的研究

利用电流丝模型编写的电流丝编码和采集到的18个磁探针测量数据、等离子体电流和极向场线圈电流的数据做了重建HL-2A等离子体边界的研究。计算结果表明,电流丝编码能够正确地识别等离子体的边界、偏滤器位形和X点的位置。计算获得的偏滤器内外靶板上打击点出现和消失的时间与布置在偏滤器靶板上静电探针测量到的信号很好地符合。在Pentium 4的PC个人计算机上(CPU为2.4GHz, 800MHz总线)计算每一个时刻的等离子体边界时间小于1ms。     

激光烧蚀脉冲放电激发的土壤等离子体电子数密度和温度的研究

以激光烧蚀快脉冲放电激发土壤为例,研究了激光烧蚀快脉冲放电等离子体技术产生的土壤等离子体的电子数密度和温度。根据实验测得的Si原子和离子谱线的强度和萨哈玻尔兹曼方程,计算了等离子体的电子温度,并从分析Si I 250.69nm谱线的斯塔克展宽中导出了等离子体的电子数密度。与使用同样激光能量激发的激光等离子体相比,激光烧蚀快脉冲放电激发等离子体的电子数密度和温度都明显增加,与观察到的光谱信号强度是一致的。     

激光诱导等离子体电信号探测

准分子激光烧蚀固体样品产生激光等离子体,用外加直流电场方法收集电子、离子.分析了电流信号的成因以及信号的时间演化特性.得到了电流信号强度与外加电压、缓冲气压和激光能量之间的关系.     

丝阵Z箍缩早期消融等离子体动力学的二维数值模拟研究

采用理想磁流体力学模型,给出合理的二维(r, θ)质量注入边界条件,对丝阵Z箍缩早期消融等离子体的动力学过程进行了二维(r, θ)数值模拟研究,得到消融等离子体各参量以及磁场的二维时空分布.模拟结果表明,消融等离子体的运动包括四个主要阶段:首先向轴漂移,然后在轴线处滞止并形成先驱等离子体柱,随后先驱等离子体柱被压缩,最后缓慢膨胀.计算了不同丝阵半径和丝间距情况下消融等离子体到轴速度以及消融质量占丝阵总质量的份额,它们的变化规律与实验结果基本符合.通过 关键词： 丝阵Z箍缩 理想磁流体 消融等离子体     

用可移动电流丝方法重建HL-2A等离子体边界的研究

根据Shafranov电流密度矩理论，给出了用可移动电流丝方法重建HL-2A装置等离子体边界的具体计算方法，研究了用可移动电流丝方法(VCF法)重建边界的可行性.VCF法与固定电流丝方法(FCF法)和有限电流元法(FCE法)相比，最大的优点就是用1—3个可移动电流丝就可以准确地重建位置和小半径快速变化的等离子体位形，这正好弥补了FCF法的不足.将可移动电流丝方法和FCF法相结合，可以实现全程等离子体放电的边界实时显示和等离子体的位形控制. 关键词： 可移动电流丝方法 边界识别     

Z箍缩等离子体磁重联现象

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴心形成先驱等离子体。估算表明重联层的厚度与离子的惯性长度具有相同的数量级,电流片内电子运动和离子的运动是解耦合的。在内爆滞止阶段电荷分离产生强的径向电场,这个电场将磁能转化为等离子体轴向(z方向)动能,内爆动能和轴向动能共同转化为X射线辐射能,以此解释了X射线能量大于内爆动能这一观测结果。分析了磁重联电磁脉冲的性质,对于1 MA驱动条件,电磁脉冲的总能量可达kJ量级。     

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).     

Modifying wire-array Z-pinch ablation structure using coiled arrays

A new wire-array configuration has been used to control the modulation of ablated plasma flow for the first time. Cylindrical aluminum coiled arrays, in which each straight wire is replaced with a single helix, were driven by a 1 MA, 240 ns current pulse. Ablated plasma is directed away from the coiled wire cores in a manner that can be understood in terms of Lorentz forces that arise from a complex current path modeled by 3D magnetohydrodynamic simulations. Outside the diameter of the helix, the flow of ablated plasma is axially modulated at the wavelength of the coil.     

用X-pinch对双丝Z箍缩进行轴向X射线背光照相

利用PPG-1脉冲电流源(400 kA, 100 ns), 同时驱动X-pinch和双丝Z箍缩负载. 用X-pinch作为X射线源, 对双丝Z箍缩进行了轴向背光照相的初步实验. 得到了双丝Z箍缩在r-θ 平面上随时间演化的图像, 观察到了丝阵Z箍缩所有早期过程, 包括丝芯膨胀、冕层等离子体产生、等离子体向丝阵中心的运动、先驱等离子体形成. 利用阶跃光楔滤片, 对上述背光图像进行了等离子体质量面密度的标定, 首次得到了在r-θ平面上双丝Z箍缩等离子体质量面密度的时空分布图像.     

丝阵Z箍缩可见光辐射区径向变化过程

 在“强光一号”上进行的Z箍缩实验中,利用1维可见光成像系统获取了丝阵内爆可见光辐射区径向变化过程图像。采用的负载包括单层钨丝阵、单层铝丝阵,驱动电流为1.3~1.5 MA,上升时间89~140 ns。实验结果表明:丝阵内爆产生轴向先驱等离子体柱,尺寸为0.3~0.5 mm;丝阵在内爆和内爆到芯及冷却飞散阶段,外围区域始终存在较弱的可见光辐射;获得的可见光条纹像提供了丝阵等离子体内爆可见光轨迹,内爆径向压缩比为2.84～7.84,丝阵内爆速度为4.60×10⁶～1.73×10⁷ cm/s。     

Z箍缩丝阵负载区域的似稳态磁场分布

 将负载区域的电流（丝阵电流、阴极板电流、阳极板电流和回流柱电流）离散成电流线或电流面等电流微元,根据毕奥-萨伐尔定律,计算所有电流微元在指定场点的磁场,再通过叠加给出该点的总磁场。研究结果发现:在丝阵外围区域,仅由丝阵电流所产生的磁场偏离无限长直导线磁场公式的值,但全部电流所产生的总磁场与公式给出的值很接近。同时,研究了不同负载结构参数下的磁场分布,结果表明：增加丝根数有助于减小单根丝表面的局部磁场,改善丝阵外围磁场分布的均匀性。     

Two dynamics modes in planar wire array Z pinch implosion

Two dynamics modes,named short ablation mode and long ablation mode,are observed in implosion experiments of planar wire array Z pinch on ’QiangGuang-I’ facility utilizing an optical streak camera.The long ablation mode has a lagged trajectory compared with the short ablation mode.For shot 10035 in a short ablation mode,the initial time of K-shell radiation is consistent with the interaction time for ablation plasma arriving at the centre of wire array,while for shot 10038 in long ablation mode,the initial time of K-shell radiation is about 10 ns earlier.In the two modes,the partial ablation plasma could traverse the wire array plane and then collide in the centre to form a dense plasma column with a diameter of 2.2 mm for shot 10035 and 1.5 mm for shot 10038.     

Effect of radial-electric-field polarity on wire-array Z-pinch dynamics

The formation of plasma in wire-array Z-pinch experiments was found to depend upon the polarity of the radial-electric field near the wires. Reversing the radial-electric field midway along the length of an array resulted in the ablation rate of one-half of the array being reduced by 50%, significantly delaying the start of its implosion and altering its acceleration towards the axis. The observed phenomena cannot be explained by the standard magnetohydrodynamic models of array behavior, suggesting that effects such as electron emission may be important, especially during wire initiation.     

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.