双层钨丝阵的Z箍缩动力学过程研究

基于Z箍缩零维模型、丝阵碰撞假设和箍缩动能最大化的优化原则，对美国Sandia实验室Z装置的典型双层钨丝阵负载进行了优化分析，结果表明它基本上是优化的.在丝阵碰撞假设下，利用一维三温辐射磁流体力学程序对其箍缩过程进行了数值模拟，模拟结果再现了Z箍缩过程的一维时空演化过程，得到了内外层丝阵的运动轨迹和驱动电流在它们之间的转移规律，并将计算得到的宏观结果与实验结果进行了比较.表明丝阵相互作用的碰撞假设有合理性. 关键词： Z箍缩 双层钨丝阵 零维模型 一维辐射磁流体     

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。     

等离子体喷射轴心铝丝的磁流体动力学模拟

使用自编的一维双区MHD程序对POW构型从铝衬套汽化形成等离子体然后在电流的箍缩作用下箍缩到轴心铝丝(或铝等离子体)上并对其进行压缩的整个箍缩过程进行了计算。装置参数使用LANLPegasusl装置参数。即电压V=88．0kV，电容C=216UF，电阻R=0．30mΩ，总电感L=36nH，电容器总储能为1MJ。     

电感分布对双层丝阵Z箍缩内爆动力学模式的影响

采用等效电路和零维分析方法,建立了双层丝阵Z箍缩内爆动力学的物理模型. 研究了内、外层丝阵电感分布及其变化对双层丝阵内爆动力学模式的决定性影响,结果表明丝阵的初始电感决定了初始电流分配,动态电感变化影响丝阵内爆的动力学过程. 提出由于电感的变化可能存在四种不同的双层丝阵内爆动力学模式. 针对“强光一号”装置Z箍缩双层丝阵负载参数进行计算分析,可以得到外层等离子体穿透内层先运动到芯的动力学模式,与其他低电流装置在实验上观察到的物理图像一致. 关键词： Z箍缩内爆等离子体 双层丝阵负载 电感 动力学模式     

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序.对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息.发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散.Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.     

Z箍缩动态黑腔阴影像诊断研究

为了获得填充泡沫的钨丝阵动态黑腔动力学演化图像, 研究钨等离子体与泡沫柱的相互作用形式, 在1 MA脉冲功率装置上设计了四分幅紫外探针光(266 nm)阴影成像系统, 该系统时间分辨为2.5 ns, 静态空间分辨优于70 μm, 径向阴影图像展示了从固体丝膨胀消融到先驱等离子体与泡沫相互作用, 从泡沫的箍缩到反弹膨胀的全过程. 图像显示了在长约50 ns时间内丝等离子体以雨的形式持续与泡沫相互作用, 在整个箍缩阶段并未观察到等离子体壳层结构. 定量分析表明泡沫柱的最小箍缩速度为1.0×10⁶ cm/s, 最大箍缩速度为6.0×10⁶ cm/s, 在轴上滞止的直径约为1 mm. 通过对数值模拟计算结果的讨论, 明确了在Z箍缩等离子体状态下阴 影成像结果主要反映了逆轫致吸收效应, 与径向功率波形的时间关联给出了钨等离子体主体与泡沫柱相互作用时刻的图像. 关键词： 动态黑腔 阴影像 箍缩速度     

阳极杆箍缩二极管产生X射线能谱的模拟计算

采用粒子模拟,得到了阳极杆箍缩二极管阳极钨针上电子的空间分布和入射角分布,分析二极管工作状态得到了电子的能量分布.在此基础上建立阳极杆箍缩二极管的蒙特卡罗模型,模拟得到了阳极杆箍缩二极管的辐射能谱和X射线的平均能量,并与实验结果进行了比较.结果表明:09006炮光子平均能量为0.441 MeV,计算该能谱射线经过不同厚度铅衰减片后的剂量衰减情况,与叠片法PIN探测器所测的实验数据基本一致. 关键词： 阳极杆箍缩二极管 粒子模拟 蒙特卡罗方法 X射线能谱     

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。     

Z箍缩内爆过程中的能量转换机制研究

利用一维三温辐射磁流体力学程序对氖气和铝丝阵Z箍缩内爆过程中的能量转换过程进行了详细的数值研究，发现在内爆过程中离子和电子之间的碰撞能量交换是最主要的能量交换过程，其次是电子和光子之间的光电过程和轫致过程，而康普顿散射过程中的能量交换可以忽略不计；辐射出的x射线主要是在光电激发和光电复合过程中产生的，其次是在轫致辐射过程和康普顿散射过程中产生的.理论分析表明，辐射出的x射线能量可以超过，也可能小于其等离子体最大动能.数值模拟结果表明，在氖气Z箍缩中，辐射出的x射线能量没有超过其等离子体最大动能，而在铝丝阵列内爆中，辐射出的x射线能量超过了其等离子体最大动能，但小于磁压所做的功；在整个Z箍缩过程中欧姆加热能量是较小的. 关键词： Z箍缩 能量转换 x射线辐射     

X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。     

Time resolved studies on X-rays and charged particles emission from a low energy plasma focus device

The time resolved studies on soft X-ray, hard X-ray, electron beam and ion beam emissions from a low energy plasma focus device are carried out simultaneously by employing a photodiode X-ray spectrometer, a scintillator photomultiplier tube, a combination of Faraday cup and Rogowski coil assembly and a biased Faraday cup, respectively. The soft X-ray is seen to be emitted in short multiple pulses corresponding to different pinch stages where as it is a single for hard X-ray, which corresponds to only maximum pinch stage. Similarly, multiple pulses of electron beam is found, which also corresponds to different pinch stages and these pulses are analogous with the soft X-ray pulses. The effective hard X-ray photon energy is estimated by foil absorption technique and found to be around 110 keV, which is consistent with the observed electron beam energy distribution. The simultaneous investigation of the electron and ion beam shows that both are accelerated by the same local field generated during the pinching process. The detailed results of time resolved studies on various radiations are incorporated in this Letter.     

1.2MV“天蝎”X光机杆箍缩二极管性能模拟

为了深入研究杆箍缩二极管的物理性能,采用蒙特卡罗方法对中国工程物理研究院流体物理研究所1.2 MV"天蝎"X光机的杆箍缩二极管进行模拟研究,包括PIC模拟和光电子输运模拟。着重分析了杆箍缩二极管结构参数与阻抗及出光剂量等的关系,发现阻抗和出光剂量与阴阳极半径比正相关,而出光剂量和杆探出长度正相关。提出一种阻止阴极盘后表面发射电子的设想,有望显著提高X射线辐射剂量。     

数百千伏电压下杆箍缩二极管模拟

为了探索杆箍缩二极管(RPD)在冲击加载下物质低密度区成像应用中的可行性,开展了低电压(≤500 kV)运行条件下RPD箍缩物理特性模拟研究。基于Particle-in-cell(PIC)模拟方法,从二极管加载电压幅值、阴极盘厚度、阴阳电极孔径比等方面开展了二极管模拟,从电子箍缩效率、质子流、电子利用率、电场和磁场分布等角度对箍缩物理过程进行了分析。模拟表明:低电压运行条件下普通结构二极管电流较低,不能为电子提供足够的磁场力从而导致较低的电子箍缩效率;采用组合杆结构,并优化阳极杆到轫致辐射靶区的过渡区设计,是在低电压条件下实现小焦斑、高剂量辐射光源的值得探索的技术途径。     

Double Layers and Circuits in Astrophysics

As the rate of energy release in a double layer with voltage ?V is P ? I?V, a double layer must be treated as a part of a circuit which delivers the current I. As neither double layer nor circuit can be derived from magnetofluid models of a plasma, such models are useless for treating energy transfer by means of double layers. They must be replaced by particle models and circuit theory. A simple circuit is suggested which is applied to the energizing of auroral particles, to solar flares, and to intergalactic double radio sources. Application to the heliospheric current systems leads to the prediction of two double layers on the sun's axis which may give radiations detectable from Earth. Double layers in space should be classified as a new type of celestial object (one example is the double radio sources). It is tentatively suggested that X-ray and ?-ray bursts may be due to exploding double layers (although annihilation is an alternative energy source). A study of how a number of the most used textbooks in astrophysics treat important concepts such as double layers, critical velocity, pinch effects, and circuits is made. It is found that students using these textbooks remain essentially ignorant of even the existence of these concepts, despite the fact that some of them have been well known for half a century (e.g., double layers, Langmuir, 1929; pinch effect, Bennet, 1934).     

Application of microwave reflectometry for plasma density diagnostics in a reversed-field pinch machine

The implementation of reflectometry as a means of measuring plasma density is examined in relation to the reversed-field pinch machine. The effects of magnetic shear and density fluctuations are studied. Ray-tracing and simulation results are presented and the proposed reflectometer system for the RFX reversed-field pinch machine is described.     

丝阵Z箍缩实验1维X光辐射功率分布

 在Angara-5-1联合实验中，利用条纹像机和光纤阵列实现时间分辨和1维空间分辨，得到了丝阵条纹像，观察到丝阵负载箍缩区X光辐射的1维轴向空间分布信息随时间的演化过程，考察了内爆的同步性和均匀性。通过对比不同结构负载内爆等离子体X光1维时空分布信息，发现由于内层等离子体对磁流体瑞利-泰勒不稳定性的抑制作用，(40+20)根双层钨丝阵比60根单层钨丝阵的内爆轴向同步性好，产生的X光辐射功率高；由于负载存在弯曲、断丝、扭曲等现象，(60+30)根双层钨丝阵比90根单层钨丝阵的轴向同步优势不明显；轴向同步性好与辐射功率高之间存在相关性；辐射波形前沿较快时，X光功率较高。     

等离子体喷射轴心铝丝的磁流体动力学模拟

 采用一维拉格朗日磁流体力学（MHD）程序研究了等离子体喷射轴心单丝的物理现象，给出了碰撞后铝丝受热膨胀和最后箍缩到轴心的整个过程图像，指出这一设计方法能在轴心丝上获得较高的电流上升率和较高的轴心压缩密度，并还给出了箍缩所得的功率和能量曲线。     

Z箍缩内爆产生的电磁脉冲辐射

讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆,部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明,电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA,10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验,根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW,能量约为0.5 J,能量转换效率约为10^-7;峰值频率位于20–70 MHz,具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW,能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下,电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方,随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式,本文的研究结论表明,在更高的驱动电流下,电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径,势必会对诊断设备造成严重影响;此外,这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值. 关键词： Z箍缩 内爆 电磁脉冲     

Z箍缩等离子体X射线凸晶谱仪

 针对波长为0.3~0.5 nm的喷气箍缩等离子体X射线诊断,研制了一种适用的高空间分辨的晶体谱仪。色散元件采用云母（002）凸面晶体,布拉格角为37°,信号采用X射线胶片进行接收,有效接收面积为30 mm×80 mm。物理实验在“阳”加速器装置上进行,胶片获得了氩喷气K,L壳层光谱信号,其光谱范围较宽,为0.31~0.40 nm。经解谱发现,类氦谱线有明显的基底,用最小二乘法拟合包络曲线去噪处理后,得到类氦谱线光谱分辨力为200~300。实验结果表明,该谱仪获得的X射线测量值与理论值相符,适合喷气箍缩等离子体X射线光谱的诊断。