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。     

1—4 MA电流驱动的丝阵X光辐射优化的实验研究

进行了1—4MA电流驱动的钨丝阵列负载的Z箍缩实验研究,通过丝阵参数、负载电极结构的优化设计及负载初始装配状态的控制优化X光辐射功率,在单、双层丝阵的内爆实验中分别获得5.3±1.0 TW和5.6±1.1 TW的峰值辐射功率,创同类装置上X光辐射功率的最高纪录. 关键词： Z箍缩')" href="#">Z箍缩 丝阵X光辐射 优化     

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。     

阳加速器钨丝阵内爆软X光功率辐射特性

介绍了在阳加速器上进行的系列W丝阵Z箍缩物理实验,实验中阳加速器Marx充电电压60 kV,负载电流输出0.85~1.00 MA,电流上升时间75~90 ns（10%~90%）;进行软X光辐射功率测量的主要仪器是软X光闪烁体功率计,其核心部件为对50~1800 eV X光具有平响应特性的蓝光闪烁体。给出了系列W丝阵Z箍缩实验软X光辐射功率测量结果,从软X光辐射输出随丝阵负载参数（包括丝阵直径、长度、丝数）变化关系讨论了钨丝阵内爆辐射特性,给出了阳加速器上各负载参数优化的结果:丝阵直径Ф8 mm,丝阵长度15 mm,丝数24。同时对软X光辐射的空间分布特性进行了初步的探讨,给出了辐射功率在负载的轴向和径向的分布。     

“强光一号”钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性研究

在“强光一号”装置驱动电流峰值1.4—2.1MA、上升时间80—100ns条件下，研究了不同丝阵直径、丝数及丝直径的钨丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性.用自行研制的测试系统对等离子体辐射参数进行了诊断.实验获得的最大X射线总能量为34kJ，最大峰值功率为1.28TW.得到了一些关于钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性的规律性认识. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 等离子体辐射     

Z箍缩等离子体内爆X光辐射功率角分布

 在Z箍缩实验中,利用ST1432红光闪烁体、多模石英光纤探头和大电流光电倍增管探测器等研究了丝阵等离子体内爆过程中沿轴向与径向不同方位角的X光辐射功率分布。采用的负载为单层钨丝阵和单层铝丝阵,驱动电流1.5～1.8 MA,上升时间60～90 ns。实验结果表明:Z箍缩等离子体X光辐射强度有轴向和径向分布不均匀性;单层钨丝阵轴向X光辐射强度大于径向辐射强度;单层铝丝阵径向X光辐射强度大于轴向辐射强度。     

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。     

中俄Z-pinch联合实验新进展

在Angara-5-1装置Z-pinch实验中,研究了双层丝阵内爆动力学模式和动态黑腔,获得高产额X射线辐射能量和功率,X射线辐射功率达5.6 TW,泡沫X射线辐射温度达63 eV,本文给出主要实验设计方法和结果. 关键词： Z箍缩 双层丝阵 X射线辐射 动态黑腔     

“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 关键词： Al丝阵 Z箍缩 K层辐射')" href="#">K层辐射 拖尾质量     

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     

“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。     

用于“聚龙一号”上软X光通量探测的平响应X光二极管

介绍了聚龙一号上使用的一种由金阴极X光二极管（XRD）和具有特殊构型的复合金滤片构成的平响应XRD探测器, 测量软X光通量的标定和实验情况。该探测器的灵敏度在北京同步辐射的4B7B束线站和4B7A束线站标定。标定的灵敏度显示, 该探测器对0.1~4 keV之间的X光具有近似平坦的响应曲线。根据标定情况和探测器的谱响应特性, 给出了目前该探测器在用于Z箍缩产生的软X光通量诊断中的测量不确定度为12%。在单层钨丝阵Z箍缩实验中, 平响应XRD探测器测得Z箍缩产生的X光功率峰值达到52 TW, 能量达540 kJ。在动态黑腔实验中, 布置在径向和轴向的两套平响应XRD探测器被用于建立径向辐射功率波形和轴向辐射功率波形之间的时间关联。在典型的动态黑腔实验中, 测得轴向辐射功率峰值出现在径向辐射功率前约1.2 ns。     

铝-钨丝混编阵的Z-箍缩实验研究

利用铝丝和钨丝混合编制的丝阵作为Z箍缩的负载，在俄罗斯Kurchatov研究所的S300强流装置上对其Z箍缩过程进行了实验研究，并与纯铝丝阵和纯钨丝阵的实验结果进行了比较.不同材料组成的丝阵的Z箍缩x射线能谱之间有明显差异，混编丝阵的铝K壳层的x射线辐射强度比纯铝丝阵的弱，在纯钨丝阵Z箍缩中没有发现波长小于1.6nm的线辐射.混编丝阵Z箍缩的x射线发光区域比纯铝丝阵的小，但比纯钨丝阵的大,混编丝阵的x射线产额比纯铝丝阵的大，但比纯钨丝阵的略低.在驱动电流为2.5—2.8MA条件下，Z箍缩的径向收缩比为4—5，x射线辐射脉冲脉宽为25ns左右，峰值为0.3—0.5TW，总能量为10—20kJ.激光探针的阴影像显示了丝阵等离子体形成的细致过程，还表明了等离子体的边界面不够清晰，其不稳定性有明显的发展，内部有丰富的结构. 关键词： Z箍缩 混编丝阵 S300强流装置     

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.     

The X-1 Z-pinch driver

X-1 is a program initiative to develop the next-generation laboratory X-ray source using fast Z-pinch drivers. X-1 will provide unique applications utility to high-energy density physics, inertial confinement fusion, and radiation effects simulation research. The advent in the 1980's of pulsed power accelerators capable of delivering tens of terawatts to imploding plasma loads led to a quantum improvement in Z-pinch performance by reducing the implosion time to less than 100 ns. Further progress in Z-pinch performance capabilities was achieved in 1996, using a cylindrical wire-array load, and led to the production of 85 TW, 350-500 kJ of X-rays using the Saturn accelerator at Sandia. The PBFA-II accelerator has been converted to drive Z-pinch loads (PBFA-Z), and will provide a factor of 2 increase in current, and 4 in energy, over that provided by Saturn. X-1 is the next step beyond PBFA-Z and, as presently envisioned, represents a factor of 8 increase in energy. It will require a ~360 TW, ~100 ns pulsed power generator to impart ~16 MJ kinetic energy to the reference imploding plasma load. A baseline concept for X-1 has been developed. It utilizes a highly modular, robust architecture with demonstrated performance reliability