强光1号装置上钨丝阵列的Z箍缩实验研究

本文报道了2003年在强光一号装置上进行的钨丝阵列的Z箍缩实验研究的主要结果。为了研究钨丝阵列的内爆过程和x光辐射特性，使用了x光功率谱仪和一维时空分辨x光成像系统等诊断设备。实验中由32根5微米钨丝组成的直径8mm长20mm的优化负载获得了最高能量为36.6kJ的x光产额，一维时空分辨x光成像系统的数据显示x光辐射区域以6.4×10⁶cm/s的速度减小，同时x光峰值时刻出现在等离子体被压缩到近轴区域之前。     

“强光一号”装置上部分Z箍缩实验结果的物理分析

从原子的电离能和维持等离子体所需能量出发，给出了估算任一元素材料，要产生任一壳层的X射线辐射，每个离子(原子)所需要的基本能量和要达到的内爆箍缩速度的方法.对“强光一号”加速器上典型的氪喷气和部分钨丝阵Z箍缩实验的电流和电压波形所蕴涵的丰富物理信息进行了分析，得到了电感和洛伦兹(Lorentz)力做功等物理量的变化规律以及负载参数变化对它们的影响.该电感与基于壳层模型计算出的电感有较大的差异.前者随箍缩开始而缓慢增大，甚至在箍缩到心和飞散后还在增大，最后大致稳定在100 nH附近.差异可能是由于壳层模型过于简化和电流电压的测点同负载有一定的距离而造成的.当丝阵直径为8 mm时，洛伦兹力做功最大；当丝阵直径相同时，丝数较大时，洛伦兹力做功也较大.同时还对该加速器的喷气和丝阵负载的线质量进行了优化，表明也是直径为8 mm的钨丝阵为最佳负载，这同实验的优化结果也一致.     

X-ray observations of tungsten wire array Z-pinch implosions on QiangGuang-1 facility

Z-pinch experiments with two arrays consisting, respectively, of 32 4-μm- and 6-μm-diameter tungsten wires have been carried out on QiangGuang-1 facility with a current rising up to 1.5MA in 80ns. At early time of implosion, x-ray framing images show that the initial emission comes from the central part of arrays, and double clear emission rings, drifting to the anode and the cathode at 5×10⁶cm/s and 2.4×10⁷cm/s respectively, are often produced near the electrodes. Later, in a 4-μm-diameter tungsten wire array, filamentation caused by ohmic heating is prominent, and more than ten filaments have been observed. A radial inward shift of arrays starts at about 30\,ns earlier than the occurrence of the x-ray peak power for both kinds of arrays, and the shrinkage rate of emission region is as high as 1.7×10⁷cm/s in a 4-μm-diameter tungsten wire array, which is two times higher than that in a 6-μm one. Emission from precursor plasmas is observed in implosion of 6-μm-diameter tungsten wire arrays, but not in implosion of a 4-μm-diameter tungsten wire array. Whereas, in a 4-μm-diameter tungsten wire array, the soft x-ray emission shows the growth of m=1 instability in the plasma column, which is caused by current. The reasons for the discrepancy between implosions of 4-μm- and 6-μm-diameter tungsten wire arrays are explained.     

Current-induced implosion of a multiwire array as a radial plasma rainstorm

We present our experimental results of the X-ray radiography of fast radiating Z-pinches based on cylindrical multiwire tungsten arrays. The experiments were carried out at the Angara-5-1 facility at an electrical power of up to 4 TW with a discharge current of up to 4 MA rising at a rate on the order of 5×10¹³ A s^?1. The linear mass of single and composite arrays reached 500 µg cm^?1, the initial radius was 4–10 mm, and the wire diameter was 5–8 µm. We have experimentally shown that for the current-induced implosion of multiwire tungsten arrays, significant azimuthal and axial plasma inhomogeneities result from discharge cold start and prolonged plasma production, which determine the subsequent course of the implosion. The Z-pinch structure also remains spatially inhomogeneous at the time of intense X-ray radiation. The generated inhomogeneous plasma collapses toward the array axis in the form of numerous radially elongated plasmoids with relatively small diameters. The stream of plasmoids is called a radial plasma rainstorm. As the plasmoids contract toward the array axis, they decrease in radial size and merge into isolated plasma current filaments, which are elongated mainly along the discharge axis. We critically discuss the models of a radiating Z-pinch in plasma composed of matter with a large atomic number that disregard the cold-start and prolonged plasma-production effects.     

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。     

等离子体断路开关装置上的多丝Z箍缩初步实验

 开展了基于等离子体断路开关的脉冲功率源驱动多丝Z箍缩负载初步实验，实验中采用了2根或4根钨丝组成的环形阵列，其中钨丝的直径分别为7 mm和20 mm。利用高速扫描摄影获取钨丝电爆炸和箍缩过程中等离子体自发光的物理图像。实验结果表明：导通电流为105 kA的等离子体断路开关将67%~78%的电流转换至金属丝阵负载上，负载电流上升沿为84~110 ns。高速扫描相机观察到了钨丝电爆炸形成晕等离子体及其向轴线箍缩和后期向外膨胀的物理过程。     

丝阵负载Z箍缩早期过程的研究

利用X箍缩等离子体产生的μm级、亚ns脉冲X射线点源对双丝电爆炸过程进行了X射线背光照相,结果表明:真空环境下爆炸丝通常形成“核冕”结构,即高密度丝核表面围绕着低密度冕等离子体;随后在全局磁场驱动下,冕层将被连续剥离并向轴线汇聚,形成“先驱等离子体”,大大降低丝阵的内爆品质。针对上述问题,进一步对实现“无核丝爆”(提高丝核沉积能量实现金属丝的均匀汽化)的方法进行了研究。实验结果表明:提高驱动电流上升率以及在金属丝表面构造正向径向电场均有利于丝核沉积能量的提高。结合上述两种方法,提出了阴极串联闪络开关的电极构型,大幅度提高了丝核沉积能量:正负极性驱动电流下比能量分别提高到原来的2倍(从5.7 eV/atom到13 eV/atom)和3.5倍(3.4 eV/atom到12 eV/atom),均超过了钨丝汽化能(8.8 eV/atom),且激光干涉图像表明爆炸产物具有很高的汽化率,即实现了“无核丝爆”。     

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。     

Wire number doubling in high-wire-number regime increasesZ-accelerator X-ray power

Doubling the number of tungsten wires from 120 to 240, keeping the mass fixed, increased the radiated X-ray power relative to the electrical power at the insulator stack of the Z accelerator by (35±15)% for 8.75- and 20-mm radii Z-pinch wire arrays. One-dimensional radiation magneto hydrodynamic calculations suggest that the arrays were operating in a quasi “plasma-shed” regime, where the plasma generated by the individual wires partially merge prior to the inward implosion of the entire array     

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。     

Z箍缩等离子体内爆实验金属丝阵负载优化设计分析

金属丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆是产生强x射线辐射的重要方法之一.在一定脉冲功率加速器条件下，金属丝阵质量和丝阵半径的选择决定了Z-pinch内爆等离子体辐射产额的大小.采用薄壳模型计算了不同丝阵质量、不同丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成的丝阵的内爆时间、内爆轨迹、内爆速度，以及最大动能和动能转换率，综合分析了丝间隙、内爆时间、动能转换率与丝阵质量和丝阵半径的关系，给出了在一定负载驱动电流条件下，金属丝阵的最佳参数.分析表明计算结果与实验上观察得到的内爆规律一致. 关键词： Z-pinch内爆等离子体 金属丝阵负载 薄壳模型     

“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     

双层喷气Z箍缩氖等离子体K层辐射研究

报道了"强光一号"(1.6 MA,70 ns)加速器驱动双层喷Ne气Z箍缩负载产生K层辐射(光子能量约1 keV)的实验研究.喷气负载出口半径为1.5—1.4 cm和0.75—0.6 cm(半径比2 ∶1).充气压力相同情况下外层和内层质量比约2.8 ∶1.在内爆时间约120 ns、负载线质量估计值60—70 μg/cm时,获得K层辐射产额约7 kJ、峰值功率0.28 TW,脉冲宽度20 ns.X射线分幅图像表明内爆阶段的不稳定性影响较小,最终内爆速度超过25 cm/μs,等离 关键词： 双层喷气 Z箍缩等离子体 K层辐射')" href="#">K层辐射 雪耙内爆     

表面绝缘铝平面丝阵Z箍缩实验研究

在"强光一号"装置(1.3 MA,100 ns)上进行了镀2μm聚酰亚胺绝缘膜平面铝丝阵与普通铝丝阵Z箍缩对比实验研究.实验结果表明,表面绝缘能够影响Z箍缩内爆动力学和辐射特性.通过简单理论分析,表面绝缘可能会增加初始阶段的能量沉积和参与内爆的质量;表面绝缘对于抑制平面丝阵多峰现象有明显作用,然而在所进行的实验中,并未观察到对X射线产额的改善作用.     

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。     

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     

Z箍缩装置的单色背光成像

 基于晶体布拉格衍射理论,搭建了X射线背光成像系统,核心色散元件为α-石英球面弯曲晶体。在中国工程物理研究院流体物体研究所“阳”加速器上进行了单色X射线背光成像实验,背光源为箍缩负载Al丝阵聚爆产生的激光等离子体X射线,成像物体为厚度100 μm的不锈钢网格阵列,接收装置得到Al丝阵聚爆的等离子体X射线2维分辨的空间单色成像,其空间分辨力为75 μm。目前实验中采用Al膜作为滤片,对Al的类He跃迁辐射线系都有吸收,得到的背光成像信噪比较小。     

“阳”加速器钼丝X-pinch初步实验研究

 在“阳”加速器上进行了直径分别为10, 15, 20 μm, 交叉角为32°,45°,60°的钼（Mo）丝X-pinch实验。“阳”加速器产生的电流峰值约520 kA，上升时间80 ns。实验中通过X射线功率谱仪和纳秒分幅相机等仪器对Mo丝X-pinch辐射特性进行了诊断。实验表明：Mo丝X-pinch过程中会出现多次X射线爆发，箍缩过程中产生的热点辐射出能量超过3 keV的X射线，探测到的最小热点直径小于30 μm。     

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