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。     

脉冲功率驱动器与Z箍缩负载耦合的全电路数值模拟

为了研究电磁能量从脉冲功率驱动器到Z箍缩负载的传输与转化过程,采用电路模型描述驱动器关键部件的充放电过程,采用辐射磁流体模型描述负载的动力学过程并获取动态电感和动态电阻参数,建立了驱动器与负载耦合的全电路数值模拟程序.将该程序应用于"强光一号"装置,研究表明,模拟获得的驱动器电压波形、负载电流波形与实验结果符合较好,各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大.在典型的钨丝阵Z箍缩辐射源物理实验条件下,当初级储能电容器充电35 kV时,中储电容处的电磁功率(峰值)为0.23 TW,上升时间(10%—90%)为550 ns,形成线处的电磁功率为0.80 TW,上升时间为160 ns,水介质传输线末端的电磁功率为1.46 TW,上升时间为45 ns.负载电流为1.5 MA,产生的X射线辐射功率为0.58 TW.     

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”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.     

铝丝阵Z箍缩非平衡辐射

利用基于细致组态非平衡电离模型和非平衡辐射输运的辐射磁流体力学理论,用数值模拟的方法研究了铝丝阵Z箍缩的内爆过程和辐射特性,获得到了合理的内爆动力学图像和与实验结果基本符合的X光辐射功率和总能量等辐射参数,并研究了铝丝阵Z箍缩过程中产生的辐射能谱结构。结果表明:铝丝阵Z箍缩内爆X光辐射是非平衡的,除了存在可以用普朗克能谱近似描述的低能辐射外,还存在大量的K壳层高能辐射。讨论了各种辐射机制对总辐射的贡献,分别计算了线辐射、复合辐射和轫致辐射在各个光子能量范围内所占的份额,讨论了利用高能段连续辐射能谱诊断电子温度的方法,由能谱反推的电子温度,需要进行修正才能反映辐射吸收的影响。     

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

 研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序（MARED）的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明：相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加。     

Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

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箍缩驱动动态黑腔中的基本能量转移特征

动态黑腔是Z箍缩应用的重要途径,它可以为惯性约束聚变靶丸烧蚀内爆提供均匀对称的辐射场,也可以为辐射不透明度测量的样品提供加热源和背光源.动态黑腔中的辐射场特征与驱动电流、黑腔结构和材料组成等密切相关,在宏观上它由黑腔中能量转移决定.为了快速地获得动态黑腔中基本能量的转移特征,以及它们随黑腔结构、线质量、驱动电流参数等的变化趋势,本文采用简单的物理模型来描述动态黑腔的内爆行为.就泡沫柱内爆动能与一维辐射磁流体力学程序的模拟结果进行了比较,两者比较接近.在惯性约束聚变应用的动态黑腔中,丝阵等离子体与泡沫柱碰撞时的动能损失对辐射场的形成很重要;而在辐射源应用的动态黑腔中,动能损失和泡沫柱最后内爆达到的动能都重要.泡沫柱最后获得的最大内爆动能与驱动电流的幅值平方成正比,碰撞动能损失随泡沫柱质量的增加而增大.电流上升时间变小,则泡沫柱中的质量能量密度要增大,从而辐射功率也要增大.     

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。