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。     

丝阵Z-pinch等离子体辐射图像

研究了丝阵负载Z-pinch的气化及电离过程、等离子体形成及融合过程、等离子体的不稳定性及其发展、先驱等离子体的产生机制及其辐射特性、双层丝阵负载内外层丝阵等离子体的内爆碰撞辐射过程、内爆聚心时刻X光辐射快速变化过程及能量转换机制。在“强光”1号、俄罗斯S300及ANGARA-5-1装置上获得了较全面地反映内爆物理过程的实验结果。     

5 MA 100 ns重频LTD驱动器设计

设计了用于Z箍缩丝阵实验的重频LTD驱动器, 含6路并联模组, 每组由8个0.8 MA原型模块串联组成, 全真空结构。原型模块采用全新的单路触发和电感隔离技术, 触发难度和重频运行可靠性得到显著优化。利用电路模拟程序对驱动器进行了仿真计算, 结果表明:在初始半径1.2 cm、线质量1 mg/cm的Z箍缩负载上, 驱动器的输出电流峰值可到5.2 MA, 前沿91 ns;负载内爆最大动能78 kJ, 从电容储能至负载动能的转化效率为11.7%。该驱动器预期将获得高达20%~30%的辐射能量效率, 可为Z箍缩物理研究提供高效的实验平台。     

Z-pinch内爆等离子体时空分辨诊断技术

 为了深入认识和理解Z-pinch物理机制并对物理实验进行优化设计，需要研究内爆等离子体及其辐射的时空分布特性诊断技术，建立诊断装置与设备，通过实验研究等离子体内爆时间过程及其空间分布特性，利用所获得的实验诊断数据校核数值模拟程序。简要介绍近几年开展的X光空间积分功率谱测量、X光时间积分针孔照相、X光时分幅针孔照相、X光时间分辨1维空间分布、紫外探针阴影照相等时空分辨诊断技术研究工作，并给出在1~3 MA电流驱动装置上进行的喷气和丝阵内爆实验中获得的部分时空分辨诊断结果，包括辐射功率、拉链速度、内爆速度、收缩比等。     

快Z箍缩钨丝阵内爆物理研究

 通过理论和实验研究了快Z箍缩电磁内爆动力学物理过程及其辐射特性，完成了1维和2维辐射磁流体动力学数值模拟程序。利用阳加速器、强光一号脉冲功率装置、S-300装置和Angara-5-1装置，开展了实验研究，发展了一系列观察Z箍缩等离子体辐射的诊断系统。研制了单层、双层钨丝阵及单层丝阵加聚氘乙烯芯等负载。重点研究了能量耦合和内爆动力学规律。     

单层丝阵负载Z箍缩内爆辐射特性研究

在电流3—4MA的Angara-5-1脉冲装置上进行了单层钨丝阵Z箍缩实验,利用具有坪响应的X射线功率谱仪获得X射线功率,利用X射线纳秒分幅相机获得等离子体内爆辐射区图像.在丝阵直径相同时,实验得到较细的丝直径使得内爆较早,收缩比较大;较大的丝间隙使得内爆早期丝间等离子体不能有效的融合,而是较孤立的等离子体簇向内箍缩;较大的丝直径和丝间隙导致不稳定性波长较大.在丝阵直径不同,丝直径相当时,实验得到较大的丝阵直径内爆启动较早,具有较大的内爆速度,但等离子体在内爆过程中较分散.另外,较大的丝直径和丝阵直径使X射线辐射脉冲时间较宽.     

丝阵内爆实验条件重复性控制

在丝阵负载Z箍缩实验中实施了电流加载前真空下负载初始状态的监测,并分别采用新旧结构的电极进行了对比性实验研究,利用十分幅纳秒分幅相机成功获取了不同内爆阶段的实验图像。通过对实验结果的分析,讨论了电极结构和负载初始状态对实验结果的影响程度。实验结果表明:采用新装配方式的负载电极结构具有安装时间短、同轴性容易控制、负载现场安装就位精度高等优点;新研制电极和实施真空下负载状态的检测,有效减少了实验数据分散性,为实验负载参数优化设计提供了技术支持。     

Experimental study on imploding characteristics of wire-array Z pinches on Qiangguang-1 facility

To investigate the imploding characteristics of cylindrical wire array, experiments with load current varying from 1.5\,MA to 1.7\,MA were carried out on the Qiangguang-1 facility. The complicated temporal-spatial distribution of x-ray radiation was measured by the one-dimensional (1D) x-ray imaging system. Other diagnostic equipments including the x-ray power meter (XRPM) and the time-integrated pinhole camera were used to record time-resolved x-ray power pulse and pinhole x-ray images. Analysis shows that the fast leading edge of the local x-ray radiation pulse is of primary importance in sharpening x-ray power pulse rather than the temporal synchrony and the spatial uniformity of implosion. Experimental results indicated that the better axial imploding synchrony, the faster the increase of x-ray power for an array consisting of 32 tungsten wires of 5\mum diameter than for the others, and the higher the x-ray radiation power with maximal convergence ratio (r_0/r_1) of 10.5. A `zipper-like' effect of x-ray radiation extending from the anode to the cathode was also observed.     

平响应塑料闪烁体设计北大核心CSCD

通过采用北京同步辐射源标定了无镀膜闪烁体EJ232的能量响应曲线。该批次无镀膜闪烁体对于能量低于300eV的X射线的线性响应差。根据实验结果,进行了镀膜模拟设计,并通过真空磁控溅射法进行了闪烁体镀膜加工工艺。设计加工后的镀膜闪烁体经过实验标定后,其结果指标满足设计要求。该镀膜闪烁体对于能量低于1keV的X射线的平响应特性好,线性度高于99%。该闪烁体对普朗克谱的模拟输出结果表明,其输出谱与输入谱之间形变小,因此该镀膜闪烁体在Z-pinch实验中能有较好的适用性。     

激光聚变极端环境下X光高速摄影技术研究进展

在激光惯性约束聚变（ICF）研究中，通过X光高速摄影获取的图像数据能够反映等离子体中由于做功和能量输运导致的流体状态的时空演化信息，与之相关的诊断技术与工程研究一直以来都是ICF诊断能力建设的重要组成部分。介绍了作为我国ICF工程的主要实施单位之一，中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在X光高速摄影技术研究方面取得重要进展，包括:（1）面向神光系列激光装置，开发了系列工程化的100 ps曝光高速摄影相机，整体达到国际先进水平，并在高灵敏探测、透射式带通滤波和结构小型化等方面形成中国特色；（2）提出微扫描门控、同视扫描分幅等10 ps曝光X光高速摄影新技术，为突破时间分辨瓶颈做出有益尝试；（3）在国内率先开展抗辐射加固高速摄影相机理论设计、技术验证与工程设计；（4）针对激光聚变靶碎片对设备安全的威胁，在国内首次开展靶碎片的理论建模与仿真研究，并开展首次验证实验，取得重要进展。