聚龙一号上磁驱动铝飞片发射实验的数值分析与再设计

聚龙一号上PTS-151发次实验中,磁驱动加速370 μm厚飞片测得的最大速度为18 km/s,磁驱动加速482 μm厚飞片测得的最大速度为19 km/s。采用MDSC2程序, 对PTS-151发次实验进行了数值分析,结果表明:PTS-151发次实验中测量的最大速度的含义不同于以往文献中飞片的最大速度。以往文献中发射飞片在测试过程中自由面未被烧蚀,测试的最大速度为飞片自由面速度;PTS-151发次实验中两个飞片在测量过程中自由面被烧蚀,实验测量的最大速度为飞片被完全烧蚀前的一瞬间飞片内部最后一个固体面的速度。在飞片自由面未被烧蚀之前,370 μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为7 km/s,482 μm厚飞片的计算最大自由面速度仅为11.8 km/s,远低于测量值。对PTS-151发次实验条件下飞片尺寸进行了再设计,飞片厚度为680 μm时最优,既能保证自由面未烧蚀,又使得飞片的速度最大,达到17.5 km/s。     

“阳”加速器Z箍缩实验用透射光栅谱仪

研制的透射光栅谱仪配备了高线密度金透射光栅作为分光元件,使用X光CCD记录时间积分光谱图像。在谱仪结构中引入了两个相互垂直的狭缝,一个用于实现光谱图像的1维空间分辨;另一个与光栅相配合后具有准直入射X光的作用,用来提高谱仪的分辨力。使用该谱仪对"阳"加速器Z箍缩实验的X光辐射进行了测量。当使用铝丝阵作为负载时,测得了铝的K壳层辐射和类锂离子的线谱辐射,并且通过将光谱图像与X光针孔相机的测量结果相比较,观察到了"热点"区域放出的较强的K壳层辐射。     

Z箍缩丝阵动态烧蚀的二维数值模拟

采用FOI-PERFECT程序对局域欧姆加热主导的动态烧蚀进行了数值模拟研究,定量诊断并比较了烧蚀率、先驱电流和烧蚀时间,考查烧蚀阶段之初的丝等离子体的直径和丝阵的丝数对烧蚀的影响,结果表明,在等离子体流建立后,随丝数或者丝径的增加,烧蚀率增大,先驱电流减少,烧蚀时间减小。     

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在"阳"加速器(电流峰值为500-800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1-4 keV能段, 点光源尺寸小于15 μm, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.     

丝阵Z箍缩X射线辐射机制数值分析

基于简化模型编写了结构简单、运行高效的Z箍缩计算程序,并已应用于阳加速器上开展的Z箍缩物理研究。在阳加速器和PTS的参数范围内进行了数值计算,结果表明:对于质量较轻的负载,激波加热是产生辐射的主要原因;对于质量较重的负载,辐射由激波加热和绝热压缩共同主导。激波加热功率与绝热压缩功率之比随丝阵质量增大而减小。烧蚀产生的先驱质量减弱激波加热,对峰值功率的提高不利,但这部分质量能抑制磁瑞利-泰勒不稳定性。因此综合激波加热和磁瑞利-泰勒不稳定性两方面的考虑,应该存在一个最优的烧蚀率。     

Z箍缩等离子体磁重联现象

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴心形成先驱等离子体。估算表明重联层的厚度与离子的惯性长度具有相同的数量级,电流片内电子运动和离子的运动是解耦合的。在内爆滞止阶段电荷分离产生强的径向电场,这个电场将磁能转化为等离子体轴向(z方向)动能,内爆动能和轴向动能共同转化为X射线辐射能,以此解释了X射线能量大于内爆动能这一观测结果。分析了磁重联电磁脉冲的性质,对于1 MA驱动条件,电磁脉冲的总能量可达kJ量级。     

不可压缩等离子体的2维磁场重联模型

提出了一种2维磁场重联模型。磁场重联过程中的电荷分离在等离子体中产生静电场,等离子体在电场中的漂移运动可以解释阿尔芬速度量级的出流。该磁场重联模型给出如下结论:Sweet-Parker模型描述的重联率强烈地依赖于电子质量与离子质量之比;反常电阻率正比于离子惯性长度和电流片宽度比值的平方; 相对论效应和高温等离子体中电子-正电子对的产生可以提高重联率; 电磁波的激发对于磁能的损耗是必要的。     

二维磁驱动数值模拟程序MDSC2的验证与确认

为了对磁驱动实验提供高置信度的数值模拟,需要开展磁流体力学程序的验证与确认。采用人为解比较法、网格收敛性研究和与成熟程序比较等方法,对二维磁驱动数值模拟程序MDSC2进行了程序验证。数值模拟表明:MDSC2程序正确地表示了磁流体力学模型,其中热扩散、磁扩散的离散格式具有二阶收敛精度。采用与磁驱动实验相比较的方法,进行了MDSC2程序的确认。对聚龙一号装置上的PTS-061发次磁驱动单侧飞片发射和PTS-122发次磁驱动双侧飞片发射实验进行了模拟,模拟的飞片自由面速度与实验测量的飞片自由面速度相一致;对FP-1装置上的固体套筒实验进行了模拟,模拟的套筒内外半径与实验测量结果相一致。MDSC2程序能正确模拟磁驱动单侧飞片发射、磁驱动双侧飞片发射和磁驱动固体套筒等磁驱动实验。     

磁驱动飞片发射实验结构系数初步研究

为了确定磁驱动飞片发射实验结构系数的范围、影响因素、结构系数与影响因素的关系，对聚龙一号装置上的磁驱动飞片发射实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明，磁流体力学程序能正确模拟聚龙一号装置上各个磁驱动飞片发射实验；磁驱动双侧飞片发射实验的结构系数为0.7～0.8；磁驱动单侧飞片发射实验的结构系数为0.80～0.85。磁驱动飞片发射实验的结构系数与实验加载电流无关，仅由磁驱动飞片发射实验的负载结构决定。磁驱动飞片发射实验的结构系数取决于阴阳电极极板的初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙以及阴阳电极上飞片厚度之和等三个因素。在磁驱动飞片发射实验中，电极初始宽度、阴阳电极之间的初始间隙不变的情况下，结构系数由阴阳电极上飞片厚度之和确定，阴阳电极上飞片厚度之和越大，结构系数越大。     

Z箍缩X射线在金属表面产生电荷分离现象

以"阳"加速器(1 MA,80 ns)驱动的Z箍缩等离子体为X射线源研究X射线加载下金属表面出现的电荷分离现象,Z箍缩负载为16根直径5μm的钨丝组成的丝阵,丝阵半径3 mm。强度107W/cm2、半高宽30 ns的软X射线脉冲通过直径5 mm的限光孔辐照半径30 mm、厚3 mm的铜盘中心,在金属表面产生了脉宽相近,幅值kV的电势。测量了该电势沿金属表面的分布,观测到微弱的调制现象。电势的极性表明电子主要沿金属表面运动而不是垂直表面运动,这表明热电效应是造成电荷分离的主要机制。入射X射线强度较弱时,电子的个体行为——光电效应、康普顿效应占主导;当入射强度较大时,弱关联的集体行为——热效应占主导;进一步增大入射X射线强度将出现强关联的集体行为——电荷密度调制状态。