“聚龙一号”装置上磁驱动铝飞片实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序MDSC2,对大电流脉冲装置"聚龙一号"上的151发次磁驱动370μm厚铝飞片实验、164发次磁驱动330μm厚铝飞片实验进行了数值模拟和分析。数值模拟表明:370μm厚铝飞片和330μm厚铝飞片的磁驱动过程中,VISAR测量的速度不是飞片自由面的速度,而是飞片中邻近自由面最近的固体反射面的速度。这是由于磁驱动飞片发射过程中,飞片自由面部分被烧蚀,密度低于固体密度状态,而飞片自由面和加载面中间的飞片还保持固体密度状态。VISAR测量的激光将穿过自由面的低于固体密度状态的飞片部分,到达飞片自由面最近的固体密度位置再反射回去,获得这一位置的飞片速度。数值模拟的飞片固体反射面速度历史和VISAR测量的速度历史相吻合。     

X箍缩三维数值模拟

利用FOI-PERFECT程序对X箍缩进行了3D数值模拟研究,给出了X箍缩的物理图像和动力学过程,探讨了Z箍缩中出现磁重联的可能性,并指出如果双丝Z箍缩中能够出现磁重联,那么X箍缩是更有利于磁重联出现的位形,并且,X箍缩中出现多重X射线暴的一个可能原因是z轴上多个位置出现磁重联。     

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通过数值模拟研究了欧姆定律中的Hall效应修正对MHD湍流的能量衰减的影响。在低或没有磁螺旋性约束的情况下推导出了 t–1能量衰减律。     

时间分辨晶体谱仪在Z箍缩等离子体中的应用

在装置阳加速器上,使用椭圆弯晶谱仪对Al丝阵Z箍缩实验的X射线辐射特性进行了研究。在谱仪结构中,使用椭圆面的晶体作为分光元件,采用PIN阵列作为记录元件实现时间分辨测量,同时用成像板记录时间积分结果。在Al丝阵Ｚ箍缩实验中,获得了时间分辨的Al等离子体Ｋ壳层辐射谱,用基于碰撞-辐射模型的K壳层线辐射谱分析程序对Al丝阵Z箍缩的实验数据进行了分析,获得了Al丝阵等离子体的时间分辨的电子温度和时空平均的电子数密度参数。     

磁化套筒惯性聚变典型物理过程及特征参量

磁化套筒惯性聚变(MagLIF)结合了传统磁约束聚变(MCF)与惯性约束聚变(ICF)的优势,理论上在有限的驱动能力下可以有效降低聚变实现的难度,具有极大的应用潜力。基于一维集成化物理模型编写了数值模拟程序,以ZR装置典型驱动能力27 MA为出发点,以时间演化为顺序,通过数值模拟系统性地总结分析了典型负载参数下MagLIF构型初始化、加速内爆及迟滞3个关键过程中重要特征参量的分布及演化情况。数值模拟结果有助于理解MagLIF构型从预加热经由燃料压缩到最终发生聚变这一快速而复杂的过程,从而为建立相应的物理图像和认知提供了重要支撑,与传统ICF典型参数的对比也体现了该构型的优势所在,为后续研究奠定了基础。     

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.     

斜入射脉冲X射线产生电流实验

 针对斜入射脉冲X射线与金属的几种可能相互作用机制,设计了实验布局,测量了斜入射X射线在金属靶上产生的脉冲电流,建立了相应的理论模型。结果显示,当X射线入射强度低于10⁵ W/cm²时,以光电效应为主,高于此值时,以热电效应为主导。这表明,X射线加载强度较弱时,电子表现出个体行为,而增大X射线入射强度,电子表现出弱关联集体行为。由此可以预测,超强X射线辐照下,金属表面将出现宏观尺度的电荷密度调制,在退激发过程中,这种调制状态可能以较高的效率辐射定向的微波电磁脉冲。     

完全稳定化MRT的可能性及应用于聚变的潜力

提出采用方向时变(旋转)的驱动磁场(交替Θ-Z箍缩构型)或者多级嵌套Θ-Z箍缩构型来抑制动态Z箍缩的MRT不稳定性的概念，介绍了对交替/嵌套Θ-Z箍缩MRT不稳定性的最新研究进展，结果表明适当优化的交替/嵌套Θ-Z箍缩的MRT不稳定性明显远低于标准Θ箍缩或者Z箍缩的，一定厚度时甚至被完全致稳，这表明交替/嵌套Θ-Z箍缩构型具有潜力应用于Θ-Z箍缩套筒惯性聚变。     

Z箍缩等离子体振荡引起的电磁脉冲辐射

从理论上研究了Z箍缩过程中单模的等离子体振荡引起的电磁脉冲辐射。当模式扰动的相速度大于真空中的光速时,电磁脉冲辐射具有类似于切伦科夫辐射的角分布特征,并且随着相速度的增大这种定向辐射特征越显著;不同波长的电磁辐射也具有不同的角分布特征,短波长的电磁脉冲具有更好的定向性。电磁辐射功率强烈依赖于电子的等离子体振荡频率和等离子体柱的半径。     

微放电等离子体多负辉区结构融合过程数值模拟研究

高气压下的微型电热推进器(MPT)中的放电等离子体存在多负辉区结构，其负辉区有融合趋势。对矩形微放电等离子体推进器(RMPT)的负辉区融合过程进行了二维模拟分析，在方法上采用了非平衡态的自洽流体模型，并考虑了离子电流加热和三体碰撞过程。结果显示:矩形微放电等离子体推进器(RMPT)在低电流条件下存在两个稳定的负辉区，当超过某一电流阈值条件后，两个负辉区会在腔体中心重合。分析了这一过程的成因，认为其融合过程本质上是空心阴极的导通过程，其融合与否与鞘层电压有关。