“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。     

聚龙一号装置的强电磁干扰对PDV的影响研究

光子多普勒测速系统(PDV)常采用全光纤模式, 操作方便, 已成为材料超高压动态实验获取动力学特性的重要诊断技术。测速范围和精度与光电传感器和数据采集仪器有关, 激光到达靶面后返回光电转换器, 速度由多普勒引起的频率变化直接解读。聚龙一号装置是开展材料动态实验的重要平台, 放电电流峰值5~8MA, 0~100%上升时间300~750ns。在装置放电过程中, 靶室和大厅中的强电磁干扰可以达到10~300MHz, 当干扰耦合进返回光信号后, 导致速度剖面解读困难。采用聚四氟乙烯绝缘膜和导电铝膜包覆测速探针很好地抑制了强电磁干扰信号对光信号的干扰, 大大提高了速度测量数据的有效性。     

大口径光学元件表面疵病在位检测与评价研究

精密光学元件在加工过程中如果工艺控制不当,产生的划痕、麻点等疵病分布范围虽然较小,但对整个光学系统的性能影响却很大,破坏力非常强,目前的表面疵病检测仪基本上针对平面或球面光学元件进行离线检测。文章以光学加工机床为运动平台,采用暗场散射成像方法,设计多光束均匀照明系统,研究表面疵病微细特征的识别算法,实现大口径光学表面疵病的在位检测与评价;标定结果表明,表面疵病宽度偏差为2.05%,长度偏差为2.39%,满足指标要求;在此基础上针对Φ280 mm平面硅镜进行自动化在位检测,给出了不同类型疵病的统计数据,解决了离线检测中非加工时间长与多次装夹引起定位误差等问题。     

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.     

两幅差分干涉诊断铝丝阵Z箍缩等离子体

研制了两幅激光差分干涉诊断系统,可在一次实验中获得两幅间隔3～12 ns的高分辨干涉图像。该系统采用分光延时装置产生两束有一定夹角和时间间隔的探测激光脉冲,采用特殊的偏轴4f传像系统在同一块CCD的不同区域产生两幅干涉图像。应用该系统开展了铝丝阵Z箍缩激光干涉诊断实验,获得了丝膨胀和消融、晕等离子体产生和发展、以及先驱等离子体产生和发展等Z箍缩演化过程的实验图像,并给出了Z箍缩早期阶段的等离子体电子密度分布。     

聚龙一号装置准等熵压缩实验负载优化研究

准等熵压缩实验技术已用来研究材料在高压下的状态方程。基于聚龙一号装置平台,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射,进行了一系列实验来加深对负载构型的理解。通过对负载结构的设计,研究了构设电极尺寸与电极间隙对磁应力的大小与分布的影响。基于模拟和实验结果,带状线负载结构可以很好地提高磁压和提升装置的运行水平,其电极表面磁压分布也具有良好的均匀性和平面性。目前为止,已经可以用带状线负载在聚龙一号装置上获得峰值压力高达约100 GPa的准等熵压缩,并获得速度超过10 km/s的超高速飞片。     

基于聚龙一号装置的超高速飞片发射实验研究进展

磁驱动加载技术通过脉冲功率源将超大脉冲电流加载到实验负载区,从而形成随时间平滑上升的磁压力,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射.本文基于聚龙一号装置的输出特性参数,依次从负载结构、电极尺寸、电流波形和诊断系统等方面,分别设计完成了两种负载构型的超高速飞片发射实验.其中应用单侧带状负载发射尺寸Φ10 mm×0.725 mm的LY12铝飞片速度达到11.5 km/s,磁驱动加载压力近0.9 Mbar.比较模拟计算与实验结果,飞片发射过程和最终速度基本一致.而进一步的模拟计算表明,优化的负载结构尺寸和电流波形调节方案下,将有望发射尺寸Φ8.5 mm×1 mm的铝飞片速度超过15 km/s.从模拟设计到实验开展,已初步掌握了基于多支路脉冲功率发生器的超高速飞片发射实验技术.     

“阳”加速器磁驱动平面飞片实验和速度计算校验

脉冲功率驱动源作为磁驱动加载的重要手段,通过调整其电路参数可调节负载电流波形,实现对样品无冲击准等熵加载。在"阳"加速器上,开展了一系列轴对称结构和带状结构构型的磁驱动平面飞片发射实验,电极材料采用不锈钢和LY-12铝。实验中测量了进入负载的电流历史和电极后自由面速度历史,并通过时序控制将两者时间关联起来。本文以测量到的电流历史数据为基础,引入负载电流分布系数,并结合已知的LY-12铝的状态方程数据,计算电极后自由面速度历史和飞片速度历史。通过实验测量自由面速度历史校验负载各个位置的电流分布系数。另外,基于装置参数和实验数据确定了考虑负载电感变化的装置等效电路模型,形成了计算样品压力加载历史和电极后自由面速度历史估算程序。此外,初步分析不同厚度电极的自由面速度历史,获取了电极材料的准等熵加载波剖面信息,观察到一系列准等熵加载下材料动力学性能引起的物理现象。     

基于Z箍缩X射线源的热-力学效应实验

材料或结构对强脉冲X射线的响应如热激波的传播和喷射冲量等,统称为X射线热-力学效应,在抗辐射加固研究、天体物理、行星科学等领域具有重要应用。利用驱动电流近10 MA脉冲功率装置上的丝阵Z箍缩X射线源开展了初步的热-力学效应实验。采用20 mm直径的双层铝丝阵产生了约230 kJ的X射线总辐射能,其中铝的K壳层产额约为30 kJ,距离源中心5 cm处的样品上的X射线能注量为732 J/cm2。受辐照样品为厚度2 mm、直径10 mm的铝制圆盘,其背面设置有铝衬套,样品与衬套的总质量为585 mg。采用全光纤光子多普勒测速（PDV）系统来测量受辐照样品后表面的运动过程。PDV测量的样品后表面速度历程显示,当热激波到达后表面时的自由面速度为2.12 km/s,样品最终的整体运动速度为180 m/s。根据冲击波关系式以及动量守恒原理,推导出X射线在样品中产生的热激波应力为19.2 GPa,单位面积上的喷射冲量为1341 Pa·s,进而由喷射冲量和X射线能注量测量结果可以推出冲量耦合系数为1.83 Pa·s·cm2/J。同时,对实验测量结果的可靠性和不确定度进行了讨论和分析。这些实验结果初步验证了将PDV技术应用于热-力学效应研究的可行性。     

自由面被烧蚀磁驱动飞片的数值模拟

为了理解磁驱动飞片自由面烧蚀的机理、自由面被烧蚀后飞片的物质状态、自由面被烧蚀后激光速度干涉仪(VISAR)测量的机理等,采用磁驱动数值模拟程序MDSC2对聚龙一号装置上PTS-151发次磁驱动飞片实验中370 m厚飞片进行了模拟和分析。数值模拟表明,334 ns之前飞片自由面部分保持固体状态,334 ns之后飞片自由面部分已经熔化,到340 ns后整个飞片都被熔化。飞片自由面烧蚀的主要机制是电流焦耳加热,热扩散和压缩做功的贡献很小。数值模拟的固体密度反射面速度历史和VISAR测量的速度历史一致。飞片自由面熔化后,VISAR测量的速度是距离自由面最近的固体密度反射面的速度。