快前沿电流产生气化铝单丝Z箍缩负载的研究

为了抑制丝阵Z箍缩单丝电爆炸过程产生的核冕结构,分析了激光探针诊断的物理内涵,并基于约30 ps激光探针研究了负极性快前沿脉冲(90—170 A/ns)下铝丝的电爆炸特性.直径15μm,长2 cm的铝丝,阻性电压峰值为35—50 kV,电压击穿前金属丝电阻率增加至30—40μΩ·cm.电压峰值时刻沉积能量为1.5—2.5 eV/atom,欧姆加热功率下降至峰值一半时的沉积能量为2.5—4.0 eV/atom,接近铝丝从室温加热至完全气化所需的能量约4.0 eV/atom.快前沿脉冲可增加金属中的欧姆能量沉积速度,提高负载击穿电压.激光纹影图像可以观察到气体通道和等离子体通道,得到冕等离子体的平均电离度约为0.3.由于极性效应,电极附近区域的能量沉积超过负载中部区域,电极附近负载基本完全气化,而负载中部区域仍存在液态或团簇状颗粒.一些发次中,实现了轴向均匀且完全气化的铝蒸气,在电压击穿后的约127 ns,70%的初始质量分布在直径1 mm的区域内,100%的初始质量分布在直径2 mm的区域内.     

真空中铝单丝电爆炸的实验研究

开展了铝单丝在负极性电流脉冲作用下电爆炸特性的研究.利用皮秒激光探针,搭建了阴影、纹影和干涉的光学诊断平台,得到了不镀膜铝丝典型的能量沉积过程,在电压崩溃时刻其沉积能量为2.4 eV/atom.为了增加金属丝内的沉积能量,开展了相同电参数及金属丝尺寸下的镀膜铝丝电爆炸实验,其沉积能量可达到5 eV/atom,实现了在电压崩溃之前铝丝完全气化(完全气化所需能量为4 eV/atom).阴影图像展示了高密度丝核区域的膨胀过程,不镀膜铝丝平均膨胀速度为2.2 km/s,而镀膜铝丝因为沉积能量大,其膨胀速度约为不镀膜铝丝的2.3倍,高密度区域膨胀速度为5 km/s.由于阴影不能反映低密度等离子体的膨胀,开展了平行双丝实验,通过测量自发光辐射,估算了低密度等离子体的膨胀速度.利用条纹相机拍摄了不镀膜铝丝电爆炸过程中自发光区域的图像.纹影图像清晰地展示了不镀膜铝丝在电爆炸过程中形成的核冕结构,而镀膜铝丝电爆炸过程中核冕结构得到了一定程度的抑制.从干涉图像计算了相移,在轴对称假设下对相移进行阿贝尔逆变换,重构了三维的铝原子数密度分布.     

基于Thomas-Fermi-Kirzhnits模型的物态方程研究

本文针对丝阵Z箍缩等高能量密度物理实验的数值模拟研究, 建立了一种适用温度、密度范围宽的三项式半经验物态方程. 三项式半经验物态方程包括零温自由能项, 电子热贡献项和离子热贡献项. 零温自由能项采用多项式拟合的方法确定. 多项式系数通过多项式计算的结果与高压缩比区域和压缩比为1时零温Thomas-Fermi-Kirzhnits模型计算的结果对应相等得到. 离子对物态方程的热贡献采用一种准谐振模型, 此谐振模型可以描述离子在固态相中的行为, 并且在高温度、低密度区域趋近于理想气体物态方程. 电子对物态方程的热贡献采用含温Thomas-Fermi-Kirzhnits模型计算. 利用所建立的三项式半经验物态方程计算了铝的等温压缩曲线, 并与实验数据做了对比. 给出了很宽温度、密度范围内铝的压强, 其数据与相应的SESAME数据库数据做了对比.     

Numerical simulation of the initial plasma formation and current transfer in single-wire electrical explosion in vacuum

In this paper, a computational model is constructed to investigate the phenomenon of the initial plasma formation and current transfer in the single-wire electrical explosion in a vacuum. The process of the single-wire electrical explosion is divided into four stages. Stage Ⅰ: the wire is in solid state. Stage Ⅱ: the melting stage. Stage Ⅲ: the wire melts completely and the initial plasma forms. Stage IV: the core and corona expand separately. The thermodynamic calculation is applied before the wire melts completely in stages Ⅰ and Ⅱ. In stage Ⅲ, a one-dimensional magnetohydrodynamics model comes into play until the instant when the voltage collapse occurs. The temperature, density, and velocity, which are derived from the magnetohydrodynamics calculation, are averaged over the distribution area. The averaged parameters are taken as the initial conditions for stage Ⅳ in which a simplified magnetohydrodynamics model is applied. A wide-range semi-empirical equation of state, which is established based on the Thomas-Fermi-Kirzhnits model, is constructed to describe the phase transition from solid state to plasma state. The initial plasma formation and the phenomenon of current transfer in the electrical explosion of aluminum wire are investigated using the computational model. Experiments of electrical explosion of aluminum wires are carried out to verify this model. Simulation results are also compared with experimental results of the electrical explosion of copper wire.     

铝单丝Z箍缩形成无核冕结构的物理分析

针对铝单丝Z箍缩负载,计算其可形成金属蒸气而不形成核冕等离子体的电路和负载参数范围。提出了铝丝电爆炸形成金属蒸气的能量沉积判据和击穿电压判据;建立了热动力学模型,选取电路参数使得金属丝气化时放电回路电流恰好迅速下降,从而避免发生电压击穿。计算了典型电路下的负载电流、电压、电阻及沉积能量的变化曲线,并分析了回路总电感、充电电压以及负载丝长度、直径对其的影响规律。计算结果表明:当储能电容为150pF、充电电压为65kV、回路电感为300nH时,可驱动直径20μm、长2cm的铝丝电爆炸形成铝丝蒸气。快电流前沿、小丝直径和较短的丝长度有助于提高负载中的单位质量沉积能量,容易电爆炸形成金属蒸气负载。     

电流尾部截断对氙灯工作性能影响的实验研究?

脉冲氙灯作为固体激光器的泵浦源,是激光惯性约束聚变装置中重要的光学器件。针对脉冲氙灯的电流尾部开展了截断技术研究,实现了脉冲氙灯电流尾部的截断。研究了电流尾部截断技术对脉冲氙灯放电通道、外壁温度、冲击波产生的振动和钕玻璃荧光输出的影响。研究发现氙灯电流尾部被截断后有效地减弱了等离子体对氙灯内壁的作用,导致氙灯外壁温升降低,从而提高了氙灯寿命。而电流截断产生的冲击波对氙灯并无影响,但过多的截断会降低钕玻璃荧光输出。     

高功率脉冲氙灯中的等离子体放电通道

研究了高功率脉冲氙灯放电过程中等离子体通道的演化规律。分析了充电电压、主脉冲脉宽及主预脉冲时间间隔等对等离子体通道的影响规律。实验过程中在脉冲氙灯接地端子附近观察到了明显的等离子体通道分叉现象。研究发现,脉冲氙灯工作环境中的电场分布对氙灯内等离子体通道的形成与演化特性将产生十分重要的影响,其决定了等离子体通道的形态。其他影响因素则通过改变放电通道的亮度、均匀度与充盈度等特征施加其影响。     

反射器对氙灯工作性能影响的实验研究

针对灯箱中反射器的设计和运行情况,设计实验量化了反射器对氙灯辐射和钕玻璃荧光效率的影响。氙灯辐射由强流管测量的氙灯辐射波形和能量计测量的辐射能量获得;钕玻璃荧光由自主设计的荧光测量系统获得;同时,使用高速摄影仪对放电通道进行观测。实验发现,反射器在此次实验条件下可以提高氙灯辐射效率89%,提高钕玻璃荧光效率78%。而且,实验发现工程运行中氙灯“发白”,是反射器引导氙灯放电通道在靠近反射器一侧形成,导致该处过度烧蚀的结果。     

环形截面氙灯的放电特性与泵浦效率实验研究

针对脉冲氙灯的结构,探索了一种新型的环形截面氙灯以获得更高的泵浦效率。环形截面氙灯内嵌空气玻璃管,拥有中空的新结构,对脉冲氙灯放电特性产生了新的影响,进一步影响了泵浦效率。实验对比了传统氙灯和环形截面氙灯的放电特性、辐射以及钕玻璃的荧光输出。实验结果表明:新型的环形截面氙灯拥有较高的电阻,较低的放电电流与进灯能量,辐射效率和钕玻璃荧光输出分别提高了3%~4%和2%~3%。     

AlK壳层等离子体辐射谱模型的比对

碰撞辐射模型的比对研究对校验发展等离子体辐射谱模型、提高等离子体参数的诊断精度具有重要意义. 基于Al等离子体, 对常用的辐射模型代码FAC和FLYCHK K壳层辐射谱模型开展了比对研究, 详细比较了它们的离子丰度、特征线强度、谱发射率曲线和吸收系数曲线等特征, 并根据各能态的速率方程, 从FAC和FLYCHK模型的结构特点出发, 分析了造成这些差异的原因. FAC 和FLYCHK计算得到的类H、类He离子n=2, n=3激发态数密度有显著差异, 进而引起特征线发射率及其比值(He-IC/He-αup, He-βup/H-βup)的差异, 从而对等离子体参数的诊断结果产生影响. 除了模型中采用的能级结构和碰撞辐射过程速率外, 计算结果显著地受到FAC 和FLYCHK 模型结构的影响. n=2激发态数密度的差异是由FAC和FLYCHK分别采用能级和超组态(组态)的方式构建n=2激发态的速率方程而引起的, 而FAC代码忽略了n=3与更高激发态之间的碰撞耦合过程, 是引起n=3激发态数密度差异的原因. 主要特征线的吸收系数与基态能级的数密度相关, 受到激发态数密度的影响较小, 因此与谱发射率曲线相比, FAC和FLYCHK计算结果的差异更小.