高温高密度Z-pinch等离子体自适应式平面丝阵负载制备技术研究

 在Z-pinch实验中，加速器两电极间距会因抽真空而发生改变从而导致平面丝阵负载的丝分布发生变化，为了解决这个问题，采用弹簧预压缩的方法，制备出了平面丝阵负载，经实验室模拟检测和物理实验的实际应用证明，平面丝阵负载不但能适应电极方向呈任何方向放置的靶室，还能自动适应靶室电极间距因抽真空而发生的变化。在实验过程中丝阵可以保持绷紧的状态，满足了物理实验的要求。     

Z箍缩丝阵参数的视觉检测技术

采用视觉检测技术及图像处理技术相结合的方法,实现了直径约为5μm钨丝丝阵负载单丝的垂直度,相邻两根微丝的间距,丝阵上是否有异物,丝是否断裂等装配参数的自动、连续、无损检测。研究了视觉检测系统图像采集和配置方法,构建了Z箍缩丝阵负载装配参数视觉检测系统。实验结果表明,视觉检测系统的检测精度达2μm,可以精确地检测出丝上异物和丝是否断裂,满足Z箍缩丝阵负载装配参数的检测要求。     

电磁内爆靶制备技术

为了适应院Z-箍缩物理实验的发展，本年度进一步研究了钼丝的制备工艺、钼丝表面镀金工艺、氘代聚合物纤维制备工艺和表面纳米涂层银工艺，初步进行了超声化学法制备纳米银的研究，调研了研制丝阵负载自动绕丝设备的可行性，研究了各种丝阵负载的结构及靶场安装调试工艺，完成了两轮Z-箍缩物理试验用负载的制备。     

电磁内爆靶制备技术

为了适应Z箍缩物理实验的发展，研究了超细钨丝和钼丝的制备工艺、钨丝表面镀金工艺、氘代聚合物纤维制备工艺和表面纳米涂层银工艺，初步进行了导电聚合物的研究，调研了研制丝阵负载自动绕丝设备的可行性，研究了各种丝阵负载的结构及靶场安装调试工艺，完成了3轮Z箍缩物理试验用负载的制备任务。     

Z箍缩丝阵负载微型装配系统

 在利用金属丝阵Z箍缩产生强X射线辐射的方法中,为获得超强X射线,一般采用直径几μm的钨丝构成单、双或多层圆柱面状丝阵负载,其中丝阵负载的结构和装配精度是关键因素。为制备出均匀、平直的丝阵负载,进行了Z箍缩丝阵负载微型装配系统的研制,建立了基于机器视觉、微力传感器和精密运动控制系统的Z箍缩丝阵负载微型装配实验系统。该系统成功实现了双层直径5 μm钨丝丝阵的装配,且张力控制精度达0.002 N。     

Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析

实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率。为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayle igh-Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析。分析表明:双层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性。     

丝阵Z箍缩实验1维X光辐射功率分布

 在Angara-5-1联合实验中，利用条纹像机和光纤阵列实现时间分辨和1维空间分辨，得到了丝阵条纹像，观察到丝阵负载箍缩区X光辐射的1维轴向空间分布信息随时间的演化过程，考察了内爆的同步性和均匀性。通过对比不同结构负载内爆等离子体X光1维时空分布信息，发现由于内层等离子体对磁流体瑞利-泰勒不稳定性的抑制作用，(40+20)根双层钨丝阵比60根单层钨丝阵的内爆轴向同步性好，产生的X光辐射功率高；由于负载存在弯曲、断丝、扭曲等现象，(60+30)根双层钨丝阵比90根单层钨丝阵的轴向同步优势不明显；轴向同步性好与辐射功率高之间存在相关性；辐射波形前沿较快时，X光功率较高。     

“聚龙一号”丝阵实验轴向一维X光辐射功率分布

通过一维条纹相机诊断系统对聚龙一号(JL-Ⅰ)四类单层丝阵负载进行了轴向X光辐射测量。由于瑞利-泰勒不稳定性的影响，大部分负载表现出两端发光比中间滞后、阳极端发光比阴极端滞后、阳极端发光总强度弱于阴极端的现象。通过不同类型丝阵对比，对于20 mm直径的丝阵，JL-Ⅰ驱动器的匹配负载线质量在0.9 mg/cm附近。轴向辐射同步性与辐射功率之间存在相关性。     

Z箍缩等离子体内爆X光辐射功率角分布

 在Z箍缩实验中,利用ST1432红光闪烁体、多模石英光纤探头和大电流光电倍增管探测器等研究了丝阵等离子体内爆过程中沿轴向与径向不同方位角的X光辐射功率分布。采用的负载为单层钨丝阵和单层铝丝阵,驱动电流1.5～1.8 MA,上升时间60～90 ns。实验结果表明:Z箍缩等离子体X光辐射强度有轴向和径向分布不均匀性;单层钨丝阵轴向X光辐射强度大于径向辐射强度;单层铝丝阵径向X光辐射强度大于轴向辐射强度。     

空气中单丝和丝阵电爆炸特性的比较

本文开展了500 J储能下、大气空气介质中微秒脉冲电流源驱动平面型铜丝阵负载电爆炸放电特性研究,并与铜单丝电爆炸进行了比较.实验中保持铜电极间距2 cm不变,选择2-16根直径100μm的铜丝组成平面型铜丝阵,同时选择直径50-400μm的单根铜丝作为对照,对电爆炸过程中负载电压、回路电流与光辐射强度进行测量,计算得到电功率、沉积能量等参数,研究质量变化对铜导体电爆炸过程的影响规律;特别地,对于相同质量下单丝与丝阵负载情况进行比较.实验结果表明,随着质量增加,单丝电爆炸气化与电离过程变缓,宏观表现为电压峰值时刻延后、半高宽增大(约0.07μs增至约0.64μs);与之不同,虽然丝阵电爆炸时刻随质量增加延后,但气化与电离持续时间变化不明显,电压峰半高宽稳定在0.11±0.01μs,且击穿发生前丝阵负载沉积能量低于同质量单丝负载.光辐射强度方面,丝阵电爆炸光辐射强度比三次同质量下单丝电爆炸分别强约28%,49%和52%.造成单丝与丝阵电爆炸过程差异的原因可能有两个方面:一是比表面积的差异使得细丝的相变过程更加迅速,表现为相同质量下细丝丝阵比粗单丝爆炸过程快;二是电热/磁流体不稳定性在丝阵与单丝中发展程度不同,表现为光强-时间曲线的差异.     

丝阵Z箍缩可见光辐射区径向变化过程

 在“强光一号”上进行的Z箍缩实验中,利用1维可见光成像系统获取了丝阵内爆可见光辐射区径向变化过程图像。采用的负载包括单层钨丝阵、单层铝丝阵,驱动电流为1.3~1.5 MA,上升时间89~140 ns。实验结果表明:丝阵内爆产生轴向先驱等离子体柱,尺寸为0.3~0.5 mm;丝阵在内爆和内爆到芯及冷却飞散阶段,外围区域始终存在较弱的可见光辐射;获得的可见光条纹像提供了丝阵等离子体内爆可见光轨迹,内爆径向压缩比为2.84～7.84,丝阵内爆速度为4.60×10⁶～1.73×10⁷ cm/s。     

Development of instabilities in wire-array Z pinches

3D resistive MHD simulations are used to show how the properties of the "fundamental" mode of modulated ablation in wire-array Z pinches, are consistent with the growth of a modified m=0-like instability. The modulation wavelength, structure, and evolution is found to be governed by the magnetic topology and is largely independent of the initial conditions. The perturbation amplitude as a function of wire number is shown to be consistent with experimental x-ray power scaling. Simulations of an array of helical wires show a substantial reduction in the amplitude of the instability.     

Effect of radial-electric-field polarity on wire-array Z-pinch dynamics

The formation of plasma in wire-array Z-pinch experiments was found to depend upon the polarity of the radial-electric field near the wires. Reversing the radial-electric field midway along the length of an array resulted in the ablation rate of one-half of the array being reduced by 50%, significantly delaying the start of its implosion and altering its acceleration towards the axis. The observed phenomena cannot be explained by the standard magnetohydrodynamic models of array behavior, suggesting that effects such as electron emission may be important, especially during wire initiation.     

PTS装置Z箍缩负载设计分析

介绍了PTS装置丝阵负载设计思路,用简化的薄壳模型(零维)和辐射磁流体力学模型(一维)数值模拟了丝阵Z箍缩内爆过程,给出了PTS丝阵负载设计参数,分析了初步优化结果,确定了优化选择的箍缩常数.经脉冲功率驱动器与负载优化匹配设计,PTS实验平台能够获得100TW量级的X射线功率,最佳插头能量转换效率10%.预计PTS实验平台的X射线输出能力基本达到Saturn装置长脉冲模式放电的水平.结果将为PTS开展Z箍缩研究提供有价值的参考. 关键词： PTS装置 Z箍缩丝阵负载 零维薄壳模型 一维辐射磁流体力学数值模拟     

Study of three-dimensional structure in wire-array z pinches by controlled seeding of axial modulations in wire radius

Three-dimensional perturbations have been seeded in wire-array z pinches by etching 15 microm diameter aluminum wires to introduce 20% modulations in radius with a controlled axial wavelength. These perturbations seed additional three-dimensional imploding structures that are studied experimentally and with magnetohydrodynamics calculations, highlighting the role of current path nonuniformity in perturbation-induced magnetic bubble formation.     

箍缩背光照相

 利用PPG-Ⅰ脉冲功率装置（500 kV,400 kA,100 ns）驱动X箍缩负载,得到了μm量级的亚纳秒脉冲X射线辐射点源。在阴阳极轴线和回流柱上同时安装X箍缩负载,前者可作为背光照相的X射线点源;后者可作为被拍照的目标X箍缩。获得了X箍缩发展过程不同时刻的时间序列图像,在背光照相的图像中可以清晰观察到X箍缩交叉点处等离子体的外爆、箍缩以及最终的崩溃阶段。将阴阳极轴线上的X箍缩负载用Z箍缩丝阵负载代替,实现了对丝阵负载Z箍缩放电起始阶段的X射线背光照相,观察到了最初的各单丝电爆炸、等离子体膨胀及融合过程,同时观察到了双丝Z箍缩发展过程中的等离子体不稳定性。实验结果有助于深入理解Z箍缩发展的物理过程,同时可为有效的模拟建模分析提供基本的实验数据。     

Z箍缩动态黑腔形成过程和关键影响因素数值模拟研究

在Z箍缩动态黑腔研究中, 认识黑腔形成物理过程及主要特征, 明确优化黑腔辐射的关键参数, 是实验物理设计的重要基础. 本文针对W丝阵填充CH泡沫转换体的负载构型, 利用一维辐射磁流体程序, 在8 MA驱动电流条件下开展了动态黑腔形成过程和关键影响因素的数值模拟研究. 结果表明, 丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用产生局部高压力区是驱动冲击波传播和形成动态黑腔的关键物理过程. 由于辐射超声速传播及其与冲击波波阵面的空间分离, 产生了辐射温度较高而物质未受明显压缩的动态黑腔区域. 丝阵等离子体碰撞泡沫转换体前的状态分布决定了动态黑腔辐射场的主要特征, 可以通过改变负载参数调整并优化黑腔辐射波形. 综合考虑黑腔峰值辐射温度和有效维持时间两个参数, 选择匹配质量的丝阵和泡沫, 使丝阵质量略小于泡沫, 可以获得相对优化的动态黑腔辐射波形. 同时, 合适的丝阵/泡沫初始半径比也是优化动态黑腔辐射的重要影响因素.