Z箍缩内爆等离子体研究新进展

目的,快过程Z箍缩内爆等离子体可以把储存的脉冲功率加速器内155的电能转化为大能量、高功率的X射线源,美国Sandia实验室的Z装置已经产生了总能量为1.8MJ、功率为290TW和黑腔湿度超过200eV的X射线源,这些进展正在用于惯性约束聚变（ICF）实验研究,并对它的后续装置X－1正在进行概念性设计,文章概要地叙述了Sandia实验室近五年来在Z装置上进行Z箍缩实验所取得的进展。     

利用喷气式Z箍缩等离子体装置进行X射线光刻

喷气式Ｚ箍缩等离子体装置可以产生较强的软Ｘ射线，能量大约在２—６ｋｅＶ之间。利用此装置产生的软Ｘ射线，用ＣＳＭ作光刻胶，进行了Ｘ射线光刻的初步研究，得到了较为清晰的光刻图形，曝光深度估计在１０μｍ左右     

Z箍缩等离子体电流分布实验研究

在"强光一号"装置上, 利用微型磁探针系统测量了钨丝阵负载内部的消融等离子体携带的电流, 对比了有无泡沫柱两种负载条件下内部电流分布的差异, 获得了稳定可靠的实验数据. 实验中使用了由42 根4.2 μm 钨丝组成的直径12 mm 的丝阵负载, 脉冲电流峰值为1.34 MA, 上升时间约70 ns. 结果表明: 在电流放电开始约20 ns 后, 半径3.2 mm 处的磁探针有明显的信号输出, 随后的20 ns 内, 内部等离子体分流比迅速上升至约20%, 并在30—40 ns 内基本保持稳定. 丝阵加载泡沫柱后, 内部电流值在Z 箍缩前期没有明显变化.     

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。     

喷气式Z箍缩等离子体发射离子束能谱的研究

使用紧凑型汤姆生离子谱仪对喷气式Z箍缩（Z-pinch）等离子体发射的离子束能谱进行了实 验研究.紧凑型汤姆生离子谱仪由入射窗、偏转电磁场、后置针孔及CR-39探测板组成.等离 子体发射的离子束经前置针孔、谱仪入射窗准直后进入偏转电磁场偏转,由后置针孔射出轰 击探测板形成可分辩的抛物线簇.对抛物线簇进行分析处理,得到了等离子体辐射的离子束 能谱及能谱随箍缩状况的变化趋势. 关键词： Z箍缩等离子体 紧凑型汤姆生谱仪 离子束能谱     

喷气Z箍缩高速扫描摄影

内爆Z箍缩是一种强的软X射线源，它在核武器物理、核武器效应模拟和惯性聚变等方面有重要的应用前景。喷气Z箍缩是以气体作为负载来产生等离子体，其内爆技术的研究主要集中在20世纪80年代及90年代早期，等离子体半径、压缩速度与时间关系是压缩过程中最为基本的参数。在本次实验研究中，用高速变像管扫描相机首次拍摄了阳加速器在负载为氖气状态下等离子内爆箍缩过程具有时间分辨的扫描像。     

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。     

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。     

应用于Z箍缩等离子体X光产额测量的闪烁体功率计

介绍了在“阳”加速器上使用的闪烁体功率计结构和测量参数,讨论了功率计在北京同步辐射装置上的标定实验,分析了标定结果及由此结果可能给最后实验结果带来的误差,并探讨了修正该误差可行的办法,利用 Dante谱仪测得的能谱对功率计测试结果进行修正。修正后,两套设备之间的测试结果差异由原来的30%以上降至15%以内。最后给出了利用软X光闪烁体功率计进行喷气Z箍缩等离子体辐射测量的结果,得到“阳”加速器上喷气Z箍缩负载产生的软X光辐射峰值功率为几十GW,能量产额数百J。     

应用于Z箍缩等离子体X光产额测量的闪烁体功率计

介绍了在"阳"加速器上使用的闪烁体功率计结构和测量参数,讨论了功率计在北京同步辐射装置上的标定实验,分析了标定结果及由此结果可能给最后实验结果带来的误差,并探讨了修正该误差可行的办法,利用Dante谱仪测得的能谱对功率计测试结果进行修正。修正后,两套设备之间的测试结果差异由原来的30%以上降至15%以内。最后给出了利用软X光闪烁体功率计进行喷气Z箍缩等离子体辐射测量的结果,得到"阳"加速器上喷气Z箍缩负载产生的软X光辐射峰值功率为几十GW,能量产额数百J。     

单丝Z箍缩的一维单温辐射磁流体力学计算

 介绍在正弦电流波形下铝丝的内爆动力学过程的数值模拟计算，计算采用一维单温辐射磁流体力学模型，能流中除了常规热传导外，也包括黑体辐射流项，以考虑辐射对内爆动力学过程的影响。计算了用于箍缩预脉冲的低电流（幅值10～50 kA）和较高电流（幅值400 kA）情况下单丝的内爆结果。     

电弧等离子体一维非定常数值模拟

 通过对毛细管内等离子体工作过程的分析给出了电弧等离子体的一维非定常数学模型,以热力学参量描述了非理想条件下等离子体的状态方程和电导率计算方法。利用差分法求解该数学方程组,给出了毛细管内电弧等离子体特征参量在毛细管内沿轴向随时间的变化规律。对数值模拟结果作相应的分析,并将部分模拟结果与实验数据作了比较。     

电磁内爆X射线数值计算

 叙述一维辐射磁流体力学方程组（三温）的数值模拟,用于电磁内爆X射线计算。动量方程、三温方程组采用分裂法求解,以克服强耦合非线性可能引起的数值不稳定性。采用隐式差分格式避免小时间步长限制。隐式格式采用Newton-Raphson法迭代求解。使用了分层网格、加权平均,迭代初值公式,自动调整时间步长,奇点处理等特殊处理方法。最后给出Pegasus l装置一个实验模型的计算结果,获得15 J的X射线能量,峰值功率为16 GW。     

电磁波在非均匀等离子体中的吸收

研究了电磁波在非均匀碰撞等离子体中的传播和吸收,提出了一种计算电磁波在非均匀等离子体层中反射和透射功率的模型。对几种典型的非均匀密度剖面,计算了在不同的碰撞频率和层边缘密度下电磁波衰减率与电磁波频率的关系,结果表明,对于给定的密度剖面和有效吸收频宽,存在一个最佳的磁撞频率。     

水下爆炸特性的一维球对称数值研究

 应用数值模拟方法对水下爆炸产生的诸如气泡脉动规律、脉动周期、水中冲击波压力的变化等特性进行了研究。给出了不同装药水下爆炸产生的气泡半径脉动的一些规律、脉动周期变化规律、气泡与水交界面处的压力曲线、爆炸产生的水中冲击波压力和速度的变化等结果。     

场反向位形中等离子体的动力箍缩

本文给出了一组动力箍缩方程,它描述了场反向位形中等离子体的动力箍缩和加热。数值结果有可能为进一步开展实验提供理论依据。     

PEOS功率倍增装置的物理设计与等离子枪实验

对PEOS功率倍增装置进行了物理设计与模拟计算并进行了脉冲等离子体枪实验。给出装置参数的选择方法,包括电路参数与PEOS参数的选择。为得到要求的功率倍增和能量传输效率,分析指出注入等离子体密度n_p与速度v_d的乘积要大而n_p相对要小,v_d要大;而且为断路快、阴极半径r要适当小;模拟计算结果证实了这一分析。对装置关键部件脉冲等离子体枪进行设计、研制和实验,在距枪60cm处测得碳离子速度v_d～5×10~(?)cm/s,离子密度n_p～4×10(?)/cm。     

线状锗等离子体空间分布特性实验研究

在电子碰撞激发类Ne锗X光激光实验的基础上,对线状等离子体空间分布特性进行定量测量和分析。首次给出了线状等离子体分布尺度,同时也研究了不同的激光参数和靶结构对等离子体状态的影响。     

关于等离子体的电磁波不稳定性

本文阐述了由分析色散关系几何性质的方法,导出速度分布各向异性的等离子体中的电磁波不稳定性的严格和普适的判据,具体讨论了温度不均匀性和粒子束流对不稳定性的影响。最后导出了Weibel的电磁波增长系数的相对论修正公式。