钨丝阵等离子体Z箍缩的数值模拟

采用二维三温磁流体力学模型，模拟了“强光一号”加速器上钨丝阵箍缩实验.给出了等离子体密度和温度时空分布的特点，分析了磁场以及电流密度的演化，计算出的x射线功率随时间变化与实测结果基本相符.计算结果为等离子体的诊断提供了有用的信息.此外，还讨论了Z箍缩辐射磁流体力学数值模拟中的相关参数和数值方法问题. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 数值模拟     

Z箍缩等离子体不稳定性的数值研究

利用二维辐射磁流体程序模拟了钨丝阵Z箍缩等离子体腊肠不稳定性的演化：分析了存在不稳定性与没有不稳定性条件下等离子体内爆的差异；研究了不同初始密度扰动对x射线输出 功率和能量的影响.数值结果表明，在一定初始密度扰动范围内，这种不稳定性对x射线输 出的总能量影响不显著，但对x射线功率随时间变化的曲线有明显的影响.此外，还探讨了Z 箍缩等离子体数值模拟中低密度区的数值处理对数值结果的影响. 关键词： Z箍缩 腊肠不稳定性 数值模拟     

Z箍缩Al等离子体X辐射谱线的分离及电子温度的提取

以"强光一号"Z箍缩装置10174发次光谱诊断实验结果为例,描述了一种对Z箍缩等离子体X辐射光谱分离提纯、诊断的方法.对连续辐射谱和特征辐射线谱进行分离,并从连续辐射谱和特征辐射线谱中提取了等离子体电子温度信息.结果显示:等离子体连续谱主要由等离子体中心的高温区(Te=290.7 eV±1.2 eV)和温度较低的壳层区域(Te=95.3 eV±8.3 eV)两部分叠加而成;特征辐射线谱主要反映了等离子体中心的高温区信息,根据非局域热动平衡模型计算提取的电子温度约为299—313 eV,与连续谱诊断结果基本符合.     

Z箍缩Al等离子体发射谱的非局域平衡模拟

采用FAC (flexible atomic code)程序, 在细致能级层次计算等离子体原子结构参数和等离子体中各种原子物理过程的基础上, 建立了等离子体中各种能级布居的速率方程, 其中考虑了等离子体中各种原子物理过程的影响. 通过求解基于细致能级的速率方程, 计算了Z箍缩产生的Al等离子体辐射的细致能谱结构, 对实验谱进行了辨认和归类, 并对实验测量谱的成分做了简单分析. 关键词： Z箍缩 细致能级 非局域热动平衡 速率方程     

丝阵Z箍缩X射线辐射机制数值分析

基于简化模型编写了结构简单、运行高效的Z箍缩计算程序,并已应用于阳加速器上开展的Z箍缩物理研究。在阳加速器和PTS的参数范围内进行了数值计算,结果表明：对于质量较轻的负载,激波加热是产生辐射的主要原因;对于质量较重的负载,辐射由激波加热和绝热压缩共同主导。激波加热功率与绝热压缩功率之比随丝阵质量增大而减小。烧蚀产生的先驱质量减弱激波加热,对峰值功率的提高不利,但这部分质量能抑制磁瑞利-泰勒不稳定性。因此综合激波加热和磁瑞利-泰勒不稳定性两方面的考虑,应该存在一个最优的烧蚀率。     

丝阵Z箍缩X射线辐射机制数值分析

基于简化模型编写了结构简单、运行高效的Z箍缩计算程序,并已应用于阳加速器上开展的Z箍缩物理研究。在阳加速器和PTS的参数范围内进行了数值计算,结果表明:对于质量较轻的负载,激波加热是产生辐射的主要原因;对于质量较重的负载,辐射由激波加热和绝热压缩共同主导。激波加热功率与绝热压缩功率之比随丝阵质量增大而减小。烧蚀产生的先驱质量减弱激波加热,对峰值功率的提高不利,但这部分质量能抑制磁瑞利-泰勒不稳定性。因此综合激波加热和磁瑞利-泰勒不稳定性两方面的考虑,应该存在一个最优的烧蚀率。     

Z箍缩等离子体高分辨X辐射谱诊断

 为了获取丝阵Z箍缩等离子体高能谱分辨的X辐射图像,建立了云母球面弯晶X光摄谱仪,根据色散平面内球面弯晶诊断空间分布X光源的几何模型分析了摄谱仪的能谱分辨,计算结果与光线追迹方法得到的结果吻合。当探测器位于罗兰圆上时,系统具备最优能谱分辨。在“强光一号”装置上,利用该摄谱仪诊断了镀镁铝丝阵负载Z箍缩等离子体的X辐射图像,结果表明,该球面弯晶摄谱仪的能谱分辨率高于1 000。     

Z箍缩等离子体高分辨X辐射谱诊断

为了获取丝阵Z箍缩等离子体高能谱分辨的X辐射图像,建立了云母球面弯晶X光摄谱仪,根据色散平面内球面弯晶诊断空间分布X光源的几何模型分析了摄谱仪的能谱分辨,计算结果与光线追迹方法得到的结果吻合。当探测器位于罗兰圆上时,系统具备最优能谱分辨。在“强光一号”装置上,利用该摄谱仪诊断了镀镁铝丝阵负载Z箍缩等离子体的X辐射图像,结果表明,该球面弯晶摄谱仪的能谱分辨率高于1 000。     

Kr喷气箍缩等离子体的数值研究

 探讨了Z箍缩等离子体辐射磁流体模拟二维三温物理模型及其数值计算方法，针对“强光一号”加速器上Kr喷气实验的具体条件，利用辐射磁流体力学程序Z-pinch 2D-DG模拟了Kr喷气等离子体聚爆过程，分析了X射线辐射的特点，给出了等离子体密度和温度的演化图像以及喷气箍缩中一些带有普遍性的结论。     

Kr喷气箍缩等离子体的数值研究

探讨了Z箍缩等离子体辐射磁流体模拟二维三温物理模型及其数值计算方法,针对“强光一号”加速器上Kr喷气实验的具体条件,利用辐射磁流体力学程序Z-pinch 2D-DG模拟了Kr喷气等离子体聚爆过程,分析了X射线辐射的特点,给出了等离子体密度和温度的演化图像以及喷气箍缩中一些带有普遍性的结论。     

Z箍缩丝阵烧蚀的简单模型数值模拟

丝阵烧蚀在丝阵Z箍缩动力学中扮有重要角色,透彻理解丝阵烧蚀对于丝阵Z箍缩动力学的研究至关重要。采用简单模型数值模拟了烧蚀过程,该模型物理上采用绝热、单流体、单相、磁流体力学近似,数值上采用欧拉法结合保单调输运格式来离散。数值结果很好地展示了烧蚀过程的主要特征,例如芯-冕结构、径向等离子体流、轴线上先驱等离子体柱的形成、静止丝芯的长寿命以及延长的烧蚀期,一些关键时间参数定量或定性地相符于文献报道的实验和数值结果,例如冕等离子体角向融合的时刻、等离子体首次到达轴线的时刻、丝芯静止持续的时间、最后的箍缩滞止时刻,但某些方面略有差异。     

Z箍缩丝阵烧蚀的简单模型数值模拟

丝阵烧蚀在丝阵Z箍缩动力学中扮有重要角色,透彻理解丝阵烧蚀对于丝阵Z箍缩动力学的研究至关重要。采用简单模型数值模拟了烧蚀过程,该模型物理上采用绝热、单流体、单相、磁流体力学近似,数值上采用欧拉法结合保单调输运格式来离散。数值结果很好地展示了烧蚀过程的主要特征,例如芯-冕结构、径向等离子体流、轴线上先驱等离子体柱的形成、静止丝芯的长寿命以及延长的烧蚀期,一些关键时间参数定量或定性地相符于文献报道的实验和数值结果,例如冕等离子体角向融合的时刻、等离子体首次到达轴线的时刻、丝芯静止持续的时间、最后的箍缩滞止时刻,但某些方面略有差异。     

Z箍缩丝阵动态烧蚀的二维数值模拟

采用FOI-PERFECT程序对局域欧姆加热主导的动态烧蚀进行了数值模拟研究, 定量诊断并比较了烧蚀率、先驱电流和烧蚀时间, 考查烧蚀阶段之初的丝等离子体的直径和丝阵的丝数对烧蚀的影响, 结果表明, 在等离子体流建立后, 随丝数或者丝径的增加, 烧蚀率增大, 先驱电流减少, 烧蚀时间减小。     

Z箍缩丝阵动态烧蚀的二维数值模拟

采用FOI-PERFECT程序对局域欧姆加热主导的动态烧蚀进行了数值模拟研究,定量诊断并比较了烧蚀率、先驱电流和烧蚀时间,考查烧蚀阶段之初的丝等离子体的直径和丝阵的丝数对烧蚀的影响,结果表明,在等离子体流建立后,随丝数或者丝径的增加,烧蚀率增大,先驱电流减少,烧蚀时间减小。     

喷气Z箍缩X光辐射信号分析

 在清华大学喷气Z箍缩平台上进行了对Ne气的箍缩软X射线诊断工作。该喷气装置由4个充电至23 kV的电容器并联组成,总储能4.5 kJ,放电电流峰值210 kA,上升沿2.5 ms。实验中通过观测放电电流微分信号来观测箍缩聚焦点的位置（波形的下凹尖峰点）,此尖峰也是X光辐射的时间分辨点。利用响应时间为亚ns量级的光敏半导体探测器(PIN)探头获得了Ne气箍缩时等离子体发出的软X射线信号,X光辐射出现在放电电流微分信号突变点附近。一般来说,多次箍缩会导致多次的X光辐射输出,实验中的X光脉冲实际为多个等离子热点辐射叠加的结果,单次箍缩所产生的X光辐射比多次箍缩所产生的X光辐射要强。对每次箍缩来说,单个X光脉冲信号比多个X光脉冲信号的幅值要大。     

喷气Z箍缩X光辐射信号分析

在清华大学喷气Z箍缩平台上进行了对Ne气的箍缩软X射线诊断工作。该喷气装置由4个充电至23 kV的电容器并联组成,总储能4.5 kJ,放电电流峰值210 kA,上升沿2.5 ms。实验中通过观测放电电流微分信号来观测箍缩聚焦点的位置（波形的下凹尖峰点）,此尖峰也是X光辐射的时间分辨点。利用响应时间为亚ns量级的光敏半导体探测器(PIN)探头获得了Ne气箍缩时等离子体发出的软X射线信号,X光辐射出现在放电电流微分信号突变点附近。一般来说,多次箍缩会导致多次的X光辐射输出,实验中的X光脉冲实际为多个等离子热点辐射叠加的结果,单次箍缩所产生的X光辐射比多次箍缩所产生的X光辐射要强。对每次箍缩来说,单个X光脉冲信号比多个X光脉冲信号的幅值要大。     

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。     

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。     

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。