单层丝阵负载Z箍缩内爆辐射特性研究

在电流3—4MA的Angara-5-1脉冲装置上进行了单层钨丝阵Z箍缩实验,利用具有坪响应的X射线功率谱仪获得X射线功率,利用X射线纳秒分幅相机获得等离子体内爆辐射区图像.在丝阵直径相同时,实验得到较细的丝直径使得内爆较早,收缩比较大;较大的丝间隙使得内爆早期丝间等离子体不能有效的融合,而是较孤立的等离子体簇向内箍缩;较大的丝直径和丝间隙导致不稳定性波长较大.在丝阵直径不同,丝直径相当时,实验得到较大的丝阵直径内爆启动较早,具有较大的内爆速度,但等离子体在内爆过程中较分散.另外,较大的丝直径和丝阵直径使X射线辐射脉冲时间较宽.     

丝阵负载Z箍缩内爆动力学研究

丝阵负载内爆动力学行为基本可以分为以下四个过程:1)丝的烧蚀;2)壳层的形成;3)内爆;4)滞止.利用所研制的可见光分幅相机和X射线分幅相机在"强光一号"加速器上对多种型号的丝阵负载Z箍缩内爆动力学行为进行了实验研究,获得了从早期单丝烧蚀到等离子体柱崩毁全过程图像,并对实验结果进行了分析,主要研究成果如下:1)发现存在较长时间的丝烧蚀过程,且单丝烧蚀在轴向上并不均匀;实验得到的内爆轨迹与唯像模型计算结果较为一致.2)不论早期的可见光图像还是中后期的软X射线图像都存在明显的阴极发射,内爆后期在阴极附近存在明 关键词： 丝阵 内爆动力学 Z箍缩 脉冲功率技术     

丝阵Z箍缩等离子体内爆过程单丝特性研究

研究了丝阵Z箍缩等离子体内爆过程中单丝行为、物理参数匹配、X射线发射情况。根据丝阵Z箍缩等离子体动力学一维模型研制了相关的计算程序，对单丝的内爆过程进行了数值模拟，对丝阵箍缩匹配关系进行了计算，给出了丝阵初始半径、电流脉冲宽度和峰值电流的匹配关系，同时对丝阵内的最小丝间距、材料的选择等问题进行优化研究。     

脉冲功率驱动器与Z箍缩负载耦合的全电路数值模拟

为了研究电磁能量从脉冲功率驱动器到Z箍缩负载的传输与转化过程,采用电路模型描述驱动器关键部件的充放电过程,采用辐射磁流体模型描述负载的动力学过程并获取动态电感和动态电阻参数,建立了驱动器与负载耦合的全电路数值模拟程序.将该程序应用于"强光一号"装置,研究表明,模拟获得的驱动器电压波形、负载电流波形与实验结果符合较好,各段水介质传输线上电磁脉冲宽度逐级压缩,功率逐级放大.在典型的钨丝阵Z箍缩辐射源物理实验条件下,当初级储能电容器充电35 kV时,中储电容处的电磁功率(峰值)为0.23 TW,上升时间(10%—90%)为550 ns,形成线处的电磁功率为0.80 TW,上升时间为160 ns,水介质传输线末端的电磁功率为1.46 TW,上升时间为45 ns.负载电流为1.5 MA,产生的X射线辐射功率为0.58 TW.     

表面绝缘铝平面丝阵Z箍缩实验研究

在"强光一号"装置(1.3 MA,100 ns)上进行了镀2μm聚酰亚胺绝缘膜平面铝丝阵与普通铝丝阵Z箍缩对比实验研究.实验结果表明,表面绝缘能够影响Z箍缩内爆动力学和辐射特性.通过简单理论分析,表面绝缘可能会增加初始阶段的能量沉积和参与内爆的质量;表面绝缘对于抑制平面丝阵多峰现象有明显作用,然而在所进行的实验中,并未观察到对X射线产额的改善作用.     

平面丝阵负载Z箍缩内爆动力学一维图像诊断

利用可见光条纹相机对单排和双排平面丝阵内爆动力学过程诊断中的初步实验结果,并对其进行了分析. 实验结果表明,单排平面丝阵相邻单丝等离子体之间并不是发生完全非弹性碰撞,部分等离子体会越过丝阵平面在中心形成先驱等离子体柱;双排平面丝阵中流过外部丝的电流要比内部丝大,烧蚀过程占整个内爆时间约65%,且只有部分质量参与了内爆过程. 关键词： 条纹相机 平面丝阵 Z箍缩 内爆动力学     

快Z箍缩钨丝阵内爆物理研究

 通过理论和实验研究了快Z箍缩电磁内爆动力学物理过程及其辐射特性,完成了1维和2维辐射磁流体动力学数值模拟程序。利用阳加速器、强光一号脉冲功率装置、S-300装置和Angara-5-1装置,开展了实验研究,发展了一系列观察Z箍缩等离子体辐射的诊断系统。研制了单层、双层钨丝阵及单层丝阵加聚氘乙烯芯等负载。重点研究了能量耦合和内爆动力学规律。     

双层钨丝阵的Z箍缩动力学过程研究

基于Z箍缩零维模型、丝阵碰撞假设和箍缩动能最大化的优化原则，对美国Sandia实验室Z装置的典型双层钨丝阵负载进行了优化分析，结果表明它基本上是优化的.在丝阵碰撞假设下，利用一维三温辐射磁流体力学程序对其箍缩过程进行了数值模拟，模拟结果再现了Z箍缩过程的一维时空演化过程，得到了内外层丝阵的运动轨迹和驱动电流在它们之间的转移规律，并将计算得到的宏观结果与实验结果进行了比较.表明丝阵相互作用的碰撞假设有合理性. 关键词： Z箍缩 双层钨丝阵 零维模型 一维辐射磁流体     

快Z箍缩钨丝阵内爆物理研究

通过理论和实验研究了快Z箍缩电磁内爆动力学物理过程及其辐射特性,完成了1维和2维辐射磁流体动力学数值模拟程序。利用阳加速器、强光一号脉冲功率装置、S-300装置和Angara-5-1装置,开展了实验研究,发展了一系列观察Z箍缩等离子体辐射的诊断系统。研制了单层、双层钨丝阵及单层丝阵加聚氘乙烯芯等负载。重点研究了能量耦合和内爆动力学规律。     

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箍缩等离子体内爆实验金属丝阵负载优化设计分析

金属丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆是产生强x射线辐射的重要方法之一.在一定脉冲功率加速器条件下，金属丝阵质量和丝阵半径的选择决定了Z-pinch内爆等离子体辐射产额的大小.采用薄壳模型计算了不同丝阵质量、不同丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成的丝阵的内爆时间、内爆轨迹、内爆速度，以及最大动能和动能转换率，综合分析了丝间隙、内爆时间、动能转换率与丝阵质量和丝阵半径的关系，给出了在一定负载驱动电流条件下，金属丝阵的最佳参数.分析表明计算结果与实验上观察得到的内爆规律一致. 关键词： Z-pinch内爆等离子体 金属丝阵负载 薄壳模型     

基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。     

Z箍缩丝阵负载参数的优化设计

 以俄罗斯S-300 Z-pinch 装置的负载电流波形为基准，利用Z箍缩的质点模型对钨丝阵负载的初始半径和线质量进行了系统的优化计算，得到了不同电流幅值的电流波形所对应的优化丝阵负载参数。发现了负载最大内爆动能与负载电流幅值的平方成正比关系。电流上升时间对最优丝阵负载参数的影响的计算表明，随着负载电流上升时间的增大，负载的最优线质量也要增大。     

铝丝阵Z箍缩非平衡辐射

利用基于细致组态非平衡电离模型和非平衡辐射输运的辐射磁流体力学理论,用数值模拟的方法研究了铝丝阵Z箍缩的内爆过程和辐射特性,获得到了合理的内爆动力学图像和与实验结果基本符合的X光辐射功率和总能量等辐射参数,并研究了铝丝阵Z箍缩过程中产生的辐射能谱结构。结果表明:铝丝阵Z箍缩内爆X光辐射是非平衡的,除了存在可以用普朗克能谱近似描述的低能辐射外,还存在大量的K壳层高能辐射。讨论了各种辐射机制对总辐射的贡献,分别计算了线辐射、复合辐射和轫致辐射在各个光子能量范围内所占的份额,讨论了利用高能段连续辐射能谱诊断电子温度的方法,由能谱反推的电子温度,需要进行修正才能反映辐射吸收的影响。     

丝阵Z箍缩可见光辐射特性

在阳加速器上进行的Z箍缩实验中,利用快速硅光电二极管、多模光纤和石英滤片搭建了可见光探测系统,并利用该系统对丝阵Z箍缩等离子体内爆可见光辐射特性进行了研究。实验结果显示,可见光辐射在内爆开始时就已经存在,其波形与X射线辐射波形存在差异,在辐射波形的主峰前存在所谓的拐点。分析表明,在内爆滞止前,丝阵Z箍缩中单丝箍缩现象和预箍缩等离子体对可见光辐射贡献很大,而整体内爆开始时单丝附近的局域磁场消失是可见光辐射波形存在拐点的主要原因。     

铝丝阵Z箍缩辐射产生机理初步研究

利用一维非平衡辐射磁流体力学程序研究了铝丝阵内爆过程中的能量转化规律和辐射产生机理.细致讨论了Z箍缩过程中脉冲功率驱动器电磁能馈入等离子体,等离子体动能转化为内能以及通过一系列原子过程电子内能转化为X射线辐射的能量转化机理.结合离子布居信息深入分析了Z箍缩过程中的辐射产生机理.结果表明,在内爆压缩阶段,电离和激发过程占优,线辐射占据总辐射的绝大部分.在滞止时,离子大都处于裸核离化度,连续谱辐射达到峰值.在滞止附近,线辐射出现两个峰值.在膨胀过程中,光电复合过程优于三体复合,线辐射占总辐射的份额逐渐下降.     

小波边缘检测算法在平面丝阵Z箍缩图像1维诊断中的应用

选择尺度融合的小波边缘检测算子对平面丝阵Z箍缩条纹相机图像进行处理,分析了影响边缘检测效果的参数。处理结果显示：如果边缘像素比例取合适值（4%～7%）,若尺度取较大值时边缘定位不够精确,取较小值时受噪声影响较大;尺度融合的小波边缘检测算子则能精确判断图像边缘位置,同时受噪声影响较小;与直接判读方法相比,通过尺度融合的小波边缘检测算法判读的数据更稳定平滑,更能抵抗噪声的干扰。     

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。     

单层钨丝阵Z箍缩内爆不稳定性特征实验研究

基于激光阴影像,研究了直径为8 mm的钨丝阵在滞止阶段的不稳定性发展。实验结果表明,在消融阶段早期,不稳定性扰动的主导波长为0.2 mm。在内爆后期和滞止阶段,不稳定主导波长迅速向长波长方向发展。在功率峰值前后,扭曲不稳定性特征开始出现,在滞止等离子体柱达到最小收缩直径后,辐射功率出现了明显下降。