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。     

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。     

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。     

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     

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。     

喷气Z箍缩内爆等离子体的雪铲模型

在喷气Z pinch内爆等离子体研究中,雪铲模型是一种常用的、比较简单的物理模型。根据实验中提供的电流波形,负载线质量和初始半径,可以通过雪铲模型来估算内爆到心的时刻。根据一维运动方程和不同构形下的解析解以及部分实验结果相结合,讨论了雪铲模型的适用范围。数值计算的内爆时间和实验（Gamble II, Double EAGLE, BLACKJACK 5）测量值符合得较好。结果表明,雪铲模型在喷气Z pinch实验的负载优化设计研究中是很有参考价值的方法。     

喷气Z箍缩内爆等离子体的雪铲模型

 在喷气Z pinch内爆等离子体研究中，雪铲模型是一种常用的、比较简单的物理模型。根据实验中提供的电流波形，负载线质量和初始半径，可以通过雪铲模型来估算内爆到心的时刻。根据一维运动方程和不同构形下的解析解以及部分实验结果相结合，讨论了雪铲模型的适用范围。数值计算的内爆时间和实验（Gamble II, Double EAGLE, BLACKJACK 5）测量值符合得较好。结果表明，雪铲模型在喷气Z pinch实验的负载优化设计研究中是很有参考价值的方法。     

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。     

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箍缩动态黑腔负载装配用胶粘剂

由于Z箍缩动态黑腔负载中的低密度聚合物泡沫柱具有多孔结构和极低的力学强度,在装配过程中对胶粘剂有一定的特殊要求。实验以聚氨酯丙烯酸酯为主体树脂,丙烯酸异冰片酯为活性单体,配以光引发剂和偶联剂制得了适用于低密度泡沫粘接用的紫外光固化胶粘剂。测试表明,所研制的胶粘剂的体积收缩率仅为2.25%,且具有较高的固化速率和适当的粘接强度,能够满足稳固、快速装配的要求。通过对粘接界面的观测发现,胶粘剂在诊断孔内没有明显的扩散,且在低密度致密结构泡沫中的扩散厚度较小,均匀性好。     

聚龙一号驱动Z箍缩负载内爆的简化电路模型

为方便描述聚龙一号装置与Z箍缩负载的电磁耦合过程,基于大量电参数实验数据和全电路模拟分析,建立了一个简化的集总电路模型,获得了等效电压波形和等效电阻、电感等集总参量。采用水介质三板输出线出口位置的开路电压作为等效电压,进一步拟合为正弦平方函数,峰值为3.3 MV（当前驱动器充压为65 kV）,零到峰值的时间长度为102.5ns。采用简化的流阻抗模型描述磁绝缘传输线内部空间电子流的电流损失效应。将电路程序与零维负载动力学程序耦合模拟,得到了与实验结果符合的负载电流波形,尤其电流波形的前沿和峰值符合较好,分析了电磁能转化为负载动能的过程。     

Two dynamics modes in planar wire array Z pinch implosion

Two dynamics modes,named short ablation mode and long ablation mode,are observed in implosion experiments of planar wire array Z pinch on ’QiangGuang-I’ facility utilizing an optical streak camera.The long ablation mode has a lagged trajectory compared with the short ablation mode.For shot 10035 in a short ablation mode,the initial time of K-shell radiation is consistent with the interaction time for ablation plasma arriving at the centre of wire array,while for shot 10038 in long ablation mode,the initial time of K-shell radiation is about 10 ns earlier.In the two modes,the partial ablation plasma could traverse the wire array plane and then collide in the centre to form a dense plasma column with a diameter of 2.2 mm for shot 10035 and 1.5 mm for shot 10038.     

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.     

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     

电磁脉冲模拟器电磁场计算

利用电磁场张量法计算了平行板电磁脉冲模拟器内的电磁场并推导了其时域解析表达式。按照模拟器的平行板段和前后三角板的结构将平板近似为线网格。场的幅值由各线段元的不同滞后时间叠加来确定,其方向由线段元和场点的单位矢量经简单矢量运算来确定。计算结果表明：平行板段内的场具有横电磁分布特性,而靠近三角板处由于各线段元的非对称性贡献将使场出现其它分量。通过对模拟器的电场测量值与理论计算值相比较可知,两者大致相同。     

Z箍缩等离子体磁重联现象

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴心形成先驱等离子体。估算表明重联层的厚度与离子的惯性长度具有相同的数量级,电流片内电子运动和离子的运动是解耦合的。在内爆滞止阶段电荷分离产生强的径向电场,这个电场将磁能转化为等离子体轴向(z方向)动能,内爆动能和轴向动能共同转化为X射线辐射能,以此解释了X射线能量大于内爆动能这一观测结果。分析了磁重联电磁脉冲的性质,对于1 MA驱动条件,电磁脉冲的总能量可达kJ量级。