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     

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     

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。     

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。     

喷气Z箍缩内爆动力学过程的数值模拟研究

在分析了喷气Z箍缩内爆等离子体物理过程的基础上，作了必要的假定和简化，给出了物理模型和相应的数学方程组.研制了一维三温辐射磁流体动力学的数值模拟程序，对氖喷气Z箍缩内爆产生高温高密度等离子体过程进行了总体数值模拟，得到了等离子体各参量在内爆过程中的时空分布，再现了该内爆动力学整体过程，并与GAMBLE-Ⅱ装置的实验结果进行了比较.计算结果表明，在对热传导系数和等离子体电阻率作适当调整后，得到的计算结果是自洽的，其中内爆到心时刻、x射线辐射脉冲的脉宽和总能量等宏观量与实验结果比较接近.同时对喷气Z箍缩内爆过 关键词： 喷气Z箍缩 x射线辐射 辐射磁流体动力学     

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。     

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针对实验室等离子体的辐射物理条件和等离子体箍缩三温的数值模型,提出一种定量计算Z箍缩等离子体辐射能谱的近似方法。在给出计算能谱结构的理论方法之后,再将这种近似计算方法编入到Kr喷气Z箍缩等离子体X射线辐射的二维三温辐射磁流体力学模型中,得出典型Kr喷气Z箍缩X射线辐射的能谱分布。对照"强光一号"加速器Kr喷气箍缩实验测量得到的辐射能谱分布,分析了理论与实测结果之间存在的偏差。     

喷气式Z箍缩等离子体辐射软X射线能谱的研究

研制了一台五通道ROSS-FILTER-PIN软X射线能谱仪，能谱范围为0.28—1.56keV.它由5个连续能段组成，每个能段的起止边由罗斯滤片对(ROSS-FILTERS)的L或K吸收边确定.罗斯滤片对的厚度通过优化计算得到，为了使每个通道的灵敏区外响应(即所测能段外响应)与通道总响应之比最小，在滤片对的第二滤片上镀上了一定厚度的第一滤片材料；为了缩减滤片表面积以增强低能滤片的抗冲击能力及方便滤片加工，能谱仪采用了小探测面积的PIN探测器(1mm²).借助此能谱仪，测量得到了喷气式Z箍缩(Z-pinch)等离子体辐射软X射线能谱的分布，并研究了软X射线产额随箍缩状况的变化趋势. 关键词： Z箍缩等离子体 罗斯滤片 软X射线能谱     

“阳”加速器上喷气Z箍缩负载特性

介绍了一种用于"阳"加速器的超音速单壳层喷气Z箍缩负载。利用快响应压力探针对喷气负载产生的超音速流场进行了测量,获得了流场中各个位置的冲击压力以及超音速喷嘴前端的驻室压力,结合流体力学公式,给出了流场中的压力和密度分布。气流的径向密度剖面显示,气体壳层的位置随轴向位置的变化而存在差异,并且随着到喷嘴距离的增加,轴心处的气流密度不断增加。对密度分布的径向积分结果表明,气流在靠近喷嘴处的线质量密度最大,距喷嘴越远,线质量密度越小。利用单壳层超音速喷气负载,在"阳"加速器上进行了喷气Z箍缩内爆实验,对内爆过程进行了初步分析,并利用雪耙模型计算了等离子体壳层的内爆轨迹,计算结果与实验测量较好地符合。     

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。     

基于等离子体粒子模拟的喷气Z箍缩过程物理研究

给出了喷气Z箍缩动力学过程在二维柱坐标系下的等离子体粒子模拟物理模型,编写了相应的程序.对低电流驱动下的稀薄喷气Z箍缩动力学过程进行了验证性的等离子体粒子模拟,得到了许多微观的Z箍缩物理信息,如负载中的电流(密度)、电磁场、粒子位置和密度的时空演化,以及总的z箍缩拖尾质量和拖尾电流等信息.发现在Z箍缩过程中,模拟得到的等离子体电流随时间的变化反映出了等离子体箍缩到心和反弹的过程特征,磁场随径向的变化与长直导线电流给出的磁场很接近;电子所受到的电场力和磁场力(洛伦兹力)是相当的,而离子所受到的力主要是电场力;电子首先在z方向加速,然后在自身运动产生电流的磁场的作用下向轴心箍缩,而离子是在电子和离子电荷分离所产生的电场力的作用下向轴心运动;在压缩到轴心附近时,电子首先因静电排斥而飞散,而离子则在惯性的作用下继续向轴心箍缩,而后滞止飞散.Z箍缩等离子体的拖尾质量在20%左右,拖尾电流最大时在7%左右.     

Z箍缩等离子体K壳层X射线自辐射单色成像

采用针孔配接对数螺线柱面晶体方案,研制了一种小型、靶室内置X射线单色成像器,用于获取Z箍缩等离子体K壳层自辐射单色图像。在阳加速器上对该成像器进行了测试,成功地获取了铝丝阵负载Z箍缩等离子体K壳层自辐射的类氢线与类氦线单色图像。实验结果表明:该成像器具有优异的单色性（能谱带宽小于1 eV）,适合于中低原子序数Z箍缩内爆负载的特征谱线单色图像诊断。     

Evolution of gas-puff Z-pinch during implosion and pinch phase

The four-frame high-speed electrooptical camera backed by an automatic image capturing and processing system has been used to investigate the evolution of the gas-puff Z-pinch. The sequence of four images of the pinch continuum radiation (the exposure of each frame was 1 ns, the time separation of frames was 10 or 20 ns) enabled the study of the pinch-forming phase (zipper effect, compression), the stagnation of plasma on the axis, as well as the pinch decay (disintegration, collapsing of the plasma column) and the determination of the velocities of individual processes