强光一号Z箍缩实验研究

 在强光一号装置驱动电流峰值1.4~2.1 MA、上升时间80~100 ns条件下,研究了喷Kr气、喷Ne气、W丝阵和Al丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性和聚爆过程。实验研究中,用分压器和两个罗戈夫斯基线圈分别测量二极管的电压和流过负载的电流波形,用过滤型X射线二极管和100~1 400 eV平能谱响应闪烁探测器测量X射线时间谱,用镍薄膜量热计测量X射线总能量,用纳秒时间分辨软X射线图像诊断系统记录了Z箍缩的聚爆过程,用时空分辨的椭圆弯晶谱仪诊断了Z箍缩等离子体产生的keV级特征X射线的能谱分布。其中,喷Kr气负载的X射线辐射总能量大于60 kJ,峰值功率约1.7 TW,总能量转换效率可达23%;W丝阵负载的辐射总能量大于30 kJ,峰值功率约1.30 TW,总能量转换效率约为12.5%;喷Ne气负载的keV级辐射总能量5.6 kJ,峰值功率约256 GW,能量转换效率可达2%; Al丝阵负载的keV级辐射总能量2.3 kJ,峰值功率约94 GW,能量转换效率可达0.8%。喷气负载在Z箍缩聚爆过程中存在“拉链”现象,丝阵负载在Z箍缩聚爆过程中存在先驱现象。     

“强光一号”钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性研究

在“强光一号”装置驱动电流峰值1.4—2.1MA、上升时间80—100ns条件下，研究了不同丝阵直径、丝数及丝直径的钨丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性.用自行研制的测试系统对等离子体辐射参数进行了诊断.实验获得的最大X射线总能量为34kJ，最大峰值功率为1.28TW.得到了一些关于钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性的规律性认识. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 等离子体辐射     

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.     

“强光一号”单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究

利用强光一号装置开展了排宽度6~24 mm、丝根数10~34、不同参数的单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究,重点研究了不同负载参数下平面型丝阵Z箍缩内爆、辐射特性随负载参数的变化规律。结果表明：平面型丝阵负载内爆过程存在先驱等离子体柱、拖尾质量等,并伴随着R-T不稳定性;在滞止后期等离子体箍缩柱受扭曲不稳定性影响明显;不同参数负载聚爆时间取决于线质量与排宽度平方的乘积值;以辐射能衡量的最优化值应位于200~400 gcm之间,在相同值下丝间距应选择在1 mm以下为宜。实验获得的平面型铝丝阵最大X射线辐射能量22 kJ,峰值功率630 GW,最大K层辐射能量3.9 kJ,K层辐射功率158 GW。     

“强光一号”单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究

利用"强光一号"装置开展了排宽度6~24 mm、丝根数10~34、不同参数的单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究,重点研究了不同负载参数下平面型丝阵Z箍缩内爆、辐射特性随负载参数的变化规律。结果表明:平面型丝阵负载内爆过程存在先驱等离子体柱、拖尾质量等,并伴随着R-T不稳定性;在滞止后期等离子体箍缩柱受扭曲不稳定性影响明显;不同参数负载聚爆时间取决于线质量与排宽度平方的乘积值;以辐射能衡量的最优化值应位于200~400μg·cm之间,在相同值下丝间距应选择在1 mm以下为宜。实验获得的平面型铝丝阵最大X射线辐射能量22 kJ,峰值功率630 GW,最大K层辐射能量3.9 kJ,K层辐射功率158 GW。     

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。     

平行面多金属钨丝Z箍缩实验研究

 利用“阳”加速器对平行面多金属钨丝（直径17 μm，丝间距1 mm，丝数3根或5根）负载进行了Z箍缩聚爆实验研究。在峰值为350 kA,上升沿约80 ns的电流作用下，使用针孔成像技术和X射线诊断技术，获得多钨丝等离子体融合图像及相应的软X射线辐射信号。对金属丝聚爆过程中负载电流变化对实验影响进行了分析，并探讨了引起聚爆过程中的等离子体柱腊肠型不稳定性、扭曲型不稳定性和“热点”及其周围弥散斑等现象的原因。     

平行面多金属钨丝Z箍缩实验研究

利用“阳”加速器对平行面多金属钨丝（直径17 μm,丝间距1 mm,丝数3根或5根）负载进行了Z箍缩聚爆实验研究。在峰值为350 kA,上升沿约80 ns的电流作用下,使用针孔成像技术和X射线诊断技术,获得多钨丝等离子体融合图像及相应的软X射线辐射信号。对金属丝聚爆过程中负载电流变化对实验影响进行了分析,并探讨了引起聚爆过程中的等离子体柱腊肠型不稳定性、扭曲型不稳定性和“热点”及其周围弥散斑等现象的原因。     

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。     

双层丝阵Z箍缩电流分配实验研究

负载内外层电流分配是决定双层丝阵Z箍缩内爆动力学模式的关键因素. 在"强光一号"装置上, 利用微型磁探针系统定量测量了双层钨丝阵三个重要径向位置点的电流, 获得了其在驱动电流开始上升至驱动电流达到峰值之前20ns这一阶段内的时间演化行为. 实验使用的双层钨丝阵负载高度为20mm、单丝直径为3.8μm、内/外层丝阵直径分别为8mm/16mm. 对比了内/外层丝根数分别为42/21和21/42时电流分配的差异. 结果表明: 驱动电流上升过程中, 内外层丝阵的电流均逐步增大, 外层丝阵电流份额逐渐减小, 而内层丝阵电流份额逐渐增大; 内层丝阵最大电流份额未超过50%; 内/外层丝根数为21/42的负载外层电流较大. 关键词： Z箍缩 双层丝阵 电流分配     

X-ray observations of tungsten wire array Z-pinch implosions on QiangGuang-1 facility

Z-pinch experiments with two arrays consisting, respectively, of 32 4-μm- and 6-μm-diameter tungsten wires have been carried out on QiangGuang-1 facility with a current rising up to 1.5MA in 80ns. At early time of implosion, x-ray framing images show that the initial emission comes from the central part of arrays, and double clear emission rings, drifting to the anode and the cathode at 5×10⁶cm/s and 2.4×10⁷cm/s respectively, are often produced near the electrodes. Later, in a 4-μm-diameter tungsten wire array, filamentation caused by ohmic heating is prominent, and more than ten filaments have been observed. A radial inward shift of arrays starts at about 30\,ns earlier than the occurrence of the x-ray peak power for both kinds of arrays, and the shrinkage rate of emission region is as high as 1.7×10⁷cm/s in a 4-μm-diameter tungsten wire array, which is two times higher than that in a 6-μm one. Emission from precursor plasmas is observed in implosion of 6-μm-diameter tungsten wire arrays, but not in implosion of a 4-μm-diameter tungsten wire array. Whereas, in a 4-μm-diameter tungsten wire array, the soft x-ray emission shows the growth of m=1 instability in the plasma column, which is caused by current. The reasons for the discrepancy between implosions of 4-μm- and 6-μm-diameter tungsten wire arrays are explained.     

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。     

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.     

Spatially-resolved spectroscopic diagnosing of aluminum wire array Z-pinch plasmas on QiangGuang-I facility

Spatially-resolved crystal spectrometers with a high spectral resolution are developed to diagnose K-shell x-ray radiation from Z-pinch plasmas. These diagnostic apparatuses are successfully applied to aluminum wire array Z-pinch experiments on QiangGuang-I facility, a driver with a pulsed current up to about 1.5 MA in 80 ns. Time-integrated experimental results show that the K-shell x-ray emission lines of aluminum Z-pinch plasmas are dominated by line emissions from helium-like ionisation state. Bright spots that might have higher electron temperature or density are produced randomly in location and size along the z-axis during implosions. According to the experimental data, the electron temperature and the ion density are estimated to be between 250 eV and 310 eV, and between 7.0×10¹⁹cm^-3 and 4.0×10¹⁹ cm^-3 respectively, while the ion temperature is inferred to be about 10.2 keV, which is much higher than the electron temperature.     

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     

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。     

S-300装置铝丝阵内爆X光辐射特性

 零维模型负载优化设计制作的单层和双层铝丝阵负载,在俄罗斯S-300强流发生器上,利用“狭缝+闪烁体+光电探测器”X光功率测量系统对X光辐射特性参数进行了诊断。实验获得单层丝阵负载的辐射功率为(0.31±0.19) TW,辐射总能量为(16.93±7.45) kJ,脉宽为(18.41±5.00) ns;双层丝阵负载的辐射功率为(0.37±0.12) TW,辐射总能量为(16.40±3.99) kJ,脉宽为(13.45±3.50) ns。实验结果表明,双层丝阵负载辐射功率高于单层19.4%,信号脉宽窄4.96 ns。     

S-300装置铝丝阵内爆X光辐射特性

零维模型负载优化设计制作的单层和双层铝丝阵负载,在俄罗斯S-300强流发生器上,利用“狭缝+闪烁体+光电探测器”X光功率测量系统对X光辐射特性参数进行了诊断。实验获得单层丝阵负载的辐射功率为(0.31±0.19) TW,辐射总能量为(16.93±7.45) kJ,脉宽为(18.41±5.00) ns;双层丝阵负载的辐射功率为(0.37±0.12) TW,辐射总能量为(16.40±3.99) kJ,脉宽为(13.45±3.50) ns。实验结果表明,双层丝阵负载辐射功率高于单层19.4%,信号脉宽窄4.96 ns。     

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。