Z箍缩动态黑腔动力学及辐射特性初步实验研究

在“强光一号”装置进行的Z箍缩动态黑腔实验中, 初步系统研究了动态黑腔的内爆动力学特性及辐射特性的一般规律. 通过高空间分辨图像, 对丝阵与泡沫黑腔碰撞前后泡沫辐射场的变化, 泡沫对不稳定性发展的抑制开展了细致研究. 实验结果显示, 动态黑腔负载内爆的辐射功率波形呈现双峰结构, 首峰和主峰分别对应于碰撞和滞止过程. 8 mm负载的内爆速度高于12 mm负载, 但其他内爆动力学参数和辐射参数均无明显差异. 实验使用的泡沫黑腔能够很好地抑制不稳定性的发展, 但在泡沫内部未能实现对辐射的均匀控制, 滞止泡沫等离子体柱上仍能轻易区分辐射较强和辐射较弱的区域. 关键词： Z箍缩动态黑腔 泡沫黑腔 动力学特性 辐射特性     

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.     

Z箍缩动态黑腔冲击波辐射图像诊断

在“聚龙一号”装置上开展了单层钨丝阵加载重泡沫的动态黑腔实验, 初步研究了Z 箍缩动态黑腔中冲击波传播和黑腔形成的物理过程. 获得了冲击波辐射环的演化图像, 分析了丝阵等离子体与泡沫的作用过程及动态黑腔内的辐射特性. 测得冲击波的向心传播速度为(14.2±1.7) cm/μs, 冲击波平均宽度为0.8-0.9 mm. 冲击波辐射环的发光强度沿角向分布的标准偏差约为±10%, 中心黑腔区的标准偏差约为±4.2%.     

基于MULTI2D-Z程序的Z箍缩动态黑腔形成过程模拟

对辐射流体力学程序MULTI-2D进行改造,增加磁场演化方程程序模块,自洽地在运动方程模块中增加洛伦兹力,在能量方程模块中增加欧姆加热,将它改造成辐射磁流体力学程序MULTI2D-Z.验证了新增磁场程序模块的可靠性,并发现温度和密度的增大会抑制磁场的扩散,负径向速度梯度的流体对流也会抑制磁场的扩散.利用改造好的MULTI2D-Z程序模拟了峰值为8 MA的脉冲电流驱动的钨丝阵Z箍缩动态黑腔形成过程.得到了X光功率(约30 TW)和能量(约300 k J)、泡沫辐射温度(约120 eV)、箍缩轨迹等模拟结果.在动态黑腔形成过程中,磁场主要分布在钨主体等离子体中;辐射向内传播,烧蚀泡沫柱而使它膨胀;辐射热波在被撞击的泡沫柱中传播,其传播速度比物质温度传播得快,当辐射热波传播到中心轴时泡沫柱中的辐射场变得比较均匀,并且除了冲击波处外辐射温度与物质温度基本上没有分离.这些模拟结果可增强人们对磁场扩散和对流规律以及动态黑腔形成机制的理解,同时表明了MULTI2D-Z程序可成为Z箍缩及其应用的新的程序模拟工具.     

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.     

Z箍缩动态黑腔形成过程和关键影响因素数值模拟研究

在Z箍缩动态黑腔研究中, 认识黑腔形成物理过程及主要特征, 明确优化黑腔辐射的关键参数, 是实验物理设计的重要基础. 本文针对W丝阵填充CH泡沫转换体的负载构型, 利用一维辐射磁流体程序, 在8 MA驱动电流条件下开展了动态黑腔形成过程和关键影响因素的数值模拟研究. 结果表明, 丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用产生局部高压力区是驱动冲击波传播和形成动态黑腔的关键物理过程. 由于辐射超声速传播及其与冲击波波阵面的空间分离, 产生了辐射温度较高而物质未受明显压缩的动态黑腔区域. 丝阵等离子体碰撞泡沫转换体前的状态分布决定了动态黑腔辐射场的主要特征, 可以通过改变负载参数调整并优化黑腔辐射波形. 综合考虑黑腔峰值辐射温度和有效维持时间两个参数, 选择匹配质量的丝阵和泡沫, 使丝阵质量略小于泡沫, 可以获得相对优化的动态黑腔辐射波形. 同时, 合适的丝阵/泡沫初始半径比也是优化动态黑腔辐射的重要影响因素.     

Z箍缩聚变及高能量密度应用研究进展

基于脉冲功率技术的Z箍缩过程可以实现驱动器电储能到X光辐射的高效率转换,形成极端温度、密度、压力条件,近年来在惯性约束聚变及高能量密度应用中取得了一系列重要进展。综述了国际上辐射间接驱动和磁直接驱动两条Z箍缩聚变技术路线发展现状,简要介绍了我国Z箍缩聚变尤其是7~8 MA脉冲功率装置上的动态黑腔研究进展;分别从辐射与物质相互作用、辐射不透明度、材料动态特性、实验室天体物理等方面,概述了Z箍缩应用于高能量密度物理研究的技术路线和主要成果。希望通过对Z箍缩聚变及高能量密度应用研究的论述和发展趋势分析,推动我国Z箍缩研究领域的进一步发展。     

低密度泡沫金提升黑腔腔壁再发射率的实验研究

提高黑腔辐射温度对高能量密度物理研究,尤其是惯性约束聚变研究至关重要.提高黑腔腔壁再发射率是增强黑腔辐射温度的一个有效措施.理论研究发现低密度泡沫材料能够降低腔壁能量损失,进而提高再发射率.在神光II原型激光装置上开展了泡沫金和固体金再发射能流对比测量实验,证实了该理论研究.实验利用透射光栅得到具有空间分辨和谱分辨的X射线发射,测量结果表明在190 eV的黑腔辐射场作用下,0.4 g/cc密度的泡沫金可比固体金提升约20%的X射线能流发射,并且增加的发射以1 keV以下的低能能段为主.自相似解得到的理论结果和MULTI 1D模拟计算的结果均表明泡沫金可提高腔壁再发射能流,与实验结果定性一致.研究结果表明,泡沫金作为黑腔腔壁材料可提高腔壁再发射率,增强黑腔辐射温度,具有诱人的应用前景.     

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。     

准球形电磁内爆动力学研究及能量定标关系浅析

通过改变Z箍缩负载的初始形状和/或质量密度分布,可以实现等离子体的准球形聚心内爆.同柱形箍缩相比,准球形电磁内爆可以将内爆动能集中加载至负载中心较小的空间区域内,获得更高的能量密度,从而在驱动Z箍缩动态黑腔实现聚变点火方面具有潜在优势.准球形电磁内爆的负载和电极结构比柱形Z箍缩更复杂,球面收缩的几何特点使其内爆动力学过程和能量定标关系显著区别于柱形内爆.本文利用解析的薄壳模型推导并分析了理想条件下准球形电磁内爆的动力学行为和能量定标关系,并同二维磁流体力学模拟结果进行了比较.与柱形Z箍缩内爆相比,准球形电磁内爆的动能不仅与驱动电流有关,而且敏感地依赖于负载的初始尺寸.在不显著降低驱动电流和内爆品质的前提下,适当增加负载的初始半径和最大纬度,有利于获得更多的内爆动能和能量加载密度.     

Radiating shock measurements in the Z-pinch dynamic hohlraum

The Z-pinch dynamic hohlraum is an x-ray source for high energy-density physics studies that is heated by a radiating shock to radiation temperatures >200 eV. The time-dependent 300-400 eV electron temperature and 15-35 mg/cc density of this shock have been measured for the first time using space-resolved Si tracer spectroscopy. The shock x-ray emission is inferred from these measurements to exceed 50 TW, delivering >180 kJ to the hohlraum.     

4MA以下电流驱动垂直动态黑腔的自适应性

在4 MA以下电流驱动Z箍缩黑腔辐射特性和耦合效率研究牵引下,研制出了柱型动态黑腔。利用CHO低密度泡沫的自持能力,结合辅助夹具解决了泡沫柱的装配及定位问题。基于负载丝受小应变作用,丝阵和泡沫柱通过μm量级的自由滑动和转动,具备自动适应靶室环境变化能力。实验结果表明:研制出的动态黑腔在Angara-5-1装置环境中具有自动适应能力,各项参数满足物理实验的需求,获得的最高动力学黑腔X光辐射温度为62.7 eV,实验结果重复性优于91.5%。     

紫外激光探针在Z-pinch中的应用北大核心CSCD

报道了基于脉冲宽度为16ns、波长为266nm、总能量为30mJ、时间分辨为1.6ns的紫外激光四分幅阴影成像系统,用于研究Z-pinch产生等离子体与在丝阵负载中心放置塑料泡沫材料相互作用输运规律,研究动态黑腔形成过程的主要物理因素。使用高能高密度激光束透射等离子体,依据等离子体对激光束吸收衰减特性诊断激光束通过等离子体后的空间强度分布,通过理论计算获得等离子体空间密度分布,获得等离子体产生的早期稳定性、箍缩速度等规律。实验研究表明,在X射线峰值前约-25ns等离子体开始压缩塑料泡沫,在峰值前-5ns压缩到最小,之后泡沫开始膨胀。在X射线峰值时刻泡沫直径由3mm压缩到直径约为1mm,对泡沫的最大压缩比约为9倍。实验测量压缩速度约为3.3×10~6 cm/s,并给出了不同时刻的磁流体不稳定结构分布。     

脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟北大核心CSCD

通过建立物理模型,用一维三温拉氏磁流体力学程序分析了由强电流(MA)脉冲驱动的金属套筒内爆压缩磁化等离子体的升温点火及能量增益过程。分析了脉冲驱动的金属套筒内爆、不同驱动源对金属套筒内爆升温的影响、Z箍缩过程中内嵌磁场和预加热温度对磁化等离子体升温的影响,以及点火需要的初态参数和点火后的能量输出。此外,对该过程中磁场增加α粒子能量沉积、降低电子离子热传导能量损失的物理机制做了介绍和分析。磁流体数值模拟结果显示:当初始的内嵌磁场和燃料的预加热温度分别取5T和250eV时,即可获得超过4keV的升温,初始参数包括内嵌磁场、预加热温度、燃料密度、套筒尺度、驱动脉冲幅值、加载时间等。在一定的条件下,点火成功,可产生kT量级的强磁场,并获得百kJ/mm量级的能量输出。     

负载等离子体扰动对Z箍缩动态黑腔辐射温度的影响

通过二维辐射流体力学模拟研究了Z箍缩动态黑腔负载等离子体撞击泡沫柱的动力学过程,探索了带扰动负载等离子体形状对黑腔内辐射温度的影响。结果表明,带有扰动的负载等离子体撞击泡沫后会产生Rayleigh-Taylor(RT)流体不稳定性,导致动态黑腔内的辐射在负载等离子体光薄区域发生漏失,使黑腔内辐射温度降低;负载等离子体扰动振幅越大、波长越大,辐射漏失越严重,同等动能加载条件下黑腔内辐射温度也越低。     

Radiation-driven hydrodynamics of high- hohlraums on the national ignition facility

The first hohlraum experiments on the National Ignition Facility (NIF) using the initial four laser beams tested radiation temperature limits imposed by plasma filling. For a variety of hohlraum sizes and pulse lengths, the measured x-ray flux shows signatures of filling that coincide with hard x-ray emission from plasma streaming out of the hohlraum. These observations agree with hydrodynamic simulations and with an analytical model that includes hydrodynamic and coronal radiative losses. The modeling predicts radiation temperature limits with full NIF (1.8 MJ), greater, and of longer duration than required for ignition hohlraums.     

用于“聚龙一号”上软X光通量探测的平响应X光二极管

介绍了聚龙一号上使用的一种由金阴极X光二极管（XRD）和具有特殊构型的复合金滤片构成的平响应XRD探测器, 测量软X光通量的标定和实验情况。该探测器的灵敏度在北京同步辐射的4B7B束线站和4B7A束线站标定。标定的灵敏度显示, 该探测器对0.1~4 keV之间的X光具有近似平坦的响应曲线。根据标定情况和探测器的谱响应特性, 给出了目前该探测器在用于Z箍缩产生的软X光通量诊断中的测量不确定度为12%。在单层钨丝阵Z箍缩实验中, 平响应XRD探测器测得Z箍缩产生的X光功率峰值达到52 TW, 能量达540 kJ。在动态黑腔实验中, 布置在径向和轴向的两套平响应XRD探测器被用于建立径向辐射功率波形和轴向辐射功率波形之间的时间关联。在典型的动态黑腔实验中, 测得轴向辐射功率峰值出现在径向辐射功率前约1.2 ns。     

低密度泡沫金激光-X射线转换特性模拟研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 激光首先与黑腔壁高Z等离子体相互作用转换成强X射线辐射, 再通过高Z腔壁的X射线再辐射而在靶丸表面产生对称辐射以驱动其内爆, 改善腔中激光–X射线转换特性非常重要. 利用一维辐射流体程序模拟研究了低密度泡沫金对激光–X射线转换特性的影响, 结果表明: 在固定激光参数条件下, 随着Au材料密度降低, 激光–X射线转换效率提高, 当泡沫Au密度为0.1 g/cm³时, 转换效率相对提高19%; 同时, 金M带辐射份额随之减少; 对于发光区运动, 存在合适的泡沫Au密度使其得到有效抑制. 从能量平衡的角度分析了转换效率提高的原因: 在激光与低密度泡沫Au作用时, 转换为流体力学动能损耗的能量份额与固体Au相比有所降低, 因而相应的辐射能份额增加. 低密度泡沫Au改善激光–X射线转换特性是实现黑腔腔壁优化的一种途径, 模拟结果为进一步开展相应实验研究提供了依据. 关键词： 泡沫金 激光-X射线转换 辐射谱 等离子体运动     

点火黑腔二维模拟设计

基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P²辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.     

Experimental investigation of supersonic radiation propagation in low-density plastic and copper-doped foams

1 Introduction The investigation of supersonic radiation wave transporting in low density foam pro-duced by thermal radiation is of crucial importance in inertial confinement fusion (ICF) research[1]. When the intense radiation flux is incident in the media, first, a supersonic heat wave is formed which propagates into the undisturbed material. In time, due to the increasing mass of heated material, it slows down and is overtaken by a shock wave,thus becoming of the ablative type. Normally, …