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。     

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。     

X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。     

基于单丝行为的平面型丝阵Z箍缩模拟

平面型丝阵负载是近年来Z箍缩实验中研究较多的一种非圆柱型丝阵负载.基于平面型丝阵中单丝的静磁场分析并结合单丝的径向运动方程,计算获得了聚爆过程中负载电流在每根丝上分配、每根丝所受磁场力、丝阵负载区磁场分布、负载总电感及聚爆过程中负载动能变化等规律.模拟计算了平面型丝阵负载Z箍缩聚爆轨迹及聚爆时间,并与"强光一号"加速器上进行的平面型丝阵实验结果进行了对比.结果表明,基于单丝行为的模拟误差约为10%,可较为准确地获得平面型丝阵负载聚爆时间.计算结果有助于深入理解平面型丝阵负载Z箍缩物理过程,同时该模型可用于平面型丝阵负载参数设计.     

电感分布对双层丝阵Z箍缩内爆动力学模式的影响

采用等效电路和零维分析方法,建立了双层丝阵Z箍缩内爆动力学的物理模型. 研究了内、外层丝阵电感分布及其变化对双层丝阵内爆动力学模式的决定性影响,结果表明丝阵的初始电感决定了初始电流分配,动态电感变化影响丝阵内爆的动力学过程. 提出由于电感的变化可能存在四种不同的双层丝阵内爆动力学模式. 针对“强光一号”装置Z箍缩双层丝阵负载参数进行计算分析,可以得到外层等离子体穿透内层先运动到芯的动力学模式,与其他低电流装置在实验上观察到的物理图像一致. 关键词： Z箍缩内爆等离子体 双层丝阵负载 电感 动力学模式     

“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。     

Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

PTS装置Z箍缩负载设计分析

介绍了PTS装置丝阵负载设计思路,用简化的薄壳模型(零维)和辐射磁流体力学模型(一维)数值模拟了丝阵Z箍缩内爆过程,给出了PTS丝阵负载设计参数,分析了初步优化结果,确定了优化选择的箍缩常数.经脉冲功率驱动器与负载优化匹配设计,PTS实验平台能够获得100TW量级的X射线功率,最佳插头能量转换效率10%.预计PTS实验平台的X射线输出能力基本达到Saturn装置长脉冲模式放电的水平.结果将为PTS开展Z箍缩研究提供有价值的参考. 关键词： PTS装置 Z箍缩丝阵负载 零维薄壳模型 一维辐射磁流体力学数值模拟     

Z箍缩等离子体MHD不稳定性的简化分析

在Haines的理论模型基础上,将金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体MRT不稳定性发展的全过程划分为四个部分加以描述,并利用ZP-0D程序定性分析了丝阵参数和驱动器条件对不稳定性的影响。研究结果表明,增加丝阵的丝根数,能够明显改善Z箍缩的稳定状态,有利于提高箍缩停滞时等离子体的温度、密度及X射线产额。     

1—4 MA电流驱动的丝阵X光辐射优化的实验研究

进行了1—4MA电流驱动的钨丝阵列负载的Z箍缩实验研究,通过丝阵参数、负载电极结构的优化设计及负载初始装配状态的控制优化X光辐射功率,在单、双层丝阵的内爆实验中分别获得5.3±1.0 TW和5.6±1.1 TW的峰值辐射功率,创同类装置上X光辐射功率的最高纪录. 关键词： Z箍缩')" href="#">Z箍缩 丝阵X光辐射 优化     

弹簧支撑自适应Z-pinch单层柱面丝阵负载研制

 在靶室阴、阳电极呈水平放置的电磁内爆加速器中，抽真空时电极间距会收缩变短，电极间的丝阵负载无法维持预定的分布状态，为此，设计出了一套单层柱面状丝阵负载制备技术，通过弹簧预先压缩足够长度使负载能自动适应电极间距变化，并利用一套可以拆卸的辅助装置固定负载各部件。对制备出的多种单层柱面丝阵负载的测试及靶场实验结果表明，负载能自动适应电极间距变化，最大收缩量达3mm，负载丝仍保持预定的分布并且绷紧，制备技术也便于负载的装配、运输和安装。     

X-ray backlighting of two-wire Z-pinch plasma using X-pinch

Two 50-μm Mo wires in parallel used as a Z-pinch load are electrically exploded with a pulsed current rising to 275 kA in 125 ns and their explosion processes are backlighted using an X-pinch as an x-ray source.The backlighting images show clearly the processes similar to those occurring in the initial stages of a cylindrical wire-array Z-pinch,including the electric explosion of single wires characterised by the dense wire cores surrounded by a low-density coronal plasma,the expansion of the exploding wire,the sausage instability (m=0) in the coronal plasma around each wire,the motion of the coronal plasma as well as the wire core toward the current centroid,the formation of the precursor plasma column with a twist structure something like that of higher mode instability,especially the kink instability (m=1).     

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     

Simulation of Z-Pinch Processes of Nested Tungsten Wire-Array on Angara-5-1 Facility

Based on the hydrodynamic shell-on-shell collision model, the Z-pinch processes of nested tungsten wire-array in Sino-Russian joint experiments on Angara-5-1 facility are simulated by means of our one-dimensional three-temperature radiation magneto-hydrodynamic code. The results show the evolutions of x-ray radiation burst, implosion trajectories of interfaces, current transfer in inner and outer wire-array plasmas, and the temporal and spatial changes of magnetic field and current density in the process. About 20% of the total driven current is transferred into the inner wire-array plasma by convection and diffusion of magnetic field when the two shells are pinched closest. Compared to the measured x-ray power, the simulated full width at half maximum and time at the strongest radiation agree approximately with the measured values. It is also demonstrated in our simulation that the radiation of nested wire-array Z-pinch is enhanced. The effects of fluctuations of driven current on yields of x-ray are also investigated.     

Effect of radial-electric-field polarity on wire-array Z-pinch dynamics

The formation of plasma in wire-array Z-pinch experiments was found to depend upon the polarity of the radial-electric field near the wires. Reversing the radial-electric field midway along the length of an array resulted in the ablation rate of one-half of the array being reduced by 50%, significantly delaying the start of its implosion and altering its acceleration towards the axis. The observed phenomena cannot be explained by the standard magnetohydrodynamic models of array behavior, suggesting that effects such as electron emission may be important, especially during wire initiation.     

用X-pinch对双丝Z箍缩进行轴向X射线背光照相

利用PPG-1脉冲电流源(400 kA, 100 ns), 同时驱动X-pinch和双丝Z箍缩负载. 用X-pinch作为X射线源, 对双丝Z箍缩进行了轴向背光照相的初步实验. 得到了双丝Z箍缩在r-θ 平面上随时间演化的图像, 观察到了丝阵Z箍缩所有早期过程, 包括丝芯膨胀、冕层等离子体产生、等离子体向丝阵中心的运动、先驱等离子体形成. 利用阶跃光楔滤片, 对上述背光图像进行了等离子体质量面密度的标定, 首次得到了在r-θ平面上双丝Z箍缩等离子体质量面密度的时空分布图像.     

End-on x-ray backlighting experiments for axial diagnostics of wire-array Z-pinch plasma on PPG-1

An X-pinch axial backlighting system has been designed to quantitatively measure the density distribution of wirearray Z-pinch plasmas. End-on backlighting experiments were carried out on a 200 kA, 100 ns pulsed-power generator(PPG-1) at the Tsinghua University. Compared with side-on backlighting, end-on measurements provide an axial view of the evolution of Z-pinch plasmas. Early stages of 2-, 4-, and 8-wire Z-pinch plasmas were observed via point-projection backlighting radiography with a relatively high success rate. The density distribution of Z-pinch plasma on the r–θ plane was obtained directly from the images with the help of step wedges, and the inward radial velocity was calculated. The ablation rates obtained by X-pinch backlighting experiments are compared in detail with those calculated by the rocket model and the results show consistency.     

5 MA 100 ns重频LTD驱动器设计

设计了用于Z箍缩丝阵实验的重频LTD驱动器, 含6路并联模组, 每组由8个0.8 MA原型模块串联组成, 全真空结构。原型模块采用全新的单路触发和电感隔离技术, 触发难度和重频运行可靠性得到显著优化。利用电路模拟程序对驱动器进行了仿真计算, 结果表明:在初始半径1.2 cm、线质量1 mg/cm的Z箍缩负载上, 驱动器的输出电流峰值可到5.2 MA, 前沿91 ns;负载内爆最大动能78 kJ, 从电容储能至负载动能的转化效率为11.7%。该驱动器预期将获得高达20%~30%的辐射能量效率, 可为Z箍缩物理研究提供高效的实验平台。