Radiation characteristics and implosion dynamics of tungsten wire array Z-pinches on the YANG accelerator

We investigated the radiation characteristics and implosion dynamics of low-wire-number cylindrical tungsten wire array Z-pinches on the YANG accelerator with a peak current 0.8-1.1 MA and a rising time ～ 90 ns.The arrays are made up of(8-32)×5 μm wires 6/10 mm in diameter and 15 mm in height.The highest X-ray power obtained in the experiments was about 0.37 TW with the total radiation energy ～ 13 kJ and the energy conversion efficiency ～ 9%(24×5 μm wires,6 mm in diameter).Most of the X-ray emissions from tungsten Z-pinch plasmas were distributed in the spectral band of 100-600 eV,peaked at 250 and 375 eV.The dominant wavelengths of the wire ablation and the magneto-Rayleigh-Taylor instability were found and analyzed through measuring the time-gated self-emission and laser interferometric images.Through analyzing the implosion trajectories obtained by an optical streak camera,the run-in velocities of the Z-pinch plasmas at the end of the implosion phase were determined to be about(1.3-2.1)×10 7 cm/s.     

Z箍缩的时间分辨测量技术

在Z箍缩实验中，由脉冲功率技术提供强电流，在通过阴阳极之间的负载（气体、金属等）时，由预脉冲电流或主脉冲电流的前沿部分使负载形成部分电离的等离子体状态；当主脉冲电流通过负载等离子体时，强电流在圆柱等离子体的外侧产生强磁场，电磁场的洛伦兹力使负载本身产生向心加速运动，数兆安或更大的电流可以产生数百万大气压的向心推力，使负载迅速获得约10^7cm／s以上的高速度，电磁能转化为物质的动能。高速运动的负载在对称中心Z轴上止滞，物质的动能转化成为物质的内能和辐射能，     

“阳”加速器磁驱动平面飞片实验和速度计算校验

脉冲功率驱动源作为磁驱动加载的重要手段,通过调整其电路参数可调节负载电流波形,实现对样品无冲击准等熵加载。在"阳"加速器上,开展了一系列轴对称结构和带状结构构型的磁驱动平面飞片发射实验,电极材料采用不锈钢和LY-12铝。实验中测量了进入负载的电流历史和电极后自由面速度历史,并通过时序控制将两者时间关联起来。本文以测量到的电流历史数据为基础,引入负载电流分布系数,并结合已知的LY-12铝的状态方程数据,计算电极后自由面速度历史和飞片速度历史。通过实验测量自由面速度历史校验负载各个位置的电流分布系数。另外,基于装置参数和实验数据确定了考虑负载电感变化的装置等效电路模型,形成了计算样品压力加载历史和电极后自由面速度历史估算程序。此外,初步分析不同厚度电极的自由面速度历史,获取了电极材料的准等熵加载波剖面信息,观察到一系列准等熵加载下材料动力学性能引起的物理现象。     

Z“箍缩”的时间分辨测量技术研究

针对在阳加速器上进行的Z箍缩内爆实验所要求的超快分幅摄影技术研究,主要利用八个微通道板构成摄影系统的快门以达到时间分辨的要求,同时解决了在阳加速器上的精密同步问题以使系统可以稳定、可靠地一次拍摄到八幅图像,图像间隔最小为10 ns,曝光时间可达到3 ns.该技术以分幅原理获得大幅面的图像数据,具有图像特征清晰、空间信息详细的特点,为Z箍缩过程的研究提供了翔实的实验数据.     

氩气Z箍缩内爆动力学过程实验研究

在太瓦级脉冲功率装置“阳”加速器上开展了一系列氩气Z箍缩内爆实验研究.利用了高时空分辨的X射线纳秒分幅相机、可见光高速扫描相机、激光剪切差分干涉系统、X射线针孔相机和软X射线功率谱仪对内爆动力学过程进行了诊断.观测到了内爆中的“拉链”效应、“颈缩”效应、腊肠不稳定性等现象，获得了等离子体温度变化和内爆速度变化等典型结果，并分析了电流上升时间等因素对等离子体内爆过程的影响，给出了相关结论. 关键词： Z箍缩 等离子体 “拉链"效应 腊肠不稳定性     

阳加速器水传输线D-dot的设计、标定和实验

 应用D-dot探测器进行了阳加速器水传输线电压测量,利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号,通过RC积分取得电压信号。利用Pspice软件的瞬态分析功能模拟结合实验结果估算了探测器的杂散参数,进行了幅频响应特性分析;运用频响分析解释了测试结果。在加速器低电压短路实验状态下,用电阻分压器对其进行了在线标定。测量结果表明D-dot探测器获取了正确的电压波形,且工作稳定可靠。     

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在"阳"加速器(电流峰值为500-800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1-4 keV能段, 点光源尺寸小于15 μm, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.     

阳加速器真空磁绝缘线电流的测量

介绍了阳加速器真空磁绝缘线(MITL)探测器的设计;叙述了线下标定和在线标定方法,对标定结果进行了分析;给出了MITL电流的实测结果。在大电流快脉冲测量中,为避免自积分罗氏线圈出现匝间击穿,需要核算线圈感应电动势;线圈线下标定与在线标定结果一致。将B-dot探测器安装在距离MITL阴阳极较近的阳极孔中不影响磁绝缘效果;B-dot必须在线标定,设置合适的阴阳极短接点位置可以消除MITL电流密度不均匀的问题。     

阳加速器钨丝阵内爆软X光功率辐射特性

介绍了在阳加速器上进行的系列W丝阵Z箍缩物理实验,实验中阳加速器Marx充电电压60 kV,负载电流输出0.85~1.00 MA,电流上升时间75~90 ns（10%~90%）;进行软X光辐射功率测量的主要仪器是软X光闪烁体功率计,其核心部件为对50~1800 eV X光具有平响应特性的蓝光闪烁体。给出了系列W丝阵Z箍缩实验软X光辐射功率测量结果,从软X光辐射输出随丝阵负载参数（包括丝阵直径、长度、丝数）变化关系讨论了钨丝阵内爆辐射特性,给出了阳加速器上各负载参数优化的结果:丝阵直径Ф8 mm,丝阵长度15 mm,丝数24。同时对软X光辐射的空间分布特性进行了初步的探讨,给出了辐射功率在负载的轴向和径向的分布。     

阳加速器水传输线D—dot的设计、标定和实验

应用D-dot探测器测量了阳加速器水传输线电压。D-dot探测器利用探头与高压电极之间的结构电容获得脉冲电压的微分信号，通过RC积分取得电压信号。