丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断系统

主要介绍了为“强光一号”加速器丝阵负载Z箍缩实验设计的可见光图像诊断系统，系统时间分辨约为5ns，空间分辨约为6．5lp／mm，光谱响应范围365-750nm。系统能够满足从早期单丝电离到等离子体柱飞散整个Z箍缩过程的诊断要求，给出了系统在Z箍缩实验中获得的丝阵负载内爆图像序列，并对其反映的内爆现象进行了初步的唯象分析。

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。

Z箍缩丝阵负载参数的优化设计

以俄罗斯S 300Z pinch装置的负载电流波形为基准,利用Z箍缩的质点模型对钨丝阵负载的初始半径和线质量进行了系统的优化计算,得到了不同电流幅值的电流波形所对应的优化丝阵负载参数。发现了负载最大内爆动能与负载电流幅值的平方成正比关系。电流上升时间对最优丝阵负载参数的影响的计算表明,随着负载电流上升时间的增大,负载的最优线质量也要增大。

强光一号"加速器Z箍缩丝阵负载的零维模拟

作为丝阵Z箍缩实验的基础,丝阵负载的设计具有重要意义。主要介绍了Z箍缩丝阵负载设计的slug模型,首先对该模型的原理进行了分析,然后对该模型进行编程,并利用美国Saturn加速器上的丝阵负载实验结果进行验证,计算结果表明了程序的可靠性。最后应用该模型及所编写程序对"强光一号"加速器上丝阵负载的Z箍缩实验进行了模拟,获得了偏差小于5%的模拟结果。

两幅差分干涉诊断铝丝阵Z箍缩等离子体

研制了两幅激光差分干涉诊断系统,可在一次实验中获得两幅间隔3～12ns的高分辨干涉图像。该系统采用分光延时装置产生两束有一定夹角和时间间隔的探测激光脉冲,采用特殊的偏轴4f传像系统在同一块CCD的不同区域产生两幅干涉图像。应用该系统开展了铝丝阵Z箍缩激光干涉诊断实验,获得了丝膨胀和消融、晕等离子体产生和发展、以及先驱等离子体产生和发展等Z箍缩演化过程的实验图像,并给出了Z箍缩早期阶段的等离子体电子密度分布。

Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析

实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率。为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayle igh-Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析。分析表明:双层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性。

丝阵Z箍缩可见光辐射区径向变化过程

在“强光一号”上进行的Z箍缩实验中，利用1维可见光成像系统获取了丝阵内爆可见光辐射区径向变化过程图像。采用的负载包括单层钨丝阵、单层铝丝阵，驱动电流为1．3～1．5MA，上升时间89～140ns。实验结果表明：丝阵内爆产生轴向先驱等离子体柱，尺寸为0．3～0．5mm；丝阵在内爆和内爆到芯及冷却飞散阶段，外围区域始终存在较弱的可见光辐射；获得的可见光条纹像提供了丝阵等离子体内爆可见光轨迹，内爆径向压缩比为2．84～7．84，丝阵内爆速度为4．60×10^6～1．73×10^7cm／s。

丝阵Z箍缩实验1维X光辐射功率分布

在Angara-5-1联合实验中,利用条纹像机和光纤阵列实现时间分辨和1维空间分辨,得到了丝阵条纹像,观察到丝阵负载箍缩区X光辐射的1维轴向空间分布信息随时间的演化过程,考察了内爆的同步性和均匀性。通过对比不同结构负载内爆等离子体X光1维时空分布信息,发现由于内层等离子体对磁流体瑞利-泰勒不稳定性的抑制作用,(40+20)根双层钨丝阵比60根单层钨丝阵的内爆轴向同步性好,产生的X光辐射功率高;由于负载存在弯曲、断丝、扭曲等现象,(60+30)根双层钨丝阵比90根单层钨丝阵的轴向同步优势不明显;轴向同步性好与辐射功率高之间存在相关性;辐射波形前沿较快时,X光功率较高。

“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6～24mm、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1mm以下为宜。实验获得的平面型铝丝阵最大x射线辐射能量22kJ，峰值功率630GW，最大K层辐射能量3．9kJ，K层辐射功率158GW。

高温高密度Z-pinch等离子体自适应式平面丝阵负载制备技术研究

在Z pinch实验中,加速器两电极间距会因抽真空而发生改变从而导致平面丝阵负载的丝分布发生变化,为了解决这个问题,采用弹簧预压缩的方法,制备出了平面丝阵负载,经实验室模拟检测和物理实验的实际应用证明,平面丝阵负载不但能适应电极方向呈任何方向放置的靶室,还能自动适应靶室电极间距因抽真空而发生的变化。在实验过程中丝阵可以保持绷紧的状态,满足了物理实验的要求。

Z箍缩丝阵负载区域的似稳态磁场分布

将负载区域的电流(丝阵电流、阴极板电流、阳极板电流和回流柱电流)离散成电流线或电流面等电流微元,根据毕奥-萨伐尔定律,计算所有电流微元在指定场点的磁场,再通过叠加给出该点的总磁场。研究结果发现:在丝阵外围区域,仅由丝阵电流所产生的磁场偏离无限长直导线磁场公式的值,但全部电流所产生的总磁场与公式给出的值很接近。同时,研究了不同负载结构参数下的磁场分布,结果表明:增加丝根数有助于减小单根丝表面的局部磁场,改善丝阵外围磁场分布的均匀性。

“阳”加速器丝阵负载内爆数值模拟

基于描述Saturn装置的ZORK模型,使用Pspice语言建立了适用于"阳"加速器计算使用的金属丝阵负载模型并进行了相关计算,经过数值模拟与"阳"加速器1050#,1043#等相关实验结果的对比,验证了驱动电路与相关模型设计的正确性,并对计算结果进行了讨论,给出了此负载模型的适用性分析。使用计算得到的阳1050#加载电流曲线,进行了1维磁流体力学计算,给出内爆时间、辐射功率峰等相关参数。

兆安级电流下Al丝阵的芯晕结构抑制研究

为了抑制丝阵Z箍缩中金属丝在电流早期电爆炸形成的芯晕结构,基于强光一号加速器,利用二级丝阵负载开展了Al丝阵早期物理状态的调控研究。通过陡化预脉冲和调整二级丝阵的参数,实现了负载Al丝的全部汽化,抑制了芯晕结构的产生,气态Al丝芯的平均直径约为1.80 mm,且沿轴向均匀分布,降低了丝阵消融引起的初始不稳定性。若丝长度和直径保持不变,反转型丝阵的关断时间主要取决于Al丝的丝数;反转型丝阵关断后,气态丝芯在主电流脉冲作用下迅速电离并开始内爆,磁瑞丽泰勒不稳定性迅速发展,内爆等离子体流沿轴向呈周期性调制分布,调制波长约为650μm。Al丝阵初始状态的改变,有效抑制了丝的消融过程,消除了先驱等离子体,在内爆后期降低了拖尾质量,提高了箍缩品质。

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。

小波边缘检测算法在平面丝阵Z箍缩图像1维诊断中的应用

选择尺度融合的小波边缘检测算子对平面丝阵Z箍缩条纹相机图像进行处理,分析了影响边缘检测效果的参数。处理结果显示:如果边缘像素比例取合适值(4%～7%),若尺度取较大值时边缘定位不够精确,取较小值时受噪声影响较大;尺度融合的小波边缘检测算子则能精确判断图像边缘位置,同时受噪声影响较小;与直接判读方法相比,通过尺度融合的小波边缘检测算法判读的数据更稳定平滑,更能抵抗噪声的干扰。

丝阵靶箍缩等离子体软X射线辐射能谱研究

在S—300装置上研究了丝阵靶Z箍缩等离子体的软X射线辐射的动态过程。利用多通道X射线谱仪在50～2000eV范围内测量了丝阵靶内爆等离子体X射线辐射谱,辐射主要位于60～220eV谱段。辐射谱可用温度为40～50eV的Planck黑体谱近似描述。在能量高于500eV的谱段,辐射谱与Planck黑体谱有较大的偏离。这主要是因为等离子体热斑的出现、在1.5～2keV范围内线谱的存在和加速电子轫致辐射的结果。

丝阵Z-pinch等离子体内爆过程单丝特性研究

研究了丝阵 Z-pinch 等离子体内爆过程中,单丝行为及其物理参数的匹配,X 射线的发射情况,并对单丝的内爆过程进行了数值模拟。利用丝阵 Z-pinch等离子体动力学—维模型,研制了相关的计算程序,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。还对丝阵内的最小丝间距,材料的选择等的等问题进行了优化研究。

表面绝缘对平面钨丝阵Z箍缩早期过程的影响

在"强光一号"装置上研究了表面绝缘对平面钨丝阵早期过程的影响。通过对实验结果的唯象分析,发现相对于标准丝阵,表面绝缘丝阵X射线辐射被强烈延迟,并与丝阵宽度有较强的依赖关系,在X射线辐射之前存在较强的阴极发射;表面绝缘丝阵X射线辐射副脉冲幅值是标准丝阵两倍,且存在较长的平台期,其单丝等离子体膨胀导致的温度降低效应比标准丝阵强;在快速内爆开始之前,两者形成了类似的宏观磁流体不稳定性结构。

基于多质点模型的准球形丝阵参数优化研究

基于多质点薄壳模型对准球形丝阵负载参数进行优化,使得终态等离子体具有预期的内爆特性。通过对丝阵初始位形优化,可以获得期望的终态等离子体壳纵横比,并且终态纵横比对负载初始质量变化不敏感。对于固定电流波形(峰值1.2 MA、上升时间80ns),优化计算了初始丝长度15.4mm的丝阵线质量。结果表明,当丝阵初始线质量约为150μg/cm时,赤道半径为2mm、纵横比为1的终态等离子体壳具有最大动能1.5kJ。同时,还针对不同幅度及上升时间的电流进行优化计算,计算结果表明终态等离子体壳的优化的最高动能与电流峰值平方成正比,与最高动能相应的线质量与电流上升时间平方成正比。

双层钨丝阵的软X射线辐射参数

在俄罗斯新能源研究所的Angara-5-1装置上对双层钨丝阵的辐射参数进行了实验研究,将不同结构的双层钨丝阵的实验结果及双层钨丝阵与单层钨丝阵的实验结果进行了比较。根据理论模拟提出的4种双层丝阵内爆动力学模式对3次中俄联合实验双层丝阵辐射功率结果进行了分析。双层丝阵的外层与内层同步内爆后,内层相对均匀等离子的分布将有效改善外层等离子体时空分布的均匀性,与单层丝阵相比,X射线辐射功率增加了32%。