脉冲驱动磁化等离子体内爆升温点火的数值模拟

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。

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 .

喷气Z箍缩内爆等离子体的雪铲模型

在喷气Z pinch内爆等离子体研究中,雪铲模型是一种常用的、比较简单的物理模型。根据实验中提供的电流波形,负载线质量和初始半径,可以通过雪铲模型来估算内爆到心的时刻。根据一维运动方程和不同构形下的解析解以及部分实验结果相结合,讨论了雪铲模型的适用范围。数值计算的内爆时间和实验(GambleII,Double EAGLE,BLACKJACK5)测量值符合得较好。结果表明,雪铲模型在喷气Z pinch实验的负载优化设计研究中是很有参考价值的方法。

用云母弯晶谱仪探测Z箍缩等离子体X射线光谱

为了研究Z箍缩等离子体辐射的X射线光谱，研制了可用于“阳”加速器上探测宽频谱范围的X射线椭圆弯曲晶体谱仪。该谱仪晶体分析器采用云母材料，椭圆焦距为1350mm，离心率为0．9485，覆盖布拉格范围为30°～60°，可探测X射线波长范围为0．10～1．73nm（0．86～1．00nm除外），用X射线胶片接收光谱信号。探测实验在中国工程物理研究院“阳”加速器上进行，实验结果表明：谱仪获取了氩的类氢共振线Lya及其伴线、类氦共振线（1s2p^1P1-1s2^1So）ω线及磁四级M2跃迁（1s2p^3P2-1s^21^So）x线、互组合跃迁（1s2p^3P1-1s^21^So）y线、禁戒谱线（1s2p^3P1-1s^21^So）z线和Ka线，谱线分辨率达到564。实验证明弯晶谱仪适合于Z箍缩等离子体X射线光谱学诊断。

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。

Z箍缩内爆等离子体研究新进展

目前 ,快过程Z箍缩内爆等离子体可以把储存在脉冲功率加速器内 15 %的电能转化为大能量、高功率的X射线源 .美国Sandia实验室的Z装置已经产生了总能量为 1 8MJ、功率为 2 90TW和黑腔温度超过 2 0 0eV的X射线源 ,这些进展正在用于惯性约束聚变 (ICF)实验研究 ,并对它的后续装置X - 1正在进行概念性设计 .文章概要地叙述了Sandia实验室近五年来在Z装置上进行Z箍缩实验所取得的进展 .

Z箍缩内爆的MARED程序1维模拟分析

研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要。介绍了2维三温辐射磁流体力学程序(MARED)的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数。结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加。

准球形丝阵电磁内爆研究

快过程Z箍缩等离子体是具有广阔应用前景的强X射线辐射源。由于采用Z箍缩方式可实现电能转换成X射线能量效率高达15％，因此将其用于惯性约束聚变研究可实现低成本、高产额、高效费比。利用准球形丝阵内爆等离子体可以直接在三维尺度上对靶丸进行压缩，与二维压缩的柱形丝阵相比，可将更高效地等离子体动能转换成负载中心黑腔内辐射能。将准球形丝阵Z箍缩用于驱动惯性约束聚变，有助于提高中心黑腔内辐射场能量密度和辐射场温度，降低实现Z箍缩驱动聚变点火的难度。

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

在拉格朗日坐标系下,建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组,并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟,得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。

“阳”加速器Z-pinch实验中负载方案的分析

对“阳”加速器 ( 1 .2 MV,1 .5MA,1 2 0 ns)上开展 Z箍缩 ( Z-pinch)内爆等离子体实验产生强 X光源的负载设计进行了基本的物理分析 ,在此基础上给出负载的结构尺寸 ,气体种类、密度和相关的参数。

“阳”加速器上喷气Z箍缩负载特性

介绍了一种用于"阳"加速器的超音速单壳层喷气Z箍缩负载。利用快响应压力探针对喷气负载产生的超音速流场进行了测量,获得了流场中各个位置的冲击压力以及超音速喷嘴前端的驻室压力,结合流体力学公式,给出了流场中的压力和密度分布。气流的径向密度剖面显示,气体壳层的位置随轴向位置的变化而存在差异,并且随着到喷嘴距离的增加,轴心处的气流密度不断增加。对密度分布的径向积分结果表明,气流在靠近喷嘴处的线质量密度最大,距喷嘴越远,线质量密度越小。利用单壳层超音速喷气负载,在"阳"加速器上进行了喷气Z箍缩内爆实验,对内爆过程进行了初步分析,并利用雪耙模型计算了等离子体壳层的内爆轨迹,计算结果与实验测量较好地符合。

电磁加载下的高能量密度物理问题研究（续1）

3电磁加载高能量密度物理研究进展 3．1Z箍缩内爆ICF研究 3．1．1Z箍缩内爆等离子体负载的构形-真空黑腔和动力黑腔 利用Z箍缩内爆等离子体进行惯性约束聚变（ICF）研究，最初来自1973年Turchi和Baker提出的电磁内爆概念，这里包含着两条不同的途径.

单壳层喷气Z箍缩内爆特性分析

在"阳"加速器(电流峰值为500—850kA,上升时间约为85ns)上利用单壳层喷气负载开展了Z箍缩等离子体内爆实验,获得了等离子体的辐射产额、X光辐射图像等诊断结果.利用相应的诊断结果,定义了内爆时间,对内爆过程的主要阶段进行了划分,研究了等离子体位形、辐射强度分布等实验现象,同时对等离子体的内爆轨迹、内爆质量、径向收缩比、磁流体不稳定性等进行了初步分析.

用于Z-pinch的二维空间分辨聚焦球晶摄谱仪

为了测量内爆等离子体空间分辨的X辐射谱，设计了球晶摄谱仪。球面晶体摄谱仪利用球面布拉格晶体作为色散元件测量丝阵内爆等离子体X辐射谱。球面晶体在子午面和弧矢面内具有相同的曲率半径，因此，子午面聚焦点和弧矢面聚焦点位置不同，要同时获得光源能谱和二维空间结构信息，必须把探测器置于弧矢聚焦平面上。当球面晶体参数、光源与晶体之间的距离以及中心掠射角确定后，就可以确定二维空间分辨球晶摄谱仪的探测器。

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.

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.