Z箍缩动力学行为及其直接驱动型脉冲源研究进展

Z箍缩在惯性约束聚变、强脉冲辐射效应等前沿科技和国家安全领域发挥着重要作用。该文综述了Z箍缩等离子体动力学行为及其直接驱动型脉冲源关键技术方面的研究进展。首先,总结Z箍缩等离子体的实验诊断技术的发展,特别是激光汤姆逊散射流场诊断方法以及基于磁旋光效应的磁场诊断方法;其次,分析Z箍缩消融、内爆等过程中磁场演化图像及其作用机理的研究进展;再次,面向提升内爆品质的需求,总结预脉冲电流调控质量分布、外施轴向磁场调控等对丝阵Z箍缩内爆动力学行为的影响。同时,面向功率百太瓦级的大型Z箍缩装置建设,概述直接驱动型脉冲源新技术路线中的快直线型变压器支路技术、触发技术以及单路脉冲源的主要进展。最后,总结并提出下一步需要重点攻克的研究方向,主要包括长内爆时间下等离子体不稳定性抑制方法、大型直接驱动型脉冲源电磁能高效传输汇聚方法以及可靠运行技术等。

烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推进系统实验研究

脉冲等离子体推力器(PPT)是最早用于空间任务的电推力器.烧蚀Z箍缩脉冲等离子体推力器(AZPPT)因其同轴前后式和阳极尖锥的特殊构型可以在较小体积和功率下实现较高的推功比和比冲.研究阳极尖锥长度、充电电压、放电次数对AZPPT性能的影响,试验表明随着充电电压的升高,推力器放电电流峰值、羽流等离子体电子温度、元冲量等参数升高,证明可通过改变电压实现推力的宽范围调节.阳极尖锥高度增加时,推力器的元冲量有少量下降,比冲有明显上升,相比没有尖锥时,比冲最高提升23.7%,总体效率最高提升7.3%,证明该结构在小功率AZPPT中的性能优化作用.基于以上结果,设计开发了一款1 U小型化、模块化推进系统.推进系统点火成功,5 J放电能量下元冲量达193.72μN·s,具有小功率、综合性能好、结构紧凑等特点.

Z箍缩X射线入射材料的能量沉积研究

利用弯晶谱仪对Z箍缩X射线能谱进行了实验测量,给出了Al元素时间积分的K层辐射能谱。利用蒙特卡罗软件模拟了单能X射线及实验测得的Z箍缩X射线谱线在Al、碳纤维、Ti合金材料内沿入射方向的能量沉积分布。计算结果表明,Al-W混合负载中Al的质量分数升高会导致X射线能量衰减变快。

用于阻挡Z箍缩飞溅物的旋转开口圆盘系统

针对Z箍缩等离子体内爆后期,由于等离子体柱反弹产生的飞溅物会对诊断设备的光学器件造成污染的问题,设计了一种使用旋转开口圆盘进行飞溅物阻挡的系统,可实现在X射线入射到探测器后迅速遮挡光学通道,达到保护诊断系统的目的。分析了旋转开口圆盘的阻挡原理,并根据该原理设计了开口圆盘的形状、尺寸、转速等参数,计算了开口圆盘能够遮挡的飞溅物速度范围为112.4~104 m·s^(-1),允许的时间抖动为12.5μs。通过有限元分析对旋转开口圆盘的应力、形变及模态进行了分析,并基于分析结果对开口圆盘的设计进行了优化,使其最大应力值降低了45%。最后给出了同步触发方案,以确保在光学通道开放时同步触发X射线发射。

Z-pinch X射线时间分辨多幅图像诊断系统

介绍了为"强光一号"设计的ns级时间分辨软X射线多幅图像诊断系统,分析了系统的主要性能指标,给出并分析了利用该系统诊断"强光一号"高功率脉冲Z pinch等离子体辐射源的最新的实验结果。

Z-pinch内爆等离子体时空分辨诊断技术

为了深入认识和理解Z-pinch物理机制并对物理实验进行优化设计，需要研究内爆等离子体及其辐射的时空分布特性诊断技术，建立诊断装置与设备，通过实验研究等离子体内爆时间过程及其空间分布特性，利用所获得的实验诊断数据校核数值模拟程序。简要介绍近几年开展的X光空间积分功率谱测量、X光时间积分针孔照相、X光时分幅针孔照相、X光时间分辨1维空同分布、紫外探针阴影照相等时空分辨诊断技术研究工作，并给出在1～3MA电流驱动装置上进行的喷气和丝阵内爆实验中获得的部分时空分辨诊断结果，包括辐射功率、拉链速度、内爆速度、收缩比等。

Z-pinch靶用氘代聚苯乙烯丝的研制及表征

为满足Z-pinch D-D出中子实验对固体燃料容器的要求,设计了1套简易的拉丝装置,并用聚苯乙烯(PS)为原料进行了工艺条件实验,确定出较佳的实验条件.以1 g氘代聚苯乙烯(DPS)为原料,在确定出的实验条件下,控制合适的拉丝速度,可拉出直径为30～100 μm、均匀、具有一定强度的DPS丝.所制备的DPS丝在Z-pinch D-D出中子实验中得到了应用,取得了最大中子产额为2×109 cm-1的实验结果.

高功率Z-Pinch脉冲源技术的发展

概述了脉冲功率系统中的电容储能、电感储能和磁感应储能技术。基于直线型脉冲变压器 (L TD)、电感储能 (IES)、等离子体断路开关 (POS)以及真空磁绝缘传输线 (MITL)技术的低电感、模块化快脉冲源将来可能作为基本的子模块应用于超大型高功率 Z-

“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。

分幅相机系统在丝阵Z-pinch实验中的应用

将皮秒分幅相机系统用于丝阵Z-pinch实验诊断中,获得了较好的实验结果,并对实验数据进行了初步的分析,利用皮秒分幅相机测得等离子体内爆速度达2×107cm/s,还测得了丝阵内爆的轴向不同时性及双区辐射现象。

μm脉冲电源及其在Z-pinch诊断中的应用

研制了一种输出连续可调的脉冲恒压电源,该电源电压幅度为0～120V,脉宽为3～14μs,触发延迟时间为0～1μs。将其应用于等离子体辐射的软X射线总能量测量系统中,采用脉冲电源和差值法记录信号,通过分析发,实验中测到的电阻变化与电路中其它电阻无关,是X射线辐射导致镍薄膜电阻的变化引起的。测得的镍薄膜电阻的变化为4.47Ω,以此回推计算得Z pinch等离子体源辐射的软X射线能量为63.3kJ。

一维时空分辨诊断技术在Z-pinch实验中的应用

在Angara-5-1装置上进行的丝阵Z-pinch实验中,红光塑料闪烁体薄膜将X光转换为可见光,通过光纤阵列、光纤传像束传输至可见光条纹像机(OSC),紧贴于像机屏幕的光纤锥将信号耦合至CCD进行记录,提供丝阵一维条纹像,观察丝阵负载Pinch区X射线辐射空间分布信息随时间的演化过程。实验中系统时间分辨4.3ns,空间分辨0.3mm。负载采用单层丝阵与双层丝阵。研究结果表明,X光辐射波形前沿上升时间越快,功率峰值越高;双层丝阵构形改善了内爆同步性;等离子体的内爆动能与电流成正比,电流愈大,等离子体的动能也愈大,X光辐射能量与电流成正比。

Z-Pinch驱动的次临界包层的初步热工分析

Z-Pinch产生高能脉冲中子驱动以压水堆乏燃料或天然铀为燃料的次临界包层,以能源输出为主要目标,是实现能源可持续发展的可行途径。本文通过理论计算,分析了次临界包层在连续中子脉冲作用下的材料温度和输出功率随时间的变化规律。结果表明,通过合理的设计可以使材料温度在可接受的范围内波动,系统输出功率在时间轴上可以得到稳定。

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。

用高灵敏度激光干涉仪测量Z-pinch喷气负载质量线密度

介绍了采用外差式记录系统和相位跟踪方法建立的高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统对Z-pinch喷气负载质量线密度的测量。通过采用充气隔振光学平台和将干涉仪放置到喷气真空室内等隔振方法,有效地消除了机械振动对测量结果的影响,获得了拉瓦尔喷嘴产生的超音速Ar气喷气负载平均质量线密度随时间的变化曲线,为优化喷嘴理论设计程序提供了实验依据。气流稳态的建立时间可以用于精确控制喷气装置电磁阀门的打开时刻,保证喷气Z-pinch实验中脉冲功率装置提供的脉冲电流与喷气负载平顶之间的时间同步。

紫外激光探针在Z-pinch中的应用

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。

回流罩结构Z-箍缩实验的数值模拟

采用二维磁驱动数值模拟程序(MDSC2)对大电流脉冲功率装置FP-2上的回流罩结构Z-箍缩实验exp90和exp60进行了数值模拟。数值模拟表明,回流罩结构Z-箍缩实验测量电流/回路电流不是负载套筒电流,回流罩结构Z-箍缩实验中回路电流不完全从负载套筒通过,回路电流和负载套筒电流之间存在一个结构系数,提出了边界磁场强度与回路电流关系的新公式。采用具有结构系数的边界磁场强度公式和磁流体力学程序能正确模拟exp90和exp60两个回流罩结构Z-箍缩实验,模拟的套筒内径运动速度和实验测量速度相一致。回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数为一常数,仅由回流罩的初始结构确定。90 mm和60 mm内直径套筒的结构系数分别为0.87和0.90。在套筒初始厚度、绝缘材料等其它条件相同的情况下,套筒内径越大,回流罩结构Z-箍缩实验的结构系数越小。

嵌入硬泡沫层和靶丸的Z箍缩动态黑腔动力学行为及其辐射场模拟研究

利用自行开发的二维辐射磁流体力学程序,模拟研究在软泡沫柱外嵌套硬泡沫层、中心嵌套结构靶丸的动态黑腔整体动力学行为和热力学性能,以发现硬泡沫层对动态黑腔辐射场的影响和调制作用,以及腔靶耦合相互作用规律。对峰值50 MA、全上升时间300 ns的驱动电流,模拟结果的比较分析表明,嵌套硬泡沫层后靶丸感受到的辐射场温度开始升高时刻延后,辐射均匀更迅速,辐射温度第一峰下降,变化更顺滑,黑腔存在时间变长,达到10 ns以上,后期辐射温度大于350 eV,波形与美国靶丸点火成功实验中的黑腔辐射温度变化曲线比较接近;与没有靶丸的动态黑腔的相同区域辐射温度相比较,嵌入靶丸后,靶丸在烧蚀后期感受到的辐射驱动温度增加。故嵌套硬泡沫层和腔靶耦合都有益于聚变靶丸的烧蚀内爆。

抛物线型柱面弯晶谱仪在Z箍缩软X射线辐射能谱测量中的应用

针对Z箍缩软X射线辐射能谱测量,采用双通道拼接方式实现量程搭接,设计了一种抛物线型柱面弯晶谱仪。介绍了基于平行光正入射的解谱方法,分析了平行光斜入射及点源入射条件下对能谱测量范围的影响,并提出了对应的能量修正方法。在“强光一号”装置上开展验证实验,测量了钼丝阵等离子体2~6 keV范围的辐射谱,给出了辐射线谱形态及相对强度,与理论计算及此前同类实验结果相比,谱线能量及形态一致性较好,验证了谱仪设计及解谱算法的正确性。基于辐射线谱相对强度测量结果,计算了钼丝阵等离子体电子温度约为1 200 eV。

单丝Z-Pinch等离子体Thomson散射诊断系统设计

介绍了根据"阳"加速器现场环境设计Thomson散射诊断系统的方法和思路。由本底辐射出发,研究了诊断系统的重要参数,如探针光的能量、脉宽以及各光学元件的参数;同时,给出探针光和收光系统光路的设计安排;最后,讨论了杂散光及噪声的来源,并给出抑制或降低其影响的方法。