1—4 MA電流驅(qū)動的絲陣X光輻射優(yōu)化的實驗研究*

王 真 李正宏 徐榮昆 楊建倫 丁 寧 許澤平 郭 存 寧 成 寧家敏蔣世倫 章法強 夏廣新 李林波 葉 凡 秦 義 薛飛彪 陳進川

1)(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，綿陽 621900)

2)(北京計算數(shù)學(xué)與應(yīng)用物理研究所，北京 100088)

(2009年11月20日收到;2010年4月23日收到修改稿)

1—4 MA電流驅(qū)動的絲陣X光輻射優(yōu)化的實驗研究*

王 真1)?李正宏1)徐榮昆1)楊建倫1)丁 寧2)許澤平1)郭 存1)寧 成2)寧家敏1)蔣世倫1)章法強1)夏廣新1)李林波1)葉 凡1)秦 義1)薛飛彪1)陳進川1)

1)(中國工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所，綿陽 621900)

2)(北京計算數(shù)學(xué)與應(yīng)用物理研究所，北京 100088)

(2009年11月20日收到;2010年4月23日收到修改稿)

進行了1—4 MA電流驅(qū)動的鎢絲陣列負載的Z箍縮實驗研究，通過絲陣參數(shù)、負載電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計及負載初始裝配狀態(tài)的控制優(yōu)化X光輻射功率，在單、雙層絲陣的內(nèi)爆實驗中分別獲得5.3±1.0 TW和5.6±1.1 TW的峰值輻射功率，創(chuàng)同類裝置上X光輻射功率的最高紀錄.

Z箍縮，絲陣X光輻射，優(yōu)化

PACS:52.59.Qy，52.70.La

1.引 言

近年來，絲陣Z箍縮的研究取得了突破性的進展，Sandia實驗室在Z裝置上用20 MA電流驅(qū)動單層鎢絲陣列負載內(nèi)爆產(chǎn)生了峰值功率為200 TW和總能量為2 MJ的軟 X光輻射場［1］，驅(qū)動雙層鎢絲陣內(nèi)爆產(chǎn)生的峰值輻射功率達到290 TW［2］，是迄今為止實驗室產(chǎn)生的最強X射線源.實驗結(jié)果外推及理論模擬驗證均表明，利用絲陣Z箍縮的強X光輻射場構(gòu)建黑腔驅(qū)動小丸內(nèi)爆，在50—60 MA電流的驅(qū)動下可以吸收1 MJ能量并產(chǎn)生380 MJ的聚變增益［3，4］，是 具 有 很 高 效 費 比 的 ICF(inertial confinement fusion)研究途徑.

作為真空黑腔初始輸入能量的加載源，絲陣X射線輻射的強度是影響黑腔輻射場強度的關(guān)鍵因素之一，優(yōu)化提高絲陣 X光輻射場的強度，可以減小ICF研究對脈沖功率源驅(qū)動能力的要求.低電流(1—4 MA)驅(qū)動裝置適于進行大驅(qū)動電流條件下的ICF物理分解實驗研究，研究絲陣負載與驅(qū)動電流的參數(shù)匹配及X射線輻射場的優(yōu)化實驗技術(shù)，探索抑制瑞利-泰勒不穩(wěn)定性，提高X射線輻射功率的有效途徑，為10 MA級電流驅(qū)動的黑腔和ICF研究提供技術(shù)支撐.

2.實驗設(shè)置

研究主要利用強光一號和Angara-5裝置進行，其中位于西北核技術(shù)研究所的強光一號是目前國內(nèi)最大的快脈沖功率驅(qū)動裝置，電磁儲能為260 kJ，能夠?qū)?0 kJ的能量注入到金屬絲陣負載，提供峰值為1.5 MA，上升前沿為80 ns的負載電流，產(chǎn)生超過30 kJ的軟X射線輻射［5］;位于俄羅斯創(chuàng)新與熱核聚變研究所(TRINITI)的Angara-5裝置能夠提供600 kJ的電磁儲能，可以在70 ns的時間內(nèi)將峰值3—4 MA的電流加載到金屬絲陣負載上，驅(qū)動負載內(nèi)爆產(chǎn)生超過100 kJ的軟X射線輻射.

實驗使用單層和雙層鎢絲陣兩類負載，進行絲陣內(nèi)爆基礎(chǔ)物理問題的研究，探索磁瑞利-泰勒(MRT)不穩(wěn)定性的有效抑制措施，以實現(xiàn)絲陣等離子體內(nèi)爆聚心物理過程的同時、均勻、快速和整體性，提高X射線輻射功率，獲取優(yōu)化的絲陣 X射線輻射，應(yīng)用于下一階段黑腔物理問題的研究及黑腔的優(yōu)化設(shè)計.使用的鎢絲包括三種直徑，4.2，5和6μm，每一發(fā)負載所含鎢絲數(shù)量從32到128根不等，詳細的負載參數(shù)如表1所示.

絲陣X射線輻射參數(shù)的測量使用的是自行研制的X射線功率譜儀，對50 eV—1.4 keV的軟X射線輻射具有平坦的能譜響應(yīng)，可覆蓋絲陣X射線輻射的主要能段，對輻射功率和輻射總能量的測量不確定度為20%［6］;另外還使用了十分幅納秒 X射線相機和一維時空分辨X射線輻射功率成像系統(tǒng)對X射線輻射場的分布進行診斷［7］，前者可獲取十幅時間間隔為10 ns，曝光時間為1.5 ns的瞬態(tài)X射線輻射強度的兩維(r-z)空間分布圖像，圖像的空間分辨為150 μm，后者借助于平坦的能譜響應(yīng)特性可以測量絲陣徑向或軸向不同位置的X射線輻射功率隨時間的連續(xù)變化過程(r-t或z-t)，空間分辨為200 μm，時間分辨為2 ns.

表1 實驗負載參數(shù)表

3.強光一號實驗結(jié)果及分析

Lebedev等［8］的研究結(jié)果指出，絲陣負載的箍縮品質(zhì)與絲間距的大小密切相關(guān)，較小的絲間距有利于相鄰絲等離子體的有效融合，形成均勻的等離子體內(nèi)爆殼層，提高箍縮品質(zhì);另一方面，加速器的驅(qū)動電流水平對負載質(zhì)量有一個限制范圍，過重的負載會使內(nèi)爆時間增加，內(nèi)爆坍塌發(fā)生之前電流脈沖即已結(jié)束，過輕的負載則會導(dǎo)致內(nèi)爆坍塌發(fā)生之時電流峰值尚未到達的情況，電磁能均不能得到充分有效的利用.因此，縮小絲間距以提高內(nèi)爆品質(zhì)必須建立在適當?shù)慕z陣負載質(zhì)量前提下.

3.1.改變絲陣長度

之前的實驗［5］和理論分析［9］均已表明，在當前的絲陣制備水平條件下，8 mm直徑的絲陣負載較適用于強光一號的驅(qū)動電流條件;文獻［10］對強光一號上5和6 μm兩種絲直徑負載(除了鎢絲直徑，其他參數(shù)均相同)進行了比較，分析結(jié)果顯示5 μm絲直徑的負載具有更好的內(nèi)爆品質(zhì)，輻射功率更高;文獻［11］觀察到了兩極等離子體噴射，破壞了等離子體內(nèi)爆的同步性和整體性，這是由于負載電壓高(700 kV)以及電極結(jié)構(gòu)的不合理導(dǎo)致兩極表面的畸變電場強度過高，從而引起的電極等離子體噴射.

為了抑制兩極等離子體的不利影響，我們對負載電極結(jié)構(gòu)進行了針對性優(yōu)化設(shè)計，以降低電極表面的局部不均勻?qū)е碌碾妶龌?，同時改變絲陣負載長度，E=U/d，在負載電壓U不變的條件下，通過增加負載長度d降低整體電場強度，即表1中列出的QS2—QS4三種負載，每種負載各三發(fā)有效實驗，等離子體輻射參數(shù)的數(shù)據(jù)對比見表2.

表2 只改變絲陣負載長度的輻射參數(shù)對比

圖1給出了三種負載的X光輻射圖像的變化過程，其中兩側(cè)電極附近出現(xiàn)的與電極平行的亮線即是兩極等離子體的輻射發(fā)光圖像，從圖中可以看出，隨著負載長度的增加，電極噴射出的等離子體輻射強度明顯減弱，對25 mm長度的絲陣負載，圖像中幾乎已觀測不到兩極等離子體，相應(yīng)地，在同等驅(qū)動電流條件下，15 mm短絲陣負載的X光輻射功率和輻射能量均較低(見表2).另一方面，隨著負載長度的增加，絲陣的裝配難度加大，在強光一號裝置上圓柱型絲陣的軸向與水平方向平行，金屬絲在重力的作用下很難保持平直的初始狀態(tài)，從而影響內(nèi)爆品質(zhì).等離子體在內(nèi)爆滯止階段表現(xiàn)出顯著的扭曲和臘腸不穩(wěn)定性(如－0.6 ns時刻的圖像所示)，因此25 mm長度的負載雖然在兩極等離子體抑制這一點上比20 mm長度的負載好，但等離子體的內(nèi)爆品質(zhì)較差，不同發(fā)次之間的漲落較大，在最終的輻射參數(shù)上沒有表現(xiàn)出優(yōu)勢.

圖1 三種長度絲陣負載的內(nèi)爆X光輻射圖像 從左至右依次為15，20和25 mm，圖像從上至下依內(nèi)爆時間早晚的順序排列

從表2中還可以看出，兩極等離子體影響較弱的后兩種絲陣負載，等離子體的輻射功率和輻射能量基本相當，但20 mm負載在等離子體滯止階段的體積比25 mm負載小.相應(yīng)地，其輻射功率密度和輻射能量密度更高，借助于絲陣內(nèi)爆輻射的這一特性，在進行黑腔物理問題的研究時使用較短的絲陣負載可以縮小黑腔體積，提高黑腔輻射溫度.

3.2.改變單絲直徑

在同等的負載線質(zhì)量條件下，單絲直徑越小，絲陣中金屬絲的數(shù)量越多，絲間距越小，相鄰絲等離子體的融合也更充分，實現(xiàn)單絲內(nèi)爆模式向殼層內(nèi)爆模式的轉(zhuǎn)換，從而改善等離子體內(nèi)爆品質(zhì).實驗中固定絲陣負載質(zhì)量，對4.2 μm(48根)和5 μm(32根)兩種金屬絲組成的負載進行了內(nèi)爆輻射參數(shù)的比較分析，絲間距分別為0.52和0.79 mm，其中前者已接近文獻［8］給出的內(nèi)爆模式轉(zhuǎn)換的臨界絲間距，實驗結(jié)果見表3.

表3 絲陣長度、直徑和線質(zhì)量不變，不同單絲直徑負載的輻射參數(shù)對比(5 μm@4.2 μm)

在每種負載的各6發(fā)有效實驗數(shù)據(jù)中，4.2 μm負載在1.33 MA的平均電流驅(qū)動下的平均輻射參數(shù)為 0.48 TW/18.7 kJ，與預(yù)計結(jié)果不同的是，5 μm負載在1.33 MA的平均電流驅(qū)動下產(chǎn)生的X射線輻射為 0.49 TW/21.7 kJ，比4.2 μm 負載略高.經(jīng)分析，主要原因是強光一號上負載為水平安裝，4.2 μm鎢絲較細，絲質(zhì)量初始分布的相對不均勻性較5 μm絲顯著，在同樣的20 mm長度條件下，較細的金屬絲在重力的作用下很難保持平直的初始狀態(tài)，導(dǎo)致在內(nèi)爆過程中瑞利-泰勒(RT)不穩(wěn)定性增長顯著，抵消了絲間距減小帶來的優(yōu)勢.

4.Angara-5實驗結(jié)果及分析

與強光一號裝置不同，Angara-5裝置上的負載電壓低得多(300 kV)，因此能夠采用較短的絲陣(15 mm)而不會出現(xiàn)不利的兩極等離子體噴射現(xiàn)象，以提高等離子體的輻射功率密度和輻射能量密度，利于黑腔物理問題的研究;同時，Angara-5裝置上絲陣負載的軸向方向處于豎直平面內(nèi)，金屬絲可以保持較好的平直狀態(tài)，有利于負載內(nèi)爆品質(zhì)的改善.

4.1.絲陣初始狀態(tài)對內(nèi)爆品質(zhì)的影響

前面的分析中提到，負載電流流過金屬絲之前，絲初始狀態(tài)的平直性對內(nèi)爆輻射過程有影響.在Angara-5的實驗中，對實驗負載裝配完成后的初始狀態(tài)進行了監(jiān)測，并與最終的內(nèi)爆輻射參數(shù)進行了比對分析.圖2給出了其中三發(fā)實驗的情況，其中4405和4408兩發(fā)為AS4類型的負載，4418為AS5類型的負載.

圖2 金屬絲陣列負載裝配后的初始狀態(tài)與內(nèi)爆輻射參數(shù)的關(guān)聯(lián)性

4408發(fā)次實驗中，絲陣初始狀態(tài)較佳，金屬絲無彎曲，相互之間間距均勻，最終在3.3 MA峰值電流的驅(qū)動下內(nèi)爆獲得了5.3的X光輻射功率;而同類型負載的4405發(fā)次實驗中，部分相鄰的金屬絲出現(xiàn)扭曲，4418發(fā)次實驗中該現(xiàn)象更為嚴重，這兩發(fā)獲得的X射線輻射功率均為同類型負載中的最低值.

4.2.單層絲陣

表4列出了Angara-5實驗中五種類型單層絲陣負載的內(nèi)爆輻射參數(shù)情況.

表4 五種單層絲陣負載的輻射參數(shù)對比(除AS1絲陣負載的直徑為18 mm外，其他四種負載的直徑均為12 mm)

4.2.1. 只改變單絲直徑(5 μm@6 μm)，絲數(shù)量相等，絲間距不變(0.63 mm)

結(jié)果與強光一號實驗一致［10］，5 μm 絲陣負載(AS3)相比6 μm絲陣負載(AS5)具有更好的內(nèi)爆品質(zhì).如圖3所示，在同等的2.9 MA負載驅(qū)動電流條件下前者的平均輻射功率達到3.1 TW，比后者2.6 TW的平均輻射功率高出約20%.

4.2.2.單絲直徑(5 μm)保持不變，增加絲數(shù)量以改變絲間距

在驅(qū)動器電磁儲能不變的條件下，隨著絲間距從0.79 mm減小到0.42 mm，流過負載的峰值電流隨之從2.7 MA增加到3.2 MA.當絲間距接近單絲內(nèi)爆向殼層內(nèi)爆模式轉(zhuǎn)換的臨界值時(0.63 mm→0.42 mm)，X光輻射功率迅速提高，增長幅度超過50%(3.1 TW→4.7 TW)，其中，采用0.42 mm絲間距負載的4408發(fā)次獲得了5.3 TW±1.0 TW的峰值輻射功率，這一參數(shù)創(chuàng)造了同等驅(qū)動電流條件下單層絲陣負載X光輻射功率的最高紀錄.

4.2.3.線質(zhì)量不變，改變絲單絲直徑(4.2 μm@5 μm)，同時改變絲數(shù)量和絲陣直徑，保持絲陣中相鄰絲的間距相當(0.42 mm@0.44 mm)

采用更細的4.2 μm超細鎢絲在輻射功率上沒有表現(xiàn)出顯著的優(yōu)勢，平均輻射功率僅提高了約6%，其中原因在于鎢絲質(zhì)量分布的初始擾動(δ m/m，也就是 RT 不穩(wěn)定性增長的“種子”［8］)比 5 μm鎢絲大.但是前者在驅(qū)動器電磁儲能相等的條件下負載電流達到了4.2 MA，比后者的3.2 MA提高了超過30%，同時受益于更大的絲陣初始半徑，前者可以因此而獲得遠大于后者的等離子體內(nèi)爆速度，這一特點對于黑腔的優(yōu)化非常有利.

4.2.4.等負載質(zhì)量的單、雙層絲陣對比

在雙層絲陣等離子體的內(nèi)爆過程中，外層絲陣等離子體與內(nèi)層絲陣的碰撞整形作用是抑制RT不穩(wěn)定性增長的有效措施，可以顯著提高等離子體聚心時的時間同步性和軸向均勻性，優(yōu)化輻射分布，提高X射線輻射功率.表5和圖4是同樣由60根6 μm鎢絲組成的單、雙層絲陣的輻射參數(shù)和輻射圖像對比.

表5 單層與雙層絲陣的內(nèi)爆同步性及輻射參數(shù)對比(兩種負載均由60根6 μm鎢絲組成)

4.3.雙層絲陣

雙層絲陣的內(nèi)爆物理過程與單層絲陣有較大的差異，內(nèi)層對外層內(nèi)爆等離子體位型的整形作用使得雙層絲陣負載在不穩(wěn)定性抑制上具有顯著的優(yōu)勢，是進行黑腔設(shè)計的首選絲陣構(gòu)型.

表6列出了Angara-5實驗中六種類型雙層絲陣負載的內(nèi)爆輻射參數(shù)情況，圖5則給出了負載的輻射功率與電流上升速率之間的關(guān)聯(lián)性，電流上升速率提高，X射線輻射功率表現(xiàn)出增加的趨勢.

表6 六種雙層絲陣負載的輻射參數(shù)對比 (其中4.2 μm鎢絲負載的直徑為18 mm(AD1)和20 mm(AD2)，其他三種負載的直徑均為12 mm)

4.3.1. 只改變單絲直徑(5 μm@6 μm)，內(nèi)外層絲數(shù)量均相等(60根)

與單層絲陣的實驗結(jié)果不同的是，5 μm鎢絲絲陣(AD3)在峰值負載電流、峰值輻射功率上均弱于6 μm鎢絲絲陣(AD5)，主要原因可能在于兩個方面:一是后者的負載電流大，電流上升速率快，不穩(wěn)定性發(fā)展時間短;二是納秒分幅相機測試結(jié)果顯示前者內(nèi)、外層絲陣等離子體內(nèi)爆不同步，內(nèi)層絲陣提前內(nèi)爆聚心，X射線輻射功率時間波形上出現(xiàn)兩個間隔約為10 ns的輻射峰，導(dǎo)致峰值輻射功率下降，如圖6所示.文獻［12］給出了初步解釋，這是由于內(nèi)層絲陣電感相對外層較低，電流過早地通過內(nèi)層，導(dǎo)致內(nèi)層提前內(nèi)爆，內(nèi)外層等離子體的輻射峰在時間上分離，從而大大降低了峰值輻射功率.

圖6 外層40內(nèi)層20根6 μm鎢絲絲陣的X射線輻射功率時間分布 內(nèi)外層輻射峰在時間上分離，次輻射峰出現(xiàn)在主輻射峰后10 ns

4.3.2.4.2 μm鎢絲陣列，改變絲陣直徑

提高等離子體的內(nèi)爆動能是進行黑腔設(shè)計的首要基礎(chǔ).采用4.2 μm細鎢絲，在負載線質(zhì)量基本不變的條件下可以增加絲數(shù)量，構(gòu)建大直徑的絲陣負載，是提高等離子體內(nèi)爆速度的一種可行途徑.實驗結(jié)果顯示4.2 μm鎢絲的兩種負載獲得的最大速度均大大超過了5和6 μm鎢絲負載，同時還解決了5 μm鎢絲負載內(nèi)、外層等離子體不同時聚心的問題，實現(xiàn)了內(nèi)爆動能的提高和內(nèi)爆輻射的初步優(yōu)化.

在4668發(fā)實驗中使用20 mm直徑的AD2負載獲得5.6 TW±1.1 TW的X射線輻射功率，創(chuàng)造了Angara-5裝置上的歷史最高紀錄.圖7(a)給出了該發(fā)次實驗中測量獲取的X射線內(nèi)爆軌跡，其最大徑向運動速度達到1.4×108cm/s，遠高于18 mm直徑負載(AD1)的最大速度7×107cm/s.

在內(nèi)爆動力學(xué)模式上，兩種絲陣直徑的負載也表現(xiàn)出了一定的區(qū)別:20 mm直徑的負載在內(nèi)外層等離子體相互作用時內(nèi)層絲陣直徑與初始狀態(tài)相比沒有大的變化，電流絕大部分從外層絲陣流過，而18 mm負載在此刻內(nèi)層已被箍縮至初始直徑的一半，內(nèi)層已有較多份額的電流分流;共同之處是內(nèi)外層絲陣的融合均出現(xiàn)在相對X射線峰－6 ns時刻，此時在互感的作用下內(nèi)外層絲陣電流迅速切換［13，14］，同時徑向內(nèi)爆運動速度激增，20 mm 直徑絲陣從1.3×107cm/s猛增到1.4×108cm/s，15 mm絲陣則由于加速距離短，速度增幅只有20 mm絲陣的一半.

4.3.3.4.2 μm鎢絲陣列與6 μm鎢絲陣列

AD2與AD5分別是4.2與6 μm兩大類鎢絲雙層絲陣中較優(yōu)化的負載結(jié)構(gòu)，電流上升速率比其他相同鎢絲直徑的負載均高出10%以上，輻射功率同時也都高出約20%.但這兩種負載在內(nèi)爆物理過程上表現(xiàn)出了較明顯的差別，后者內(nèi)外層絲陣的作用過程持續(xù)時間較長，輻射區(qū)半徑在約3 ns的時間內(nèi)保持不變，形成原因在于拖尾分布的外層等離子體(trailing mass)［14］，電流轉(zhuǎn)換過程完成后 6 μm 絲陣的徑向內(nèi)爆運動速度及速度增幅均比前者低50%以上(見圖7(b))，4.6 TW的平均輻射功率也比前者的5.3 TW低約15%.

4.3.4.交換內(nèi)、外層絲陣質(zhì)量分配比例

AD5和AD6兩種負載交換了內(nèi)、外層絲陣質(zhì)量分配比例，外層更稀疏，內(nèi)層更緊密.實驗結(jié)果顯示兩種負載的內(nèi)爆動力學(xué)過程非常相似，區(qū)別僅在于稀疏的外層絲陣的拖尾質(zhì)量分布更廣，在其影響下后者內(nèi)外層絲陣碰撞停滯的過程也就是輻射區(qū)半徑保持不變的時間持續(xù)了更長的10 ns，同時后者的電流上升時間僅為58 ns，比包括 AD5在內(nèi)的其他所有類型負載都要低，這一特性對于縮短RT不穩(wěn)定性增長時間、抑制不穩(wěn)定性影響從而提高輻射功率是非常有利的，也是最終的X射線輻射功率沒有產(chǎn)生明顯差異的主要原因.

5.結(jié) 論

本文通過鎢絲直徑和絲陣結(jié)構(gòu)參數(shù)的優(yōu)化匹配、負載電極及絲陣初始狀態(tài)的良好控制實現(xiàn)了負載X光輻射功率的實驗優(yōu)化，在3—4 MA電流的驅(qū)動下，單、雙層絲陣負載分別獲得5.3 TW±1.0 TW和5.6 TW±1.1 TW的峰值輻射功率，為歷史最高記錄.

致謝:Angara-5和強光一號裝置全體運行人員為實驗的順利進行提供了保障，中國工程物理研究院激光聚變研究中心為實驗制作了負載，在此表示感謝.

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PACS:52.59.Qy，52.70.La

X-ray radiation power optimization in 1 MA to 4 MA wire-array implosions*

Wang Zhen1)?Li Zheng-Hong1)Xu Rong-Kun1)Yang Jian-Lun1)Ding Ning2)Xu Ze-Ping1)Guo Cun1)Ning Cheng2)Ning Jia-Min1)Jiang Shi-Lun1)Zhang Fa-Qiang1)Xia Guang-Xin1)Li Lin-Bo1)Ye Fan1)Qin Yi1)Xue Fei-Biao1)Chen Jin-Chuan1)
1)(Institute of Nuclear Physics and Chemistry，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)
2)(Institute of Applied Physics and Computational Mathematics，Beijing 100088，China)
(Received 20 November 2009;revised manuscript received 23 April 2010)

Tungsten wire array implosions driven by 1 MA to 4 MA current were experimentally investigated.X-ray radiation power was improved through load parameters optimization，electrode structure improvement and well control of initial array conditions.The maximum powers of 5.3±1.0 TW and 5.6±1.1 TW，the highest at the 3 MA to 4 MA current level up to now，were measured in the single array and the double array implosions，respectively.

Z-pinch，wire-array X-ray radiation，optimization

*國家自然科學(xué)基金重點項目(批準號:10035030，10635050)資助的課題.

*Project supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.10035030，10635050).