強(qiáng)光一號裝置準(zhǔn)球形電磁內(nèi)爆絲陣負(fù)載成形技術(shù)

趙學(xué)水 杜衛(wèi)星 陳定陽 周林 葉繁 楊建倫 徐榮昆 許澤平 李正宏

摘 要：準(zhǔn)球形電磁內(nèi)爆能提高Z-pinch等離子體能量加載效率，利用位置調(diào)節(jié)絲陣負(fù)載能夠?qū)崿F(xiàn)Z-pinch準(zhǔn)球形電磁內(nèi)爆。為滿足位置調(diào)節(jié)絲陣負(fù)載實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)球形電磁內(nèi)爆的需求，開展準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載成形技術(shù)研究。實(shí)驗(yàn)中在柱形絲陣基礎(chǔ)上，利用高電壓靜電力拉展、通過調(diào)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和測量，獲得具有不同初始縱橫比的準(zhǔn)球形絲陣，已成功應(yīng)用于強(qiáng)光一號裝置準(zhǔn)球形電磁內(nèi)爆物理實(shí)驗(yàn)，獲得X光15%轉(zhuǎn)換率。

關(guān)鍵詞：絲陣；準(zhǔn)球形內(nèi)爆；初始縱橫比；Z箍縮

文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0012-04

Abstract： The quasi-spherical implosions can increase the energy loading efficiency of Z-pinch plasma and the Z-pinch quasi-spherical implosions can be realized by adjusting the wire array load. To realize the quasi-spherical implosions by adjusting the wire array load， study on the load forming technology of quasi-spherical wire array is carried out. In the test， on the basis of cylindrical wire array， high voltage and electrostatic force are used and regulating and monitoring systems are used for real-time adjustment and measurement. Quasi-spherical wire arrays with different aspect ratio are obtained. They have been successfully applied for the quasi-spherical implosions test of Qiangguang-I facility and realized 15% conversation of X-ray.

Keywords： wire array； quasi-spherical implosion； initial aspect ratio； Z-pinch

0 引 言

Z箍縮動態(tài)黑腔具有能量轉(zhuǎn)換效率高、結(jié)構(gòu)簡單的特點(diǎn)，在慣性約束聚變[1-4]以及聚變能源[5-8]研究方面具有潛在應(yīng)用價(jià)值。當(dāng)前，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火需進(jìn)一步提高黑腔輻射場溫度，除了提高負(fù)載驅(qū)動電流，使用具有空間三維內(nèi)爆壓縮特性的準(zhǔn)球形內(nèi)爆代替柱形內(nèi)爆從而提高內(nèi)爆等離子體能量加載密度也是一項(xiàng)重要技術(shù)[9-10]。

為了實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)球形內(nèi)爆，國外研究人員普遍建議使用質(zhì)量調(diào)制負(fù)載，即負(fù)載形狀為球形，且其質(zhì)量沿著緯度存在特定分布，以平衡球形負(fù)載磁壓沿緯度的變化，從而實(shí)現(xiàn)不同位置處等離子體能夠同時(shí)內(nèi)爆聚心。理論上，這種負(fù)載可以使用套筒結(jié)構(gòu)或者絲籠（wires basket）結(jié)構(gòu)[10]，但受制于負(fù)載制備技術(shù)難題，該設(shè)想還未能在實(shí)驗(yàn)上真正實(shí)現(xiàn)。對國內(nèi)外的快Z箍縮實(shí)驗(yàn)平臺而言，其匹配負(fù)載質(zhì)量較低，絲陣仍然是目前最佳的負(fù)載類型，使用絲陣形成質(zhì)量調(diào)制的球形負(fù)載難度很大。到目前為止，僅英國帝國理工大學(xué)和俄羅斯新能源研究所分別利用MAGPIE和Angara-5-1裝置進(jìn)行了探索性實(shí)驗(yàn)研究[11-14]。

國內(nèi)研究團(tuán)隊(duì)創(chuàng)新提出了一種基于負(fù)載初始位置調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)球形內(nèi)爆的物理思想[15-16]，通過控制負(fù)載的初始位型，使等離子體內(nèi)爆至泡沫轉(zhuǎn)換體表面時(shí)形成準(zhǔn)球形結(jié)構(gòu)，從而在泡沫轉(zhuǎn)換體表面能量加載密度時(shí)提高等離子體內(nèi)爆，為研究準(zhǔn)球形動態(tài)黑腔開辟了新技術(shù)路徑。

強(qiáng)光一號裝置是一臺峰值電流可達(dá)1.5 MA，10%～90%上升沿約80 ns的脈沖強(qiáng)流加速器，研究人員在該實(shí)驗(yàn)平臺上開展了大量絲陣Z箍縮基礎(chǔ)物理研究[17-19]。為了在強(qiáng)光一號裝置開展準(zhǔn)球形電磁內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)對上述想法進(jìn)行驗(yàn)證，開展了準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載成形技術(shù)研究，利用靜電力拉伸，通過調(diào)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和測量，獲得了具有不同初始縱橫比的準(zhǔn)球形絲陣。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，在縱橫比1∶1附近，觀察到了有聚心特征的內(nèi)爆行為。

1 技術(shù)原理

準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載成形技術(shù)建立在柱形絲陣負(fù)載制備基礎(chǔ)上，負(fù)載初始形狀為柱形[20]。強(qiáng)光一號裝置陰陽極之間距離在抽真空后會縮短2～3 mm，利用這一特性，將柱形絲陣成形為準(zhǔn)球形絲陣的技術(shù)原理如圖1所示。將柱形絲陣的金屬絲兩端分別與陰陽極形成固化接觸極且能導(dǎo)電；因?yàn)檎婵諣顟B(tài)下陰陽極之間距離縮短使金屬絲松弛，通過與金屬絲電連接的電極將靜電高壓加在金屬絲兩端，靜電力拉展使金屬絲膨脹為拋物線形狀，從而獲得具有一定初始縱橫比的準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載。

圖1為負(fù)高壓情況下準(zhǔn)球形態(tài)下絲陣區(qū)靜電場分布，能夠?qū)τ绊懡饘俳z表面場強(qiáng)的結(jié)構(gòu)因素進(jìn)行定性分析，為選擇一種較優(yōu)化的設(shè)計(jì)提供參考。

如圖2所示，初始縱橫比是指準(zhǔn)球形絲陣軸向高度（H）與最大直徑（2R）的比值，該數(shù)值的好壞與準(zhǔn)球形的形成有很大關(guān)系，初始縱橫比與金屬絲長度（與初始狀態(tài)下絲陣高度相同）、陰陽極位置絲陣半徑和陰陽極距離縮短量有關(guān)。為了使等離子體在內(nèi)爆過程中保持良好電流通道，準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載設(shè)計(jì)采用錐臺等形狀的電極。

2 負(fù)載成形結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

根據(jù)負(fù)載成形技術(shù)原理，設(shè)計(jì)了圖3所示的負(fù)載成形結(jié)構(gòu)，包括兩大關(guān)鍵結(jié)構(gòu)組件：高壓加載組件和陰陽極距離調(diào)節(jié)組件，前者為絲陣成形提供靜電高壓加載，后者調(diào)節(jié)控制負(fù)載初始縱橫比。絲陣負(fù)載中心設(shè)置高壓電極，與陽極緊密接觸，高壓電源輸出的靜電高壓通過該電極加載至絲陣上，絲陣與回流筒等外圍結(jié)構(gòu)之間的電勢差產(chǎn)生強(qiáng)電場，絲陣受靜電力拉展而膨脹為準(zhǔn)球形。

3 負(fù)載成形工藝流程

通過實(shí)驗(yàn)室工藝流程探索和強(qiáng)光一號裝置流程檢驗(yàn)，確定了負(fù)載成形工藝流程如下。

3.1 大氣環(huán)境加載靜電高壓測試

在絲陣負(fù)載安裝至加速器前，通過高壓電極對其進(jìn)行大氣環(huán)境下加載靜電高壓測試。該測試用于檢測絲陣裝配技術(shù)狀態(tài)，對具有結(jié)構(gòu)損傷或者與電極連接不牢固的金屬絲并進(jìn)行更換，保證絲陣負(fù)載與加速器耦合固定后加載高壓成形過程順利。

3.2 絲陣負(fù)載與加速器陰極固定

將絲陣負(fù)載安裝于加速器陰極并固定，絲陣負(fù)載外圍的3根定位桿將負(fù)載陰極與陽極連接并固定，保證柱形絲陣負(fù)載的初始高度滿足實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)值，此設(shè)計(jì)能保證陰陽極的同軸度和平行度。

3.3 安裝回流筒

金屬回流筒同軸地套在絲陣的外面，其位置需適應(yīng)已經(jīng)就位的絲陣位置，使其與絲陣負(fù)載同軸，實(shí)驗(yàn)時(shí)，位置調(diào)整合適后用壓板將回流筒與裝置陽極板壓緊固定即可。在柱形絲陣實(shí)驗(yàn)中，柱形絲陣陽極片與回流筒之間是緊固連接在一起。球形絲陣與此有所差異，為了滿足調(diào)節(jié)負(fù)載縱橫比的要求，絲陣陽極在回流筒內(nèi)可沿Z軸平移，陽極固定在平移臺上。

3.4 拆除絲陣定位桿

用鉗子夾緊定位桿的桿體，向遠(yuǎn)離絲陣的方向拔出。由于絲陣中金屬絲本身處于拉直狀態(tài)，同時(shí)負(fù)載陰、陽極和定位桿是緊密貼合狀態(tài)，拆除定位桿易造成金屬絲受拉力而斷裂，為了提高負(fù)載安裝成功率，實(shí)驗(yàn)采取如下工藝措施：1）連接并緊固陽極桿和位移調(diào)節(jié)平臺；2）調(diào)節(jié)位移平臺向陰極方向移動小量位移，使得陽極、陰極和定位桿之間為緊壓配合狀態(tài)；3）安裝壓板壓緊陽極片使得絲陣陽極片保持朝向陰極方向的壓緊狀態(tài)，保證在拔出定位桿過程中陽極無法產(chǎn)生遠(yuǎn)離陰極的位移；4）拆除定位桿，整個(gè)過程中負(fù)載陽極與陰極間距保持不變，保證金屬絲不受拉力而損壞；5）旋轉(zhuǎn)位移調(diào)節(jié)平臺的軸向調(diào)節(jié)桿，使負(fù)載陽極向陰極靠近約1 mm，此時(shí)金屬絲為松弛狀態(tài)，能夠避免后續(xù)可能的誤操作造成對絲陣的拉扯；6）拆除壓板，解除對調(diào)節(jié)平臺調(diào)節(jié)方向的限制。

3.5 連接靶室外調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)和靶室內(nèi)陽極調(diào)節(jié)桿

連接前測量絲陣與加速器間電阻，確認(rèn)中心絲陣與外圍金屬電極絕緣良好。將高壓電纜與絲陣負(fù)載中心的高壓電極相連。蓋上真空腔蓋板，將位于蓋板中心的靶室外調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)與陽極回流罩上調(diào)節(jié)平臺中的軸向調(diào)節(jié)桿相連。通過該步驟使我們可以在加速器真空腔外通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)來調(diào)節(jié)負(fù)載陰陽極間距。

3.6 加載靜電高壓，獲得滿足實(shí)驗(yàn)要求的準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載

通過調(diào)節(jié)機(jī)構(gòu)增大負(fù)載陰極與陽極的間距，使絲陣呈有序拉直狀態(tài)；逐步提高靜電高壓，同時(shí)減小陰極和陽極的間距，該距離可通過負(fù)載監(jiān)測系統(tǒng)實(shí)時(shí)觀察，直至陰極和陽極間距滿足物理實(shí)驗(yàn)要求。

4 研制結(jié)果

圖4為準(zhǔn)球形絲陣成形不同階段絲陣負(fù)載狀態(tài)照片，圖4（a）初始柱形絲陣狀態(tài)，支撐桿未拆除，拆除后縮短陰陽極之間距離，絲陣變松弛，見圖4（b），圖4（c）為加靜電高壓之后呈拋物線狀的絲陣，即為具有準(zhǔn)球形的絲陣，通過調(diào)整靜電高壓和陰陽極之間距離即可獲得不同形狀的絲陣以滿足不同實(shí)驗(yàn)需求。

與文獻(xiàn)[12-14]中使用輔助靜電環(huán)的方法相比，本方法能夠?qū)崿F(xiàn)初始縱橫比可控可調(diào)，同時(shí)，徑向診斷視野完全不受影響，便于實(shí)驗(yàn)診斷的綜合布局。

圖5為強(qiáng)光一號裝置絲陣內(nèi)爆實(shí)驗(yàn)典型結(jié)果，絲陣由32根直徑為4.2 μm鎢絲構(gòu)成，初始半徑和高度分別為4.0 mm、15.4 mm，初始縱橫比為1∶1，圖像顯示，等離子體具有較好匯聚特征的內(nèi)爆行為和聚心狀態(tài)。

5 結(jié)束語

為了在強(qiáng)光一號裝置上開展準(zhǔn)球形內(nèi)爆物理實(shí)驗(yàn)，開展了準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載成形技術(shù)研究，利用靜電力拉伸、通過調(diào)節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)進(jìn)行實(shí)時(shí)調(diào)整和測量，獲得了具有不同初始縱橫比的準(zhǔn)球形絲陣，滿足了物理實(shí)驗(yàn)需求。實(shí)驗(yàn)中，電極和回流柱結(jié)構(gòu)會影響絲陣表面的靜電場強(qiáng)分布，從而影響金屬絲所受的拉力，在靜態(tài)條件下開展了數(shù)值模擬已獲得一種較優(yōu)化的結(jié)構(gòu)。通過工藝流程探索和改進(jìn)，提高了負(fù)載安裝和成形的成功率，成功獲得了不同初始縱橫比的準(zhǔn)球形絲陣負(fù)載，為物理實(shí)驗(yàn)的圓滿成功提供了技術(shù)保證，實(shí)驗(yàn)中已觀察到了有聚心特征的內(nèi)爆行為，說明準(zhǔn)球形絲陣是一種具備先進(jìn)水平的絲陣。

參考文獻(xiàn)

[1] SLUTZ S A， BAILEY J E， CHANDLER G A， et al. Dynamic hohlraum driven inertial fusion capsules[J]. Physics of Plasmas，2003（10）：1875-1882.

[2] HAMMER J H， TABAK M， WILKS S C， et al. High yield inertial confinement fusion target design for a Z-pinch driven hohlraum[J]. Physic of Plasmas，1999（6）：2129-2136.

[3] RUIZ C L， COOPER G W， SLUTZ S A， et al. Production of thermonuclear neutrons from deuterium-filled capsule implosions driven by Z-pinch dynamic hohlraums[J]. Physical Review Letters，2004（93）：015001.

[4] BAILEY J E， CHANDLER G A， SLUTZ S A， et al. Hot dense capsule implosion cores produced by Z-pinch dynamic hohlraum radiation[J]. Physical Review Letters，2004（92）：085002.

[5] 彭先覺. Z箍縮驅(qū)動聚變裂變混合堆：一條有競爭力的能源技術(shù)途徑[J]. 西南科技大學(xué)學(xué)報(bào)，2010，25（4）：1-4.

[6] 彭先覺，王真. Z箍縮驅(qū)動聚變-裂變混合能源堆總體概念研究[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2014，26（9）：090201.

[7] 李正宏，黃洪文，王真，等. Z箍縮驅(qū)動聚變-裂變混合堆總體概念研究進(jìn)展[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2014，26（10）：100202.

[8] OLSON C， ROCHAU G， SLUTZ S， et al. Development path for Z-pinch IFE[J]. Fusion Science and Technology，2005（47）：633-639.

[9] SMIRNOV V P， ZAKHAROV S V， GRABOVSKII E V. Increase in radiation intensity in a quasi-spherical double liner/dynamic hoh-lraum system[J]. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters，2005，81（9）：442-447.

[10] NASH T J， MCDANIEL D H， LEEPER R J， et al. Design simulation， and application of quasi-spherical 100 ns Z-pinch implosions driven by tens of mega-amperes[J]. Physics of Plasmas，2005（12）：052705.

[11] LEBEDEV S V， AMPLEFORD D J， BLAND S N， et al. Recent wire array experiments on the MAGPIE Generator[C]∥AIP Conference Proceedings，2006（808）：69.

[12] ALEKSANDROV V V， GASILOV V A， GRABOVSKI E V， et al. Increase in the energy density of the pinch plasma in 3D implosion of qua-si-spherical wire arrays[J]. Plasma Physics Reports，2014，40（12）：939-954.

[13] GRABOVSKII E V， GRITSUK A N， SMIRNOV V P， et al. Current implosion of quasi-spherical wire arrays[J]. Journal of Experimental and Theoretical Physics Letters，2009，89（7）：315-318.

[14] ALEKSANDROV V V， VOLKOV G S， GRABOVSKI E V， et al. Study of the implosion characteristics of quasi-spherical wire arrays on the An-gara-5-1 facility at currents of up to 4 MA[J]. Plasma Physics Reports，2012，38（4）：315-337.

[15] ZHANG Y， DING N， LI Z H， et al. Dynamics of qua-si-spherical Z-pinch implosions with mass redistribution and displacement modification[J]. Physics of Plasmas，2012（19）：122704.

[16] CHU Y Y， LI Z H， YANG J L， et al. Simulation of the quasi-spherical wire-array implosion dynamics based on a multi-element model[J]. Plasma Physics and Controlled Fusion，2012（54）：105020.

[17] 盛亮，李陽，袁媛，等. 表面絕緣鋁平面絲陣Z箍縮實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理學(xué)報(bào)，2014，63（5）：055201.

[18] 吳堅(jiān)，王亮平，李沫，等. 強(qiáng)光一號兆安電流鎢絲X箍縮實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理學(xué)報(bào)，2014，63（3）：035205.

[19] 葉繁，薛飛彪，褚衍運(yùn)，等. 雙層絲陣Z箍縮電流分配實(shí)驗(yàn)研究[J]. 物理學(xué)報(bào)，2013，62（17）：175203.

[20] 余斌，周秀文，朱曄，等. 準(zhǔn)球形負(fù)載裝配技術(shù)[J]. 強(qiáng)激光與粒子束，2014，26（10）：102002.

（編輯：劉楊）