（核技术及应用专业论文）喷气负载研制及其z箍缩等离子体实验研究.pdf

7 7 5 9 2 s 喷气负载研制及其z 箍缩等离子体实验研究 核技术及应用专业 研究生黄显宾指导教师伍登学教授 利用z 箍缩等离子体辐射产生的软x 射线驱动靶丸内爆压缩氘 氚燃料是实现惯性约束聚变( i c f ) 的一种重要途径，目前它已经成为 世界上的一个研究热点。 本论文重点对软x 射线和等离子体诊断技术及其辐射特性进行 了研究。主要工作包括两个部分：( 1 ) 研制了一套z 箍缩喷气负载系 统，并进行了性能测试实验及数值模拟；( 2 ) 采用x 光纳秒分幅相机、 x 光功率谱仪、p i n 二极管阵列、x 光积分针孔相机、变相管扫描相 机、x 射线多通道谱仪、激光差分剪切干涉仪等诊断技术在“阳”加速 器上开展了喷气z 箍缩实验，测量了等离子体辐射产生软x 射线能 量、功率，等离子体运动过程图像。这两部分研究工作属国家自然 科学基金资助课题( 1 0 0 3 5 0 3 0 ) 内容之一。 通过论文研究工作，得到了如下结论： ( 1 1 研制的z 箍缩喷气负载系统实验结果表明：系统运行稳定、 重复性好。利用流场程序对喷气负载质量线密度和气流位形进行了 模拟表明：喷气负载线质量密度约l3 “咖m 2 ，气流位形与z 箍缩实 验中获得的早期等离子体图像吻合。 ( 2 ) 在喷气z 箍缩实验中，获得了能量约5 0 0 j c m 、功率大于 1 2 0 w ，半高宽约2 0 n s 的软x 射线脉冲和内爆等离子体各阶段运动 发展过程的x 光图像。研究表明：初始气体的空间分布极大的影响 喷气z 箍缩过程。喷气负载初始击穿不均匀，导致初期负载电流主 要从等离子体壳层中几个主要的通道非均匀的通过；气流“喇叭”状 位形导致等离子体从阴极向阳极的“拉链”效应，气流“颈缩”位形导 致阳极端等离子体“颈缩”效应，并导致阳极端等离子体先期崩溃飞 散；沿z 轴方向，等离子体“拉链”效应明显，最大达2 8 9 10 。c m s ； “喇叭”状位形导致沿z 轴内爆速度大小不一致，半径最大处速度达 44 10 7 c m s ：不稳定性主要发生在箍缩中后期，快速增长的m = o 不 稳定性占主导地位，其次为：1 不稳定性和r t 不稳定性；箍缩后 期等离子体飞散后阴阳电极产生高温金属等离子体，且箍缩过程中 阴极端等离子体温度总高于阳极端温度；同时，实验中也观察到负 载驱动电流上升时间的缩短，可大大提高等离子体柱的箍缩速度， 使等离子体柱阴阳极温度快速趋于一致，减小了等离子体不稳定性 的影响等。 目前，研制的喷气负载系统已成功应用于z 箍缩实验，为开展z 箍缩物理实验研究提供了实验平台，对国内研究z 箍缩物理现象及 实现惯性约束聚变奠定了良好的基础。 关键词：喷气负载，z 箍缩，等离子体，磁流体不稳定性，x 射线。 i i d e s i g no fg a s - p u f fl o a da n d e x p e r i m e n t ss t u d i e so l lz p i n c hp l a s m a p o s t g r a d u a t e ：h u a n gx i a n b i ns u p e r v i s o r ：p r o f w ud e n g x u e c o n s i d e r i n ga so n eo fp o s s i b l ei n t e n s es o f tx r a y sr a d i a t e ds o u r c e s f r o mz - p i n c hp l a s m af o rr e a l i z i n gc o n t r o l l e dt h e r m o n u c l e a rf u s i o n z p i n c hp l a s m ai sb e i n gi n t e n s i v e l ys t u d i e di nt h ew o r l da tp r e s e n t t h isd i s s e r t a t i o ns t r e s s e st h ee x p e r i m e n t ss t u d i e so ns o f tx - r a y ， p l a s m ad i a g n o s t i c sa n dr a d i a t i o nc h a r a c t e r i s t i c s w eh a v ec o m p l e t e d t w oi t e m so fw o r k ：( 1 ) d e s i g n i n gag a s - p u f fl o a ds y s t e mu s e di n z p i n c h a n dm e a s u r i n gt h ec a p a b i l i t ya n df l o ws i m u l a t i o n ；( 2 ) g a s p u f fz p i n c h e x p e r i m e n t sw e r ec a r r i e do u to nt h ea c c e l e r a t o r “y a n g ”，u s e ds o m e d i a g n o s t i c d e v i c e ss u c ha s x r a y n a n o s e c o n df r a m e c a m e r a x - r a y p o w e rs y s t e m ，p i nd i o d ea r r a y ，at i m e - r e s o l v e dx r a yp i n h o l ec a m e r a ， s t r e a kc a m e r a ，x - r a ym u l t i c h a n n e lp o w e rs y s t e m ，d i f f e r e n t i a ll a s e r i n t e r f e r o m e t r yf o rs t u d y i n gt h es o f tx r a ye n e r g ya n dp o w e rr a d i a t e d a n dt h ei m p l o s i o np r o c e s sf r o mz p i n c hp l a s m a t h i sw o r kw a ss u p p o r t e d b yt h en a t i o n a ls c i e n c ef o u n d a t i no fc h i n an o 1 0 0 3 5 0 3 0 t h er e s u l t so fe x p e r i m e n t so fg a s p u f fl o a ds y s t e mu s e di nz p i n c h a r es h o w nb e l o w ： ( 1 ) t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t so ft h es y s t e mo fg a s - p u f fl o a du s e di n z - p i n c hi n d i c a t e d ：i th a s a n a d v a n t a g eo fs t a b i l i t ya n dr e p e t i t i v e o p e r a t i o n s t h er e s u l t so fu t i l i z i n gt h ep r o g r a mo f f l o wf i e l dt o s i m u l a t e dl i n em a s sd e n s i t ya n df l o wd i s t r i b u t i o na r es h o w nb e l o w ：t h e l i n em a s s d e n s i t yo fg a s - p u f fl o a d i sa b o u t13 “g l c m 2 ，t h ef l o w d i s t r i b u t i o ni sc o n s i s t e n tw i t ht h ei m a g eo fi n i t i a l i z a t i o np l a s m ao b t a i n e d i ng a s p u f fz p i n c he x p e r i m e n t s ( 2 ) i ng a s p u f fz p i n c he x p e r i m e n t s ，t h ep e a kv a l u e so ft h es o f tx h i r a yp u l s ee n e r g ya n dp o w e rm e a s u r e dw i t hs o f tx - r a yp o w e rs y s t e mi s a b o v e8 0 0 j ，12 g ww i t hp u l s ew i d t h s ( f w h m ) a b o u t2 0 n sa n dt h exr a y i m a g e si ne v e r yp h a s eo fi m p l o d i n gp l a s m ap r o g r e s s e sa r ea t t a i n e d a n d t h er e s u l t sa r es h o w nb e l o w ：t h es p a t i a ld i s t r i b u t i o no fi n i t i a lg a sh a sa s i g n i f i c a n ti n f l u e n c eo nt h ec o u r s eo fg a s p u f fz p i n c hu n i f o r m i t yo f t h e g a s p u f fd i s t r i b u t i o ni n i t i a l l y i n d u c e st h a t e a r l yt o a d e l e c t r i c c u r r e n t t h r o u g h t h em a i n c h a n n e l s o f p l a s m al a y e r a r e n o n - s y m m e t r i c a l l y ；t h ef l o wd i s t r i b u t i o no f “t r u m p e t ”s h a p ei n d u c e s “z i p p e r ”e f f e c to fp l a s m af r o mc a t h o d et oa n o d e ，t h ef l o wd i s t r i b u t i o n o f “n e c kc o n s t r i n g e n c y ”i n d u c e sp l a s m a n e c kc o n s t r i n g e n c y ”e f f e c t ， e a r l yc o l l a p s ea n dd i s p e r s eo fp i n c hp l a s m ao na n o d e ；a l o n gz a x i s “z i p p e r ”e f f e c to fp l a s m ai so b v i o u sa n dt h ev e l o c i t yi su pt o2 8 9 x 10 7 c m s ；t h ei m p l o d es p e e du n d e r “t r u m p e t d is t r i b u t i o ni sd i f f e r r e n ta l o n g z 。a x i s u pt o4 4 x10 7 c m sa tt h el a r g e s tr a d i u s ；t h ei n s t a b i l i t ym o s t l y h a p p e n si nm i d a n a p h a s eo fp i n c h a n dm = 0o ff a s ti n c r e a s i n gi s d o m i n a n t ，m 2 1i n s t a b i l i t ya n dr - ti n s t a b i l i t yt a k es e c o n dp l a c e s ；t h e c a t h o d ep r o d u c e sh i g h t e m p e r a t u r em e t a lp l a s m aa f t e rp l a s m ad i s p e r s e s i nt h ea n a p h a s eo fp i n c h ，a n dt h et e m p e r a t u r eo ft h ec a t h o d ei s a l w a y s h i g h e rt h a nt h a to ft h ea n o d ed u r i n gp i n c h ；a tt h es a m et i m e ，i ti s o b s e r v e dt h a tw h e nt h er i s et i m eo ft h el o a dd r i v e nc u r r e n ti ss h o r t e n e d p i n c hs p e e d so fp l a s m ai n c r e a s ee n o r m o u s l y ，t h et e m p e r a t u r eo f c a t h o d ea n da n o d ei sc o n s i s t e n tq u i c k l ya n dt h ei n f l u e n c eo fp l a s m a i n s t a b i l i t yi sr e d u c e d a tp r e s e n t ，t h es y s t e mo fg a s p u f fl o a dh a sb e e nu s e di n z p i n c h e x p e r i m e n t ss u c c e s s f u l l y i tp r o v i d e sa ne x p e r i m e n t a lc o n d i t i o nt os t u d yt h e p r i n c i p l eo ft h ez - p i n c hp h y s i c s ，a n de s t a b l i s haf a v o r a b l eb a s i sf o rd o m e s t i c r es e a r c h e so nz - p i n c hp h y s i c a lp h e n o m e n o n sa n di c f k e yw o r d s ：g a s p u f fl o a d ，z - p i n c h ，p l a s m a ，m a g n e t o h y d r o d y n a m i c i n s t a b i l i t y x r a y 四川大学硕士学位论文 1 引言 1 1z 箍缩等离子体研究意义 利用z 箍缩等离子体辐射产生软x 射线驱动靶丸内爆压缩氘氚燃 料实现惯性约束聚变( i c f ) 是作为解决人类未来能源危机的有效途径 之一，目前它已经成为世界上的一个研究热点。惯性约束聚变是基于 氢弹原理，即利用高能驱动器在极短时间内将靶丸加热压缩氘高温、 高密，使之在中心“点火”，实现受控聚变。z 箍缩驱动惯性约束聚变 主要是依靠脉冲功率装置产生的x 射线辐射来引爆次级，图1 1 是z 箍缩驱动靶丸的示意图之一。 目前用来实现i c f 的z 箍缩装置，主要是通过脉冲功率大电流装 置将电能在百n s 左右的时间内加载到金属丝阵、喷气等负载上使其汽 化电离产生高温度高密度的等离子体，利用通过负载的强大脉冲电流 产生的洛仑兹力j x b 使等离子体箍缩产生强的x 射线作为辐射源来驱 动靶丸内爆压缩氘氚燃料，创造热核聚变点火燃烧的条件，实现高增 益，属于惯性约束聚变间接驱动的范畴。 图i iz 箍缩间接驱动的示意图 z 箍缩的最初发展是在2 0 世纪6 0 年代初，英国原子武器研究中心 j c m a r t i n 领导的研究小组将传输线技术应用于商电压脉冲形成中，为 脉冲辐射模拟提供了有效手段，其基本工作原理是：依靠轴向脉冲大 电流产生电磁力使丝阵、喷气等负载汽化、电离产生等离子体箍缩或 向轴线内聚运动，将电能转换为内能，内爆产生x 射线的过程。在z 箍缩驱动惯性约束聚变( i c f ) 中，大电流流经负载时，自磁场b 和等 四川大学硕士学位论文 离子体相互作用产生向心的洛仑兹力形成对等离子体的压强p b ，磁压 大小只：比，2 8 z r2 r2 ，其中r 为负载的外半径。而同时等离子体自身 存在一个内压力p = ”胛，方向与只相反。于是当b p ，则向心压缩： 当只= p ，则平衡停滞；b g e t r ) 时， 它的增长要快得多。这种情况下，它是破坏箍缩柱对称性的最危险的 不稳定性。在动力z 箍缩的实验中，当等离子体被很快的加速时，大 多数情况下加速度g 远大于因磁力线弯曲引起的等效加速度g 。f f 。考 虑一个半径为r 的圆柱型套筒，其厚度d l9m a 阱上的实验定标律尚未可知。 箍缩等离子体基本是黑体，应服从亮温to c p v 4 的规律，这已得到 实验数据的支持 3 5 1 。结合p 的定标关系可知，t o cj o ”。根据“源一汇” 模型，可认为i c f 黑腔或靶丸的温度n 与该黑体的亮温丁成正比。 ，= 2 0 m a 时瓦= 1 5 0e v ，若要求瓦= 2 5 0e v 或3 0 0e v ，则应有i = 1 0 3 m a 或18 7m a 。能否建成这么大的非爆炸性脉冲功率装置，目前尚无 法设想。 专 窖 争 善 曼 一 章 享 罾 ( a ) 辐射峰值功率与箍缩电流峰值关系 ( b ) 辐射总能量与箍缩电流峰值关系 图1 9 单个金属丝阵z 箍缩内爆x 辐射参数的定标关系 1 2 四川大学硕士学位论文 s t y g a r 文章提出的另一重要问题是z 箍缩实验结果的分散性。 1 3 m a 各次实验辐射峰值数据的标准相对偏差是1 2 4 1 ，1 9m a 实 验为1 4 4 1 ，电流越大实验结果越分散。考虑到实验中只测量了箍 缩等离子体柱上半部的x 辐射，折算总偏差应为8 5 。从不同发次的 针孔照片也可看出，箍缩等离子体的粗细和亮斑情况有明显差异，以 前别的实验也曾观察到辐射功率峰值的分散性达到15 2 2 。为了辐 射驱动靶丸的对称性，上、下两个箍缩必须高度对称地向次级黑腔中 注入辐射，如果各次实验值偏差为7 ，则这两个辐射峰值相等的概 率为4 4 。驱动的对称性还包括其他方面的要求( 如脉宽等等) ，将 使问题变得更加复杂。对于核聚变研究，还应特别指出的是1 9 9 8 年美 国s a n d i a 国家实验室利用p b f a z 装置在2 0m a 电流驱动下得到2 7 0 t w 、2m j 的脉冲x 射线，被压缩的等离子体温度达到1 5 x 1 0 7 k 。这 种z 箍缩装置能够产生核聚变所需的能量、功率和温度，分别大约为 2 0 、4 0 和3 3 5 0 1 0 l ，z 箍缩研究的前景非常令人鼓舞。 表1 1 d e 、s a t u r n 、z 和d q 装置上1 - 2 3 4 c m 双壳层喷气z 箍缩结果 喷气z 箍缩d o u b l e e a g l e s a t u r nz d e c a d eq u a d 在2 0 0 0 年到2 0 0 3 年期间，美国科学家在d o u b l e e a g l e ，s a t u r n ， z 和d e c a d eq u a d 装置进行了1 2 3 4e m 的双壳层喷气实验【3 引。表1 1 四川大学硕士学位论文 列出了在它们上面进行的双壳层氩喷气z 箍缩内爆时间、峰值电流、 箍缩长度、充分的k 壳层输出、k 壳层脉宽、离子密度、电子温度和 演绎出的k 壳层辐射质量。因为在所有实验中的负载都一样，又因为 获得的结果采用的是一样的喷嘴，这些数据排除了影响定标结果的外 界因素( 如不同的预置和多维效应) 。研究结果表明：对于低质量内爆， k 壳层输出与，4 成正比，因此被称作无效率状态。当辐射的输出可与 内爆能量相比较时，能量守恒限制了输出，输出定标为j2 。图1 1 0 列 出了不同的脉冲功率装置输出的峰值电流对应的峰值k 壳层输出。值 得注意的是，绝大多数数据点都来自不同的喷嘴结构和约1 0 0r i s 内爆 时间的诊断结果。尽管在机器、喷嘴、诊断特征等方面有些区别，但 在数据方面有着明显的一致性，即辐射输运定标关系从，4 向，2 变化。 除了1 0 0r l s 内爆时间数据，图1 1 1 还展示了一系列2 0 0n s 氩喷气z 箍缩内爆时间实验的k 壳层输出。这些数据暗示在无效率状态，随着 内爆时间的增加，k 壳层输出降低。 图1 1 0 单位长度氩k 壳层x 射线产额与1 2 的定标 图1 1 1 2 0 0 n s 氩碛气z 箍缩内爆时间实验的k 壳层输出与峰值电流关系 1 4 四川大学硕士学位论文 1 4 论文的主要工作 本论文是国家自然科学重点基金( 1 0 0 3 5 0 3 0 ) 和中国工程物理研 究院重点资助课题的内容之一，属基础研究范畴。 论文的工作主要包括下面两部分： ( 1 ) 研制一套超音速喷气z 箍缩负载系统，包括快速电磁阀、超音速 拉瓦尔喷嘴的设计、气流线质量密度和位形模拟、能源系统和触 发同步系统的建立五部分，重点是前三部分； ( 2 ) 利用相关的诊断技术开展喷气z 箍缩实验和诊断，获取x 射线 产额和内爆等离子体图像，研究负载位形对等离子体影响、内爆 等离子体运动过程和不稳定性发展等现象。 四川大学硕士学位论文 2z 箍缩喷气负载系统研制 超音速喷气系统是喷气z 箍缩实验负载的重要组成部分，它由带 电磁阀的高压储气室和超音速喷嘴两部分组成 4 0 , 4 i i 。当电容器放电时， 线圈中的电流在铁锤中产生一个涡流磁场，使铁锤产生一个向上加速 度后撞击提升阀，阀门开启。当阀门开启后，储气室内的高压气体迅 速流向高真空度的驻室，在驻室内来回振荡稳定后通过喷嘴喉部产生 超音速喷射气流，气流通过喷嘴扩张段整形后产生用于喷气z 箍缩实 验的超音速圆柱形壳层气体负载。在目前常见的等离子体科学研究中 ( 如气体放电学，z 箍缩物理等) ，经常需要产生质量为几十微克且快 速形成的气体负载，其出口的压力上升率希望达到一1 t o r r j _ t s 。清华大 学电机系曾经研制过一种快速电磁阀( 利用涡流驱动原理) ，实验表明 其结构长度过长，存在着阀门不能快速开启和关闭、喷出的气流位形 和马赫数达不到要求等缺点。为了满足喷气z 箍缩等离子体实验研究 的需要，我们重新设计了套z 箍缩喷气负载系统，经实验验证，该 系统工作稳定、重复性好，满足进行喷气z 箍缩需要。下面就快速电 磁阀和超音速喷嘴的研制过程进行详细介绍。 2 1 陕速电磁阀的研制 快速电磁阀基本工作原理为：在初始状态时，阀门密封隔离电磁 阀储气室( 高压气体) 与外真空环境。当外界电容器组对线圈放电时， 软铁锤受到磁场作用快速磁化，并产生磁化电流，在电磁场相互作用 的原理下，软铁锤将向上运动压缩弹簧，并将阎门提起快速放出气体， 尔后因电流的消失及弹簧的作用，钛阀门迅速关闭储气室。释放气体 的质量、速度、时间与软铁锤、弹簧、电磁线圈、放电电流等器件的 性能密切相关。下面就详细介绍整个电磁阀设计过程。 ( 1 ) 电磁线圈与外放电回路 电磁线圈与外放电回路的作用是为软铁锤提供一个快速变化的交 变磁场，以产生向上撞击弹簧的电磁力。系统主要由能源系统、触发 系统、同步系统和击穿探针组成。能源系统主要由高压脉冲电源、充 电机、轻型高压试验变压器、水电阻、电容器组、高压测量装置、 r o g o w s k i 线圈组成，等效电路如图2 1 ，实际电路图如图2 2 ， 1 6 四川大学硕士学位论文 图2 1 线圈放电等效回路图2 2 电磁阀能源系统结电路示意图 蘧 ( 2 1 不锈钢室体 当脉冲电流通过电感线圈时会产生交变磁场，穿过不锈钢室体时 磁场会发生衰减，并且作用到软铁锤上的时间也会滞后。在实验中我 厅 们采用当放电电流达到峰值电流的半时，磁场完全穿透不锈钢室体， z 根据磁扩散经验公式： t 亡t = 1 2 1 a r s o( 2 - 1 ) 式中，队a 分别是不锈钢的磁导率、电导率；r 、6 分别是不锈钢室体 的半径和不锈钢的厚度。室体材料采用奥氏体不锈钢，电阻率9 = 8 0 q c m ，磁导率= 1 0 1 。由此可知不锈钢室体的厚度8 = 2 2 5m m 。 磁场穿透不锈钢屏蔽和再次被屏蔽的时间t 1 、t 2 可由下式获得： t=av(2-2) t z = 荨瓜( 2 - 3 ) ( 3 ) 软铁锤 磁场渗透到腔室后，因软铁是一种软磁材料，可被快速磁化。在 结构设计中，软铁锤处于自由滑动状态。在材料上，软铁锤采用高电 阻率的硅钢片叠加制成环，各片之间相互绝缘，并使叠缝与磁感应线 平行。软铁锤约重16 0 克。实验中选用含硅3 左右的f e s i 合金作为 软铁材料，即硅钢( 片) 或电工钢。它的主要特点是可降低磁各向异 性常数和磁致伸缩系数，提高电阻率，具有高饱和磁化强度、高磁导 率、低矫顽力、较低涡流损耗、价格低于其他软铁合金等优点。 四川大学硕士学位论文 磁场磁化软铁材料后，由于软铁材料中分子电流的有序排列，软 铁介质中将出现宏观电流( 即磁化电流) 。磁化电流的产生不伴随电荷 的宏观位移，故不存在焦耳热效应。磁化电流产生与外场方向一致的 磁化强度，可将软铁锤吸入线圈中。由于软铁材料的高磁导率，软铁 介质中将产生很强的磁感应强度和密度很小的涡电流，设计计算中可 忽略涡电流的影响。当软铁锤压缩上端弹簧，上端弹簧所起的作用主 要是延长软铁作用时间( 因而其弹性常数较大) ，以便给予钛阀杆足够 大的冲量，使钛杆瞬时获得一个很高的速度，并在磁场再次屏蔽后推 动软铁回到原位。软铁内磁感应强度为： b = v 丝笋u 。挣n j 壶t 陋4 ， 兀r vlyl l 其中，是磁场衰减系数，包括穿透不锈钢室体以及磁化软铁中的 衰减，大概为1 0 。量级：。是软铁的磁导率，6 1 0 3 ；a 。为真空磁 导率，a 。= 47 c 10 - 7 h m ；n 为线圈匝数；矾为电容器充电电压；c 为电 容器的电容，c = 2 5 儿f ；l 为线圈电感；，为线圈半径；t 取线圈产生的 磁场穿透不锈钢室体的时间，忽略了磁场磁化软铁所需时间。由以上 数据可以初略计算出软铁初始磁感应强度b 。变化磁场对软铁的作用 力( 只考虑磁化电流作用) 可根据虚功原理近似得到 f ( t ) = 丛别丛u ：壶t ( 2 _ s ) 式中s 。指软铁的表面积。由以上数据可以初略计算出软铁初始受 力f 。 ( 4 ) 铁阀门和弹簧 制作中阀门材料可采用铝合金或钛棒，钛材料具有很高的拉伸强 度和很低的质量，因而在实验中常被使用。设计的整个钛阀门重约5 0 克。钛阀门得到的初速可忽略上端弹簧的作用，并取软铁的作用时间 为磁场穿透不锈钢屏蔽和再次被屏蔽的时间间隔来得到： 驴氇搀掌u ：詈( t t ) 瓜 p s ) 式中：m t i 指钛杆的质量。理论计算出钛阀门初始速度约为2 7 6 m s ， 但考虑储气室对磁场的衰减及其它损耗、真空和储气室压力的共同作 用，真实阀门提起速度应比其小。 四川大学硕士学位论文 弹簧的作用主要是保证阀门快速开启和闭合，因而上下两端弹簧 的弹性常数都比较大，实验中采用了直径为2 m m 的钢丝绕成的弹簧。 设计的快速电磁阀结构如图2 3 所示，其主体结构包括电磁线圈、 不锈钢室体、提升阀、软铁锤、弹簧等，通过一个整流硅控制的整流 器连接在一组电容器上。电磁线圈由包含约9 0 匝、直径为o 5 r a m 的 加强型漆包铜线或多芯线绕成三层结构且浇注环氧树脂构成，电感约 4 2 0u h ，。绕制过程中( 浇注环氧树脂之前) 在线之间及其周围加入玻 璃纤维，可起增强、加固作用。线圈缠绕在圆筒形气室进气口端，直 径为5 5c m 。提升快速电磁阀阀由钛材料制作，其优点是重量轻、强 度高。软铁锤采用高电阻率的硅钢片叠加制成环，各片之间相互绝缘， 并使叠缝与磁感应线平行。设计中优化了阀门后与喷嘴喉道间的管道 长度，以提高气流的来回振荡频率，使喉道前气流能较快的趋于稳定 形成新的驻室条件，有利于更快的获得稳定气体负载。整个电磁阀高 约1 2 4e m ，重量约1k g 。 图2 3 快速电磁阀结构 2 2 超音速喷嘴的研制 喷管是超音速喷嘴的一个重要部件，其设计的好坏，将直接影响 出1 3 下游负载位形和质量线密度【4 ”。喷管主要由驻室、收缩段( 亚声 速) 、喉部和扩张段组成。当快速电磁阀阀门开启后，储气室内的高 压气体迅速流向高真空度的驻室，在驻室内来回振荡稳定后通过喷嘴 喉部产生超音速喷射气流，气流通过喷嘴扩张段整形后产生用于喷气 z 箍缩实验的超音速圆柱形壳层气体负载。超音速喷嘴研制的主要工 作是使所研制喷嘴产生的气体负载质量线密度m 满足1 5 牡g c m 左右的 1 9 四川大学硕士学位论文 设计指标并使气流位形发散角度尽量小，最好与轴心趋于平行。 在设计与脉冲源驱动质量相匹配、内爆时间吻合及气流位型较好 的喷气负载，主要是根据脉冲功率驱动源峰值电流和上升时间大小来 确定喷气负载线质量密度，然后根据负载电流、内爆时间与线质量密 度的关系来确定喷气负载的初始半径，其关系式为 啡咖，= 甏( 击卜 陋， 式中：m 为线质量密度，肛。为真空磁导率，t ，为内爆时间，r 0 为 喷气负载初始半径，i 。为峰值电流。方程( 2 7 ) 中的q ，由内爆等离子体 箍缩到停滞阶段的半径r f 与喷气负载初始半径r 0 的比值x ，确定，其关系 式为： q f = 1 7 3 0 2 2 x f 一0 4 2 x ； ( 2 8 ) 方程式( 2 8 ) 中的坼的有效值为o 0 4 s 而s 0 1 4 。在假定坼值后，根据 方程( 2 7 ) 、( 2 8 ) ，我们就可以计算出喷气负载的初始半径r n 。 喷气负载的气流位型主要决定于喷管的形状及喷嘴出口气流马赫 数【4 3 4 引。对于喷气z 箍缩来说，要求超音速喷嘴喷出的气流具有较高 的马赫数，这是因为喷出的气流沿轴向前进的同时将向径向膨胀扩散， 使得喷气气流壳层在喷嘴出口端气流层薄，数密度高，并且半径较小， 而距喷嘴较远端气流壳层变厚，数密度降低，半径变大，产生类似于 喇叭状的喷气位型。对这种喇叭状的气体负载放电时，将使得等离子 体箍缩轴向速度不同步，即越靠近喷嘴端的等离子体层越早抵达轴线， 产生“拉锁效应” 45 1 ，不利于产生最佳的x 射线辐射。因此。当超音速喷 嘴喷出的负载气流具有较高的马赫数时，它们抵达距喷嘴出口一定距 离所需的时间较短，同时负载气流层的扩散也就较小。马赫数m 的大 小决定于喷嘴出口与喉部截面积比，其关系式为： ，、 l ：上f 上+ 翌m 21 2 叶” ( 2 - 9 ) a ml y + 1 y + lj 式( 2 - 9 ) 中a 为喷嘴出口截面积，a + 为喉部截面积，m 为喷嘴出口 处马赫数，为气体的比热比。在确定喷嘴出口气体壳层厚度及喷嘴喉 部的大小后就可以计算出相应的喷嘴出口马赫数大小。 四川大学硕士学位论文 对于z 箍缩装置的环行喷嘴，可以看成是由一个沿流向的二维喷 管绕对称轴线旋转一周形成的。为了产生超声速均匀平行气流，通常 采用型面喷管，它由收缩一扩张形的型面构成。根据需要可以设计成上 型面、下型面和双型面三种形式。图2 4 为超音速喷嘴设计示意图。 图2 4 超音速喷嘴设计示意图 流场稳定后，喷管收缩段的气流是亚声速的，扩张段是超声速的， 二者之间的最小截面处为声速喉道。亚音速段可以用圆弧代替，喉道 段采用三次曲线拟合，过渡段采用f o e l s c h 方法1 4 6 设计，但这些设计 方法需考虑粘性的影响进行附面层修正1 4 7 。在这里，采用了角度修正 方法h “，其假设附面层的增长是线性的，即： y = y + x t 9 8( 2 1 0 ) 其中】，代表物理型面坐标，y 代表无粘流型面坐标。假设喉道点的 x 坐标为零，附面层位移厚度也为零。附面层线性增长的角度值j 通常 由试验给出，也可以查阅相关的技术资料【4 引。 亚声速收缩段设计时应尽可能短，以减少管道压力损失，并要求 在管壁附近流动没有分离。由于流速低，可以忽略附面层的影响。圆 弧形的收缩段，设计方法简单，效果也很好。用r l 代表收缩段圆弧半 径，那么圆弧方程为： x = 一r lc o s o ! ( 0 c t 9 0 ) y = r l + y 一r ls i n t z ( 0 1 t w ) 、短 时间尺度( 1 0n s 1 0l a s ) 状态，并用于厘米量级的空间，这正是驱动 z 箍缩负载所需要的【l 们。简单的内爆z 箍缩对于磁场瑞利一泰勒r t 模式是不稳定的，这种不稳定性使得滞止时等离子体密度降低。表征 内爆中不稳定性增长e 倍的指数可依靠缩短内爆时间而降低。因此， 缩短输入负载中电功率脉冲宽度得脉冲功率技术对于降低磁r t 不稳 四川大学硕士学位论文 定性增长以及改进z 箍缩性能是很重要得的。 一些脉冲功率装置通常用于驱动z 箍缩负载，最简单的是一类初 级储能装置，通常由电容器组、高功率低电感开关和连接于负载的低 阻抗传输线组成。这种系统的优点是成本低、尺寸小，但储能为所需 要( m j ) 量级的系统脉冲宽度有几微秒。 当今更广泛的是一个m a r x 发生器与脉冲形成线耦合的高功率系 统。直列的m a r x 发生器放电( “s ) 于一个中间储能电容器，后者再通过 负载快放电( 1 0n s 1 0 0n s ) 。使用脉冲形成线系统的优点是简单，但以 效率损失为代价。本文进行z 箍缩实验的脉冲功率装置“阳”加速器就 属于此类型。 “阳”加速器是台大型设备，是由俄罗斯引进的一台电容储能型 脉冲功率源，用于z 箍缩实验时属于快脉冲型驱动源。主机总长2 3 米， 直径3 2 米。其设计采用了独特的高压同步触发技术和磁绝缘真空传 输线电压叠加技术，具有优良的性能和两种工作状态。第一种工作状 态为加速器低阻抗工作状态，电流幅值可达1m a 、脉宽9 0n s ，能量 约6 0k j ；第二种工作状态称为高阻抗工作状态，设计指标为电压幅值 7 5m v 、电流幅值1 5 0k a 、脉宽8 0n s 、能量为6 0k j 。z 箍缩实验主 要处于第一种工作状态。 “阳”加速器由主机和辅助系统两大部分组成。主机主要由马克斯 发生器、双形成线、水传输线和低阻抗二极管组成，结构框图如图3 1 所示：辅助系统由控制系统、高压电源系统、高压同步触发系统、主 机参数测试系统、气路系统、真空系统、水净化处理系统和油处理系 统等组成。 图3 1 “阳”加速器由主机结构框图 四川大学硕士学位论文 当工作电压6 0k v ，短路电流最大达1 2m a ，电流上升沿 ( 1 0 9 0 ) 为8 5n s 。在喷气z 箍缩实验中，延时系统包括喷气装置 延时系统和加速器自身延时系统。为了使喷出气体在加速器在阴阳电 极之间形成位型较好的负载时与脉冲功率驱动源的驱动电流抵达阴阳 电极的时间同步，我们采用同步延时机进行二者之间的同步。其同步 工作框图如图3 2 所示，图3 3 为同步延时系统实物图。 图3 2 喷气z - p i n c h 装置同步工作框图 图3 3 同步延时系统 喷气z 箍缩装置同步系统( 图3 2 ) 的工作过程如下：首先给超音 速喷气装置能源系统和加速器m a r x 发生器加压，然后触发高压触发 器，给出的高压脉冲触发超音速喷气装置的开关使电磁阀线包导通， 产生涡流电磁力提起电磁阀，喷出气体。电磁线包导通的同时，安装 在其上的d i d t 线圈感应信号传送到喷气系统同步延时机，通过延时l 和延时2 ，使喷气负载与脉冲驱动电流达到同步。图3 4 为实验中使用 四j f i x 学硕士学位论文 的快速电磁阀与超音速喷嘴正视实物图。 图3 4 快速电磁阀与超音速喷嘴实物图 3 2 喷气z 箍缩诊断方法 z 箍缩物理实验的开展，主要依赖于诊断技术的发展。目前此方 面工作开展的最好的以美国圣地亚国家实验室的z 装置上的诊断技术 最为完整和先进，其次为俄罗斯，国内由于z 箍缩实验开展较晚，相 关诊断技术仍处于起步阶段，但国内激光i c f 上的诊断技术较为完善 和先进，且与z 箍缩诊断具有一致性，可以借鉴和直接采用。为了摸 清其每一个物理过程的规律，都必须开展综合及分解实验。不难理解， 欲完成这些实验的前提和支撑是要有好的诊断设备及巧妙的诊断技 术。近几年，无论是脉冲功率源驱动的i c f 领域还是激光驱动的i c f 领域，都越来越感到了“精密物理”的重要，以通过诊断、制靶和驱动 装置的同步精密，达到实验物理数据、信息的精密目的。诊断技术应 满足：驱动装置电参数；混合场( 等离子体辐射出x 光、电子、离子、 中子、光予) ；被测物理量宽量程等特殊要求；此外还需高时、空( p s 、 n m ) 分辨( 内爆区的时、空尺度仅数1 0p s 、数1 0i t m ) 。这近乎是对 以光电技术为基础的诊断手段极限能力的一种挑战。 由于z 箍缩中众多物理量都属于极端条件下的物理量，其时间、空 间尺度都非常小，因此对测试和诊断技术提出了较高的要求。在诊断 工作中，应尽量提高诊断设备所得数据的精确性和可靠性，因此除了 3 5 四川大学硕士学位论文 针对研究内容建立相应的诊断设备外，还应注意以下几方面的问题： 1 ) 诊断设备的正确标定：诊断设备应具备满足物理实验要求的灵敏度、 能量响应、动态范围、时间分辨，尽量高的信噪比及线性：逐个标定 及整个系统的联合标定；2 ) 抗干扰，信噪比高；3 ) 实验数据的采集和处 理方法：简便、快速、准确，缩短实验周期，提高效率；4 ) 便于综合 统一分析。 在本节中，将重点介绍应用在喷气z 箍缩实验中的辐射功率谱仪、 x 光分幅相机、针孔积分相机、激光剪切差分干涉系统、多通道谱仪和 p i n 阵列诊断手段的原理，通过这些方法我们初步获得了喷气z 箍缩的 x 射线产额、等离子体箍缩过程图像，研究了不稳定性发展以及喷气位 形对箍缩等离子体柱的影响。图3 5 为“阳”加速器上喷气z 箍缩实验诊 断布局图。 p m = 撮蟹伟列 图3 5 “阳”加速器上喷气z 箍缩实验诊断布局 3 2 1 辐射功率谱仪 在快z 箍缩聚变研究中，负载产生从红外光到数仟电子伏特的硬 x 射线的快脉冲电磁辐射，其中红外光到可见光的辐射反映了负载汽 化、电离等过程的物理规律：x 射线反映了等离子体的形成、弥合、 压缩等过程的物理规律。在稠密等离子体物理诊断中，通过测量软x 辐射场的特性( 如功率、能谱、空间分布等) 可以诊断等离子体的形 3 6 四川太学硕士学位论文 成、弥台、鞘层结果、热点分布等物理过程。因此需要测试系统满足 1 ) 对软x 具有平坦的能谱响应；2 ) 具有较强的抑制可见光干扰的能力 3 ) 具有较快的时间响应。 在实验中采用闪烁体+ 光电管的辐射功率谱仪，其测量原理是： z 箍缩等离子体辐射的x 射线经小孔限束后照射闪烁体，在闪烁体中， x 射线与闪烁体物质作用发生光电效应产生光电子，光电子在闪烁体 内行进过程中与闪烁体原子发生库仑逐渐将能量传递给( 闪烁体原子 的) 外层电子，使原子激发，原子退激后辐射的荧光被探测器接受转 换成电信号，电信号经电缆传输后最终右示波器记录。 由于光电闪烁探测器对z 箍缩源区辐射的可见光也灵敏，在x 射线时间谱设计中，为避免可见光直接照射探测器，将x 光探测器设 置在与主测量管道成9 0 。角的分测量管道中，并选用红光闪烁体或 s t - 4 0 l 闪烁体为x 光荧光转换材料，使可见光透过闪烁体而不在闪 烁体中有沉积能量。 在实验中使用的塑料闪烁体为s t 一4 0 1 ：s t 一4 0 1 的时间响应为2 8 n s ，峰值波长3 7 5n m ，同轴结构的快速强流光电管g d 4 0 1 响应时间 约o 6 n s o 9 n s ，组成的探测器系统响应时间小于3 3n s ，因此闪烁 体加光电管输出的电流信号基本能反映箍缩区x 射线辐射功率随时 间的变化过程，直接可以给出x 射线辐射功率波形。 下面我们简要介绍其数据处理方法。根据在北京同步辐射国家实 验室标定试验和对光电管相对光电管的增益进行的测量，x 功率测量 仪灵敏度计算公式为： o 测量系统灵敏度= o p _ m t r r i ( 3 - 1 ) 川 式中：s ，。为同步辐射标定系统灵敏度，c k e v ；卵为标定系统闪 烁体到探测器的距离l l 与测量系统闪烁体到探测器的距离l 2 的比例 系数l 2 肚；n 为光电倍增管相对光电管的增益。 由计算得到实验所需光电管的灵敏度就可以根据测量波形合数据 来计算x 光辐射功率及x 光辐射能量。轴线垂直方向光电管测量的x 光辐射功率为： 四川大学硕士学位论文 或 x 光辐射能量为 式中： 孔