Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析

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1、第17卷第10期强激光与粒子束Vol.17,No.102005年10月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSOct.,2005文章编号:100124322(2005)10215332063Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析杨震华,刘全,丁宁,宁成(北京应用物理与计算数学研究所,北京100088)摘要:实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率。为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayleigh2Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析。分析表明:双

2、层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性。关键词:Z箍缩;双层丝阵负载;RT不稳定性中图分类号:O532文献标识码:A上世纪90年代中期以后,脉冲功率驱动的Z箍缩内爆等离子体产生大能量高功率X光辐射源的研究取得了突破性的进展。由直径7.5μm的240根钨丝组装成高2cm,直径4cm的圆柱形丝阵负载,获得了总能[1]量为1.7MJ,功率接近200TW的X光辐射源。如果在丝

3、阵内半径1cm处,再由120根同样粗细的钨丝围[2]成一个同轴内层丝阵,则X光辐射功率可以提高到280TW,X光辐射总能量基本保持不变。整个系统的电能转化为X光辐射的效率接近15%。如此高效率、高功率、大能量的实验室X光辐射源,为开展各种应用研究提供了极好的条件,从而受到广泛的重视。Sandia实验室取得的突破性进展,主要是建立在以下两项技术基础上的。首先是它具有像Saturn、PBFA2II等一些强电流、大功率的脉冲功率加速器;其次是在Z箍缩负载的设计上采用了金属丝阵结构,特别是钨丝阵负载。实验证实金属丝阵负载的提出和使用,使得长期以来阻挠Z箍缩发展的RT不稳定性得到了

4、有效的克服,特别是双层钨丝阵负载。从此之后Z箍缩的研究和发展迈向了一个新的时期。金属丝阵负载Z箍缩的内爆动力学过程,是一个复杂的磁流体力学过程,应该用数值模拟来求解。但是,解析模型(也称0维模型)在实验方案的设计和实验结果的分析中仍具有一定的可靠性,因此在实际应用中至[3]今不失为一种既方便又有效的方法。本文的目的就是在0维模型的基础上,对双层丝阵负载设计中的若干问题进行理论分析,希望能从中得出一些有规律性的看法。1内爆动力学的0维模型双层丝阵的构形如图1所示。丝阵的外层半径为r1,总质量为m1,内层半径为r2,总质量为m2,高度为l。在Z装置上,当脉冲电流通过丝阵时,前

5、沿电流(或预脉冲电流)的焦耳热使金属丝加热、熔化、膨胀,大约在50～100ns以后,金属丝阵形成为一个封闭的厚度约数百μm至1mm的圆柱形薄壳。流过薄壳的强电流在外侧产生强磁场。洛伦兹力j×B使薄壳向内加速形成内爆。在1维近似下,洛伦兹力驱动的内爆过程可以用下述方程来描述Fig.1Aphotographofa40mmouterdiameter,duμ0l220mminnerdiameternestedarrayM(r1,r2)=-I(t)(1)dt4πr图1外直径为40mm内直径为20mm的双层丝阵式中:μ0为真空磁导率;I(t)是流经负载的总电流;3收稿日期:20042

6、10209;修订日期:2005202201基金项目:国家自然科学基金资助课题(10375010)作者简介:杨震华(1937—),男,研究员,目前从事Z箍缩内爆等离子体理论研究;北京8009信箱。©1995-2005TsinghuaTongfangOpticalDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.1534强激光与粒子束第17卷M(r1,r2)为阶跃函数m1,r1≥r>r2M(r1,r2)=(2)m1+m2,r2≥r>0给定I(t)曲线和t=0时的初始条件u=dr/dt=0,以及r=r2时m1碰上m2时的动量守恒条件,则可以通过(1)式数值求解双层丝阵

7、的内爆动力学过程,给出内爆过程中的r2t,u(t)分布曲线,内爆到心时刻的运动速度和总动能,以及能量转换效率等参数,而这些参数在Z箍缩实验方案优化设计中具有重要的参考价值。实验证实,利用(1)式来优化实验方案是行之有效的途径。为了求得(1)式的解析表达式,就必须对I(t)作适当简化,通常比较简单的办法是令I(t)≈αIP,IP是峰值电流,α是电流分布曲线的形状因子,相当于把I(t)当作矩形分布而因此引起的修正。显然α的值与I(t)的分布有关。对不同的实验装置提供的I(t)分布曲线是不同的,因此α的值也不相同,一般由实验来确定。