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1—4 MA電流驅(qū)動的絲陣X光輻射優(yōu)化的實(shí)驗(yàn)研究*

2011-10-23 12:13李正宏徐榮昆楊建倫許澤平寧家敏蔣世倫章法強(qiáng)夏廣新李林波薛飛彪陳進(jìn)川
物理學(xué)報(bào) 2011年2期
關(guān)鍵詞:輻射功率外層X光

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(qiáng) 夏廣新 李林波 葉 凡 秦 義 薛飛彪 陳進(jìn)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(jì)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(shí)驗(yàn)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(qiáng)1)夏廣新1)李林波1)葉 凡1)秦 義1)薛飛彪1)陳進(jìn)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(jì)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(jìn)行了1—4 MA電流驅(qū)動的鎢絲陣列負(fù)載的Z箍縮實(shí)驗(yàn)研究,通過絲陣參數(shù)、負(fù)載電極結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)及負(fù)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(shí)驗(yàn)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(jì)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(jìn)展,Sandia實(shí)驗(yàn)室在Z裝置上用20 MA電流驅(qū)動單層鎢絲陣列負(fù)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(dá)到290 TW[2],是迄今為止實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生的最強(qiáng)X射線源.實(shí)驗(yàn)結(jié)果外推及理論模擬驗(yàn)證均表明,利用絲陣Z箍縮的強(qiáng)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(fèi) 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(qiáng)度是影響黑腔輻射場強(qiáng)度的關(guān)鍵因素之一,優(yōu)化提高絲陣 X光輻射場的強(qiáng)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(jìn)行大驅(qū)動電流條件下的ICF物理分解實(shí)驗(yàn)研究,研究絲陣負(fù)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(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)設(shè)置

研究主要利用強(qiáng)光一號和Angara-5裝置進(jìn)行,其中位于西北核技術(shù)研究所的強(qiáng)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(fù)載,提供峰值為1.5 MA,上升前沿為80 ns的負(fù)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(fù)載上,驅(qū)動負(fù)載內(nèi)爆產(chǎn)生超過100 kJ的軟X射線輻射.

實(shí)驗(yàn)使用單層和雙層鎢絲陣兩類負(fù)載,進(jìn)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(shí)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(jì).使用的鎢絲包括三種直徑,4.2,5和6μm,每一發(fā)負(fù)載所含鎢絲數(shù)量從32到128根不等,詳細(xì)的負(fù)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(jī)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(jìn)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(qiáng)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(shí)驗(yàn)負(fù)載參數(shù)表

3.強(qiáng)光一號實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

Lebedev等[8]的研究結(jié)果指出,絲陣負(fù)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(fù)載質(zhì)量有一個限制范圍,過重的負(fù)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(fù)載則會導(dǎo)致內(nèi)爆坍塌發(fā)生之時電流峰值尚未到達(dá)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(dāng)?shù)慕z陣負(fù)載質(zhì)量前提下.

3.1.改變絲陣長度

之前的實(shí)驗(yàn)[5]和理論分析[9]均已表明,在當(dāng)前的絲陣制備水平條件下,8 mm直徑的絲陣負(fù)載較適用于強(qiáng)光一號的驅(qū)動電流條件;文獻(xiàn)[10]對強(qiáng)光一號上5和6 μm兩種絲直徑負(fù)載(除了鎢絲直徑,其他參數(shù)均相同)進(jìn)行了比較,分析結(jié)果顯示5 μm絲直徑的負(fù)載具有更好的內(nèi)爆品質(zhì),輻射功率更高;文獻(xiàn)[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(fù)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(qiáng)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(fù)載電極結(jié)構(gòu)進(jìn)行了針對性優(yōu)化設(shè)計(jì),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(fù)載長度,E=U/d,在負(fù)載電壓U不變的條件下,通過增加負(fù)載長度d降低整體電場強(qiáng)度,即表1中列出的QS2—QS4三種負(fù)載,每種負(fù)載各三發(fā)有效實(shí)驗(yàn),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(fù)載長度的輻射參數(shù)對比

圖1給出了三種負(fù)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(fù)載長度的增加,電極噴射出的等離子體輻射強(qiáng)度明顯減弱,對25 mm長度的絲陣負(fù)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(fù)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(fù)載長度的增加,絲陣的裝配難度加大,在強(qiáng)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(fù)載雖然在兩極等離子體抑制這一點(diǎn)上比20 mm長度的負(fù)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(fù)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(fù)載,等離子體的輻射功率和輻射能量基本相當(dāng),但20 mm負(fù)載在等離子體滯止階段的體積比25 mm負(fù)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(jìn)行黑腔物理問題的研究時使用較短的絲陣負(fù)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(fù)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(shí)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(shí)驗(yàn)中固定絲陣負(fù)載質(zhì)量,對4.2 μm(48根)和5 μm(32根)兩種金屬絲組成的負(fù)載進(jìn)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(xiàn)[8]給出的內(nèi)爆模式轉(zhuǎn)換的臨界絲間距,實(shí)驗(yàn)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(fù)載的輻射參數(shù)對比(5 μm@4.2 μm)

在每種負(fù)載的各6發(fā)有效實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)中,4.2 μm負(fù)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(jì)結(jié)果不同的是,5 μm負(fù)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(fù)載略高.經(jīng)分析,主要原因是強(qiáng)光一號上負(fù)載為水平安裝,4.2 μm鎢絲較細(xì),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(xì)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(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

與強(qiáng)光一號裝置不同,Angara-5裝置上的負(fù)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(fù)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(fù)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(fù)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(shí)驗(yàn)中,對實(shí)驗(yàn)負(fù)載裝配完成后的初始狀態(tài)進(jìn)行了監(jiān)測,并與最終的內(nèi)爆輻射參數(shù)進(jìn)行了比對分析.圖2給出了其中三發(fā)實(shí)驗(yàn)的情況,其中4405和4408兩發(fā)為AS4類型的負(fù)載,4418為AS5類型的負(fù)載.

圖2 金屬絲陣列負(fù)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(shí)驗(yàn)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(fù)載的4405發(fā)次實(shí)驗(yàn)中,部分相鄰的金屬絲出現(xiàn)扭曲,4418發(fā)次實(shí)驗(yàn)中該現(xiàn)象更為嚴(yán)重,這兩發(fā)獲得的X射線輻射功率均為同類型負(fù)載中的最低值.

4.2.單層絲陣

表4列出了Angara-5實(shí)驗(yàn)中五種類型單層絲陣負(fù)載的內(nèi)爆輻射參數(shù)情況.

表4 五種單層絲陣負(fù)載的輻射參數(shù)對比(除AS1絲陣負(fù)載的直徑為18 mm外,其他四種負(fù)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(qiáng)光一號實(shí)驗(yàn)一致[10],5 μm 絲陣負(fù)載(AS3)相比6 μm絲陣負(fù)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(fù)載驅(qū)動電流條件下前者的平均輻射功率達(dá)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(fù)載的峰值電流隨之從2.7 MA增加到3.2 MA.當(dāng)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(fù)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(fù)載X光輻射功率的最高紀(jì)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(dāng)(0.42 mm@0.44 mm)

采用更細(xì)的4.2 μm超細(xì)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(fù)載電流達(dá)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(yuǎn)大于后者的等離子體內(nèi)爆速度,這一特點(diǎn)對于黑腔的優(yōu)化非常有利.

4.2.4.等負(fù)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(fù)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(fù)載在不穩(wěn)定性抑制上具有顯著的優(yōu)勢,是進(jìn)行黑腔設(shè)計(jì)的首選絲陣構(gòu)型.

表6列出了Angara-5實(shí)驗(yàn)中六種類型雙層絲陣負(fù)載的內(nèi)爆輻射參數(shù)情況,圖5則給出了負(fù)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(fù)載的輻射參數(shù)對比 (其中4.2 μm鎢絲負(fù)載的直徑為18 mm(AD1)和20 mm(AD2),其他三種負(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果不同的是,5 μm鎢絲絲陣(AD3)在峰值負(fù)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(fù)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(jī)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(xiàn)[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(jìn)行黑腔設(shè)計(jì)的首要基礎(chǔ).采用4.2 μm細(xì)鎢絲,在負(fù)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(fù)載,是提高等離子體內(nèi)爆速度的一種可行途徑.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示4.2 μm鎢絲的兩種負(fù)載獲得的最大速度均大大超過了5和6 μm鎢絲負(fù)載,同時還解決了5 μm鎢絲負(fù)載內(nèi)、外層等離子體不同時聚心的問題,實(shí)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(shí)驗(yàn)中使用20 mm直徑的AD2負(fù)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(jì)錄.圖7(a)給出了該發(fā)次實(shí)驗(yàn)中測量獲取的X射線內(nèi)爆軌跡,其最大徑向運(yùn)動速度達(dá)到1.4×108cm/s,遠(yuǎn)高于18 mm直徑負(fù)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(fù)載也表現(xiàn)出了一定的區(qū)別:20 mm直徑的負(fù)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(fù)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(yùn)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(fù)載結(jié)構(gòu),電流上升速率比其他相同鎢絲直徑的負(fù)載均高出10%以上,輻射功率同時也都高出約20%.但這兩種負(fù)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(yùn)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(fù)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(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示兩種負(fù)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(fù)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(fù)載電極及絲陣初始狀態(tài)的良好控制實(shí)現(xiàn)了負(fù)載X光輻射功率的實(shí)驗(yàn)優(yōu)化,在3—4 MA電流的驅(qū)動下,單、雙層絲陣負(fù)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(qiáng)光一號裝置全體運(yùn)行人員為實(shí)驗(yàn)的順利進(jìn)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(shí)驗(yàn)制作了負(fù)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(diǎn)項(xiàng)目(批準(zhǔn)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).

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