单丝Z-Pinch等离子体Thomson散射诊断系统设计

　　单丝Z-Pinch过程包括脉冲电流欧姆加热、负载等离子体膨胀、磁压缩碰撞滞止(辐射塌缩)以及等离子体飞散四个过程[1]。X光辐射场是Z-Pinch物理研究的重要内容[2]。X光辐射峰值功率直接取决于负载等离子体的状态,如电子温度Te、电子密度ne、有效电荷数Zeff、等离子体流速Ui等[3]。在电磁场与等离子体耦合的过程中,各种非线性过程(如瑞利-泰勒不稳定性)的发展不仅决定于电子密度、电子温度,而且对有效电荷数也很敏感;早期电场能量的吸收及电子热传导也与电子密度、温度及其分布密切相关;有效电荷数决定了电子-离子碰撞频率,也是影响X光转换率的关键因素。因此,只有精确诊断负载等离子体各参数及其时空演化情况,才能细致研究电子热传导、冕区等离子体的状态演化以及X光辐射的物理过程。

　　本文的工作就是针对“阳”加速器[2]单丝Z-Pinch物理过程,设计和建立Thomson散射诊断系统。并将其用于物理诊断实验,掌握基本等离子体参数的空间演化规律,为数值模拟程序提供可靠的实验数据;同时为将来在更大的Z-Pinch装置上发展Thomson散射诊断系统做技术储备,特别是未来在Z-Pinch条件下进行惯性约束聚变研究时靶丸等离子体参数的准确测量技术。

　　“阳”加速器设计的工作电流为800kA,目前实际可达500kA,脉冲上升沿时间为100ns。单丝Z-Pinch实验,碳纤维负载的初始半径r0=5~15μm;等离子体箍缩之前的最大膨胀半径R≈5mm;典型的冕区电子温度Te=10~30eV、离子温度Ti=2~6eV、电子密度ne=1018~1019cm-3、平均电离度Zeff=4~6[4];等离子体的向中心轴的箍缩速度约为107cm/s。最佳箍缩状态是当电流达到最大值时,箍缩运动达到碰撞滞止。由此估算等离子体箍缩前达到最大膨胀半径的时刻,约在脉冲上升沿的60~80ns时间范围内,该时刻的等离子体状态是我们诊断的目标。

　　目前,国外已经开展了一些利用Thomson散射诊断Z-Pinch等离子体的实验研究,特别是美国的Sandia实验室[5]。国内,Thomson散射诊断技术虽已应用于惯性约束聚变、磁约束聚变等离子体参数诊断[6、7],然而针对Z-Pinch等离子体的实验研究基本为空白。

　　1　设计方法

　　单丝Z-Pinch等离子体Thomson散射诊断系统的设计要求是:(1)系统通过测量离子声共振峰得到等离子体基本参数,物理上要求Thomson散射过程属于热相干散射;(2)在不违背等离子体无扰诊断的条件下,探针光的强度应保证散射光强度大于等离子体自身辐射强度;(3)探针束照射负载时,其最佳偏振方向平行于负载轴向;(4)在探针束脉宽时间尺度内,Z-Pinch等离子体可视为准稳态的;(5)系统各光学元件具有良好可调节性,特别是探针光聚焦透镜的调节精度达到μm量级。