强光一号Z箍缩实验研究

　　Z箍缩的基本原理是利用脉冲高电压大电流放电产生等离子体,等离子体在大电流自磁场的作用下轴向箍缩,形成高温高密度等离子体,产生脉冲X射线。但是由于受到等离子体不稳定性的限制,以及脉冲功率技术水平的制约,在20世纪80年代以前该项研究工作进展不大;1980年以后,随着人们对聚爆等离子体磁流体动力学不稳定性的深入研究,以及高功率脉冲加速器的发展,才在高功率Z箍缩技术研究方面取得重大突破。例如:在美国圣地亚国家实验室的Z装置上进行的W丝阵箍缩实验[1],在驱动电流为20 MA的条件下,得到的X射线峰值功率达到290 TW,X射线能量达到2 MJ。由高功率Z箍缩产生的强脉冲X射线,可以应用于研究材料的软X射线的热力学效应和系统电磁脉冲效应,研究与惯性约束聚变相关的辐射对称化技术;还可以用于研究材料的不透明度、极端温度和压强下材料的状态方程以及其它高能量密度物理问题等[2]。由于应用前景广阔,该项技术近年来受到高度重视。

　　项目组在强光一号加速器驱动电流峰值1.4~2.1 MA、上升时间80~100 ns条件下,实验研究了喷Kr气、W丝阵、喷Ne气和Al丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性和聚爆过程,用自行研制的测试系统对Z箍缩等离子体负载的辐射性能和聚爆过程进行了诊断,得到了一些关于Z箍缩等离子体辐射和聚爆特性的规律性认识。但是由于受到实验条件与诊断设备性能的制约,目前所开展的研究及取得的结果只是初步的,还有大量的研究工作有待进一步深入开展。

　　1　实验装置和Z箍缩负载简介

　　强光一号加速器在开展Z箍缩实验研究时,整个装置由脉冲功率源和Z箍缩二极管两部分组成。其中,脉冲功率源主要由直线型脉冲变压器,1.4Ω水介质脉冲形成线,水介质单通道自击穿开关,0.75Ω水介质脉冲压缩线,9通道水介质自击穿开关,水介质脉冲传输线等部件组成;Z箍缩二极管由磁绝缘真空同轴线和丝阵或喷气柱负载两部分组成。整个系统的构成参见图1。

　　实验中脉冲功率源的主要参数为:直线型脉冲变压器初级储能电容器充电电压40~45 kV,次级输出电流峰值165~195 kA,1.4Ω水介质脉冲形成线的充电电压2.4~2.7 MV,0.75Ω水介质脉冲压缩线的充电电压2.4~2.7 MV,传输到二极管上的能量为80~110 kJ,短路电流峰值3 MA,实际驱动Z箍缩负载电流1.4~

　　2·1 MA,上升时间80~100 ns。

　　脉冲源产生的高功率电脉冲加到处于真空腔中心处的圆柱状负载(金属丝阵或喷气负载)后,使之迅速加热电离成等离子体;然后,在驱动电流产生的磁场作用下,等离子体向内聚爆,电能转换为聚爆动能;最后,当等离子体在轴线附近滞止时,动能和电磁能转换成热能,辐射出大量软X射线。