快Z箍缩中金属丝阵负载早期行为研究

A significant breakthrough in fast Z-pinch has been made by using metallic-wire-array load. As the most efficient and powerful X-ray source, the wire array fast Z-pinch has been being of great relevance to inertial confinement fusions (ICF). However, understandings of the physical mechanisms involved in the initial stage of fast Z-pinches are quite limited, which restrict its further improvements. This project will be carried out to investigate the behaviors of metallic wire array in the initial stage of fast Z-pinches in following aspects. Firstly, single-wire explosion experiments will be carried out at kilo-Ampere currents to understand the physical mechanisms involved in core-corona structures, and to develop numerical simulation codes. Then wire array Z-pinch experiments will be conducted on the facilities with currents of hundreds of kilo-Ampere and mega-Ampere to investigate the ablation characteristics of the core-corona structures under global magnetic fields. Methods which control or even suppress the core-corona structure will also be studied. Meanwhile, X-pinch radiography will be studied as a key diagnostic technology to measure the mass areal density of the wire-cores and dense plasmas. Through this project, we aim to achieve a comprehensive and in-depth grasp of the physical mechanisms of the wire array fast Z-pinch, and further understand how initial behaviors affect the subsequent implosion process and instability developments. These prospective achievements could provide guidance for load parameter optimization in metallic wire array Z-pinches, and promote the development of Z-pinch and Z-pinch driven ICF researches in China.

金属丝阵负载的采用使快Z箍缩研究取得了突破性进展，人们由此看到了Z箍缩驱动X光惯性约束核聚变的可能性。但是，人们对丝阵负载快Z箍缩早期过程（单丝电爆炸和丝阵融合、消融过程）物理机制的了解还非常有限，这大大制约了快Z箍缩研究的进一步发展。针对上述问题，本项目将对丝阵负载快Z箍缩早期行为进行以下深入研究：从千安量级的单丝电爆炸特性的研究着手，着重研究核冕结构形成和发展过程的物理机制，并建立其数值模拟代码；在此基础上研究百千安和兆安量级丝阵负载在全局磁场作用下丝阵核冕结构的演变过程，并探索其调控方法；同时也将研究基于X箍缩的X射线背光照相这一丝阵负载快Z箍缩早期行为的关键诊断技术。通过本项目的研究，可以更加全面和深入地掌握金属丝阵快Z箍缩的物理机制，深入了解丝阵负载早期行为对后续的内爆过程及其不稳定性发展的影响，指导丝阵负载的结构参数优化，促进我国大型Z箍缩及其驱动的惯性约束核聚变研究的发展。

快Z箍缩在国家战略安全和科学前沿中发挥重要作用，人们对丝阵Z箍缩早期过程的认识仍非常有限，极大制约了Z箍缩的进一步发展。本项目对快Z箍缩丝阵负载早期行为及其调控开展研究：首先，创新研究了快电流前沿、金属丝表面涂层、正极性电场等方法，明晰了能量沉积速率及表面电场与核冕结构演变过程的物理关系，突破了高Z材料金属丝电爆炸完全气化的难题。建立了低Z元素金属丝电爆炸产物状态方程和输运参数的计算方法，以及“冷启动”物理数学模型，并经过实验结果校验，为内爆模拟代码提供更准确的初始条件。其次，在单丝研究基础上，系统研究了全局磁场下丝阵等离子体消融过程及其辐射特性，基于研制的空间分辨达160μm的激光汤姆逊散射诊断系统，首次定量测得Z箍缩消融等离子体调制结构内部的速度差异，为进一步揭示MRT初始扰动产生机理提供了新的思路；特别是提出了快前沿预脉冲电流调控丝阵Z箍缩早期行为的思路，突破了快前沿预脉冲源与兆安电流主脉冲配合的关键技术，建成世界首台耦合独立快前沿预脉冲源的双脉冲Z箍缩实验平台，完全消除了传统丝芯不均匀消融而引起的磁瑞利-泰勒不稳定性的初始扰动，有望实现X射线辐射功率新的突破。此外，建立了r-z方向和r-θ方向的X箍缩点投影照相系统，实现了金属丝电爆炸过程中质量密度分布的定量测量。.发表SCI论文42篇，出版专著2部，获授权发明专利7件，主办国际会议1次，做国际会议特邀报告2次，获优秀青年学者奖和最佳学生论文奖各1项，部分相关成果获2016年国家技术发明奖二等奖1项。新增了杰出青年基金获得者、国家新世纪百千万人才、优秀青年基金获得者、长江学者讲座教授、青年长江学者、中国科协青年人才托举工程入选者各1名，培养博士研究生14名。通过研究，更全面和深入地掌握了丝阵快Z箍缩的物理机制，深入认识了丝阵早期行为对后续内爆过程及其不稳定性发展的影响，为我国未来大型Z箍缩驱动器的自主创新发展提供重要支撑。