预调制平面薄膜电爆炸实验研究

Magnetized liner inertial fusion (MagLIF) concept can considerably decrease the radial compression ratio by combining the magnetized target and laser pre-heat compared to the traditional inertial confinement fusion concepts. It has been one of the most interested research fields of fusion physics. The integrality of plasma shell formed in the liner imploding phase is crucial to the success of MagLIF, however it is susceptible to the Magneto-Rayleigh-Taylor instability, and the surface condition is of importance to the liner imploding dynamics. Based on the research results of “Experimental Research on Micro-Structure Wire Array Z Pinches”, we will mainly focus on the experimental research on the pre-modified planar film electrical exploding in this project. Two types of planar film loads, namely push-in and push-out, have been designed, which are advantage to impose different driving force on the two surfaces of the planar film separately. The planar surface is pre-modified by coating with insulating film or seeding with periodical micro-structures. The effect of these pre-modified structures on surface ablation dynamics and Magneto-Rayleigh-Taylor instability evolution for the planar film driven by the “QiangGuang-I” facility (1.3 MA, 100ns) will be explored in this project. The modulation mechanism of surface condition for the physics phases of planar film electrical exploding is expected to be answered, which could be as technical reference for the research of Z pinch driven fusion physics in progress in China.

磁化套筒靶惯性聚变结合了磁化靶和激光预热两项技术，显著降低了对径向压缩率的要求，是Z箍缩驱动聚变物理研究的热点之一。套筒在内爆过程中形成的等离子体壳层保持完整性是磁化套筒靶惯性聚变能够取得成功的关键，对等离子体壳层完整性破坏起决定性作用的是磁瑞利泰勒不稳定性的发展，而套筒表面状态是影响套筒内爆动力学过程的重要因素。基于“微结构丝阵负载Z箍缩实验研究”项目中取得的研究结果，本项目将致力于预调制平面薄膜电爆炸实验研究。课题组设计了内压型和外推型两种平面薄膜负载结构，可以在平面薄膜两个表面上施加不同的受力条件。采用镀绝缘膜和制作周期性微结构两种主要方法对平面薄膜表面进行预调制，研究预调制结构在“强光一号”(1.3 MA, 100 ns)驱动下的对平面薄膜表面融蚀动力学和磁瑞利泰勒不稳定性发展的影响，探索表面状态对平面薄膜电爆炸物理过程的调制机理，为我国正在进行的Z箍缩驱动聚变物理提供参考。

该项目的主要物理目标为通过在平面薄膜表面制备不同的微结构，研究在微结构预调制下金属薄膜表面融蚀动力学过程和等离子体MRT不稳定发展规律。主要完成了以下工作：(1) 在“强光I号”装置原有光学诊断系统的基础上，建立了纹影阴影共像成像系统和轴向可见光分幅成像系统。(2) 通过综合分析径向(视线垂直于电流方向)和轴向(视线平行于电流方向)的可见光分幅图像发现，早期电流呈离散通道穿过薄膜，在约60-80ns时间范围内形成完整的单层电流通道，随后产生的等离子体向内聚焦，在薄膜中间形成稠密等离子体流，薄膜内外表面电流分离，形成两个独立通道。(3) 普通铝薄膜实验结果表明平面薄膜内外表面在不同驱动力作用下呈现出显著不同的动力学过程，外侧等离子体膨胀速度要快于内侧等离子体，外侧等离子体表面不稳定性以大幅值、小波长周期性结构为主，而内表面较快的形成了小幅值、大尺寸结构。(4)不同刻蚀波长的Al薄膜、不锈钢薄膜电爆炸实验表明大周期刻蚀结构能够有效抑制材料自身的特征波长，在较长的时间内保持了刻蚀周期结构；内外表面之间存在馈通效应，没有刻蚀结构的内表面也观察到了与外表面一致的周期性结构；刻蚀突变区域产生的等离子体射流1/2刻蚀波长的特征结构。(5) 表面绝缘薄膜能够抑制早期不稳定性的发展和等离子体膨胀；不同材料对薄膜等离子体发展也有较大的影响，Ag、Cu、Al等材料内外表面不稳定性结构最小特征波长一致性较好，而Ti与W内外侧特征波长约是内侧特征波长的两倍。.实验表明平面薄膜电爆炸过程是非常复杂的，包括单层电流通道形成、等离子体聚焦、双层电流通道形成、等离子体膨胀与不稳定性发展等多个物理过程，刻蚀波长、表面绝缘、受力大小、材料等对电爆炸过程的不同阶段会产生较为显著的影响。