轴向磁场对大电流丝阵Z箍缩内爆特性的影响

Wire-array z-pinches are intense X-ray plasma sources, which are highly attractive for applications in many high energy density physics. In order to advance these applications, improved stability of wire-array z-pinch implosion and enhanced X-ray production are needed. The project focus on investigation of the possibility of stabilizing wire-array z-pinch implosion by appling an axial magnetic field to the system. The Julong-1 facility is proposed to provide high pulsed currents for the wire-array z-pinch experiments. The initial axial magnetic field applied inside the array is produced by Helmholtz coils. X-ray and plasma diagnostics are used to study the effect of axial magnetic field on radiation production and implosion dynamics of wire-array z-pinch plasma. The axial magnetic field diagnostics are developed to estimate the axial magnetic flux compression in the wire-array plasma, which are required to stablize the implosion. To clarify the effect of axial magnetic field and its compression on the wire-array z-pinch process, the experimental results are compare to wire-array z-pinches with no axial magnetic field as well as numerical calculations. This project give a idea of how to improve the stability and the radiation output of wire-array implosion.

丝阵Z箍缩作为强X射线等离子体辐射源，在诸多高能量密度物理研究领域中具有重要的应用，提高丝阵Z箍缩内爆稳定性及其X射线输出水平，有助于推动基于丝阵Z箍缩的各种应用。本项目主要探索利用轴向磁场致稳丝阵Z箍缩内爆的潜在可能性。利用聚龙一号装置提供的脉冲大电流开展丝阵Z箍缩内爆实验，采用亥姆霍兹线圈在丝阵内预置初始轴向磁场；通过X射线和等离子体图像的诊断，考察轴向磁场对丝阵Z箍缩的辐射性能和等离子体的内爆动力学过程的影响；建立轴向磁场诊断技术，以此来判断丝阵等离子体中是否能够产生致稳内爆所需的轴向磁通压缩。结合没有轴向磁场条件下的丝阵Z箍缩实验结果和数值模拟分析，阐明轴向磁场及其磁通压缩对丝阵Z箍缩特性的影响，为提高丝阵内爆的稳定性和辐射输出水平提供一种新的思路。

丝阵Z箍缩作为强X射线等离子体辐射源，在诸多高能量密度物理研究领域中具有重要的应用，提高丝阵Z箍缩内爆稳定性及其X射线输出水平，有助于推动基于丝阵Z箍缩的各种应用。本项目旨在探索利用轴向磁场致稳丝阵Z箍缩内爆的潜在可能性。结合丝阵Z箍缩理论模型和装置电路计算，给出了装置丝阵负载的参数设计，并对外加轴向磁场对丝阵内爆宏观动力过程的影响进行了理论分析。研究了两种在丝阵内爆过程中产生轴向磁场分量的方法，开展了原型历程线圈的设计，可为丝阵负载提供均匀的初始轴向磁场，并研制了相应的励磁电源系统；另一种方式则采用螺旋型的负载回流结构，利用Z箍缩放电回路的电流在丝阵上引入轴向的磁场分量。利用螺旋回流结构在8 MA的电流水平下开展了丝阵内爆实验，实验结果具有良好重复性。与传统回流结构丝阵内爆实验进行了比较，结果表明螺旋回流结构相较传统结构并没有提高X射线的功率和产额，在实验中引入的轴向磁场条件下丝阵的内爆过程并无显著变化，但螺旋回流结构下的不稳定性扰动增长略低于没有轴向磁场的情形，这表明轴向磁场对丝阵内爆的稳定性可能确有改善。设计了一种测量轴向磁场的微型磁探针线圈，用于大电流脉冲功率装置上的螺旋回流结构丝阵内爆实验。初步的测量结果表明，在丝阵等离子体的内部几乎没有轴向磁场。这表明在螺旋回流结构产生的轴向磁场在丝阵内爆过程的持续时间内，并没有扩散到丝阵内部。本项目探索了在大电流丝阵Z箍缩内爆中引入轴向磁场的方法，为理解轴向磁场条件下丝阵等离子体的内爆特性提供了实验数据，为Z箍缩研究提供了新的实验技术和能力，为丝阵Z箍缩内爆不稳定性抑制提供了一种新的思路。