电流和丝阵参数配置对烧蚀速度影响研究

The high power X ray generated from wire-array implosions can be used to drive all kinds of high energy physical experiments, such as the inertial confinement fusion. According to the experiments on Z and Magpie, it indicates that nearly all wire-array implosions have a long ablation course, which accompanies the precursory plasmas going into the center of wire-array. In the early time of 21th century, Lebedev et al. found the ablation course has an important effect on the dynamics of implosions and proposed the Rocket ablation model which matches the trajectory better than 0-d model. The dynamics of implosions depend on the mass density profile which depends on the ablation velocity. The only experimental results about ablation velocity if from Magpie and is difficult to explain the experiments data from PTS because of the different electrical current and wire-array parameters. Therefore, it is necessary to carry out experiments to test ablation velocity on PTS or Yang accelerator. This project plans to use linear wire-array to replace the cylindrical wire-array, and use 4-frame laser shadow system and 2-frame X ray radiography to diagnose ablation velocity, study how electrical current and wire-array parameters affect ablation velocity and the relationships between ablation velocity and the implosion dynamics.

丝阵内爆所产生的高功率X射线辐射可以用来驱动高能物理实验，例如惯性约束巨变。Magpie和Z上的实验表明，几乎所有的丝阵内爆都有较长的烧蚀过程，并伴随有先驱等离子体注入。21世纪初期，Lebedev等人发现离散丝的烧蚀过程对内爆动力学有较为深刻的影响，并提出了火箭烧蚀模型。这一模型能够比零维模型更好地解释观测数据。丝阵内爆动力学取决于内爆时刻的的质量密度分布，而质量密度分布又取决于烧蚀速度的大小。目前仅有的烧蚀速度研究结果来自于帝国理工大学，但是由于电流参数和丝阵参数的差别，却很难解释近期PTS的丝阵实验结果。因此，在PTS或者阳加速器上开展烧蚀速度的研究非常必要。本课题拟采用平行丝阵来模拟圆柱形丝阵构型，利用激光背光阴影和X光背光成像技术来诊断烧蚀速度，研究电流和丝阵参数配置对烧蚀速度的影响，进而研究烧蚀速度和丝阵内爆动力学之间的关系。

在丝阵Z箍缩的内爆实验中，先驱等离子体的速度被称为烧蚀速度，它决定了丝阵在主内爆开始前的等离子体密度分布。为了系统的掌握电流和丝阵参数配置对烧蚀速度影响规律，本研究在聚龙一号上和XP-1装置上开展了单丝、双丝和多丝圆柱形丝阵实验。单丝实验结果表明直径为7.5-25um的W丝在电流220kA电流的加载下可以达到150 mm～350 mm，膨胀倍数为15-20。双丝实验研究表明对于初始间距6mm，直径25µm的W丝和Al丝，在电流220kA电流的加载下，烧蚀速度分别可达25km/s和30km/s。圆柱形多丝实验表明电流峰值~7MA、电流上升沿90ns的条件下，丝阵半径10-15mm，丝直径4-7μm、丝数160-300的丝阵实验的烧蚀速度大小为16-26cm/μs。建立了烧蚀速度模型，模型假设金属丝表面只有很薄的一层被烧蚀成等离子体，全局磁场加速这些表面等离子体，模型的计算结果和实验结果基本吻合。