爆燃模式下同轴枪放电等离子体特性及其准直性研究

Coaxial plasma gun (CPG), which is mainly consisted of a pair of coaxial electrodes, could produce the plasma jet with high speed, high density and high energy when driven by a high voltage pulse, and exhibits a great potential in nuclear industry and astrophysics. For the application of plasma jet magneto inertial fusions (PJMIF), multiple sets of plasma jet are introduced to ignite the fusion reaction, which also requires a high collimation of the plasma jets. Accordingly, in order to produce the plasma jet capable of low temperature and high collimation, the characteristics and the involved mechanisms of the CPG are investigated. The electric and magnetic diagnosis, high speed imaging, and ICCD and spectral techniques are employed to study the temporal and spatial evolution of the physical shape, density, velocity and electron temperature of the plasma jet under different geometry of the CPG, structure of the injector, gas and electric parameters, especially for the correlation of magnetohydrodynamic(MHD) instability, thermal diffusion, space distribution of the discharge gas and the collimation of plasma jet. Also, the discharge process and its involved physical mechanism are clarified; the formation mechanism of the low temperature and high collimation plasma is analyzed, which provides references for the application of PJMIF.

同轴枪是指主体为同轴电极结构的一种放电装置，在高压脉冲的驱动下，会产生具有高速度、高密度及高能量特性的等离子体，因而在核工业、天体物理等方向均展现出了良好的应用前景。而在等离子体射流磁惯性约束等应用中，需要通过多束等离子体射流的碰撞压缩来满足聚变反应条件，这就对等离子体射流的准直性同样提出了很高的要求。本项目以实现低温度、高准直性的等离子体为目标，开展对于爆燃模式下同轴枪放电等离子体参数特性及其内在机理的研究。利用电磁学诊断、高速成像技术及ICCD与发射光谱技术对不同的同轴枪几何结构、送气孔结构、气动及放电参数下，同轴枪放电等离子体的物理形态、密度、速度及电子温度等参数的时空演化规律进行诊断研究。并重点分析磁流体不稳定性、热扩散效应以及工质气体空间分布特性与等离子体准直性的关系，澄清其中的放电过程及物理机制，探讨低温度、高准直性等离子体的产生机制，为等离子体射流磁惯性约束的应用提供参考。

磁惯性约束聚变方案的一种新型的聚变途径，其相比于磁约束与惯性约束而言对等离子体参数的要求更为柔和，造价更为低廉，因此在近年来逐渐成为了聚变领域一个新的研究热点。本项目面向磁惯性约束聚变中的PJMIF方案，开展了deflagration模式下同轴枪放电等离子体特性的相关研究，主要研究成果如下：（1）升级了当前的同轴枪放电等离子体实验平台，使其所产生等离子体射流的速度可达100 km/s，电子密度1016 cm-3，能量密度1 MJ/m2，自研了冲击摆、量热计、二维磁探针阵列、电流型三探针等诊断装置，能够实现对等离子体动量、能量密度、磁信号以及电子密度与温度的测量。（2）利用自制的快速脉冲送气系统实现了爆燃模式下的同轴枪放电等离子体的产生，结果表明随着充电电压的增加，放电电流幅值、等离子体电子密度及喷射速度也会随之增加。而伴随送气量的增加，电子密度会同样增加，而等离子体喷射速度则会相应降低。更高的送气量，更低的充电电压能够有效抑制等离子体分团现象的出现。（3）对比分析了预填充模式下不同长度外电极下的同轴枪放电等离子体特性。结果表明外电极长度的增加，带来了喷射等离子体电子密度、发光强度的降低以及轴向速度、准直性与输运距离的显著提高，而由箍缩效应所形成的等离子体柱在放电过程中对中心电极的延长作用则是引起长短外电极同轴枪中等离子体参数差异的主要原因。（4）研究了不同结构同轴电极下的等离子体特性。分析了扩散型同轴电极下的典型放电回路，发现了二次击穿现象的存在并探究了其作用机制与影响因素。给出了会聚型同轴电极下的等离子体速度、电子密度、能量密度、单离子动能等参数的变化规律与影响因素，证实并澄清了该结构对于等离子体参数的会聚作用。