Z箍缩等离子体电流分布诊断及其在理论模拟中的应用

本项目提出的微型化阵列式磁探针诊断技术可以实现丝阵Z箍缩等离子体电流分布和磁场位形的高空间分辨测量。探针灵敏区尺寸?200μm，丝阵负载空间测点数4～10；高效电磁屏蔽、高温防护以及精密标定平台使该系统测量精确度达到±5%，等离子体环境下工作寿命延长15～30ns，负载内部测点实现≥80%内爆时间测量。利用该系统获取单层丝阵消融等离子体径向电流分布，双层丝阵内外层电流分配与角向磁场不均匀性，以及动态黑腔实验中转换泡沫的通过电流。将电流分布和磁场位形纳入边界条件，建立合理描述丝阵消融阶段等离子体运动的MHD动力学物理模型；基于电流及磁场测量结果，验证"电感型"双层丝阵2D r-θ空间物理模型的合理性，并为动态黑腔模型提供泡沫电流状态的实测数据。

本项目的研究工作建立了基于微型化磁探针阵列技术的Z箍缩电流分布诊断系统，空间测点总数可以实现4～10个。根据目前Z箍缩实验电流诊断的需要，分别采取了3～4个测点的诊断方式，实现了内层3个测点，测点横向尺寸最小达到0.2mm，实现了负载外部布放测点内爆过程的全程时间测量，内部布放测点≥80%内爆时间测量。在本项目的研究工作中，解决了在强电磁干扰与高温等离子体环境中微型化磁探针信号识别与烧蚀防护等难点问题；通过把磁探针阵列与实验负载进行空间布局配合设计，实现了Z箍缩丝阵负载电流的多测点诊断。利用研制的微型化磁探针对单层钨丝阵负载、双层丝阵负载、动态黑腔负载以及带状丝阵负载电流分布特性的精密测量。在单层丝阵内爆过程中，利用微型化磁探针进行了负载电流在丝阵等离子体主体和先驱等离子体之间的分配测量，消融阶段丝阵初始半径内部电流分布测量；在双层丝阵内爆过程中，开展了电流在内、外层丝阵以及轴心先驱等离子体之间的分配测量以及丝阵内爆过程角向磁场分布特性测量；在Z箍缩动态黑腔实验中，开展了电流在丝阵等离子体与转换体泡沫区的分配测量。根据实验诊断获得的丝阵边界附近的磁场分布，对已有的描述丝阵消融动力学的二维MHD模型提供了包含磁场分布信息的边界条件，将模拟得到的径向电流分布情况与实验测量结果进行对比从而对模型进行校正和完善；在丝阵的内爆阶段，考虑了丝等离子体附近磁场的扩散过程，采用隐式方法编写了求解二维磁场扩散方程的程序模块，并添加到已有的理想MHD程序当中，形成了电阻MHD模拟程序。