基于激光汤姆逊散射技术的Z箍缩等离子体融蚀特性诊断研究

The study of ablation flow is one of the most interested research in Z-pinch physics. There is a quasi-periodic axial structure in the ablation stage of wire arrays, which is very detrimental to the implosion. The ablation stage can be modulated with some novel load designs. Accurate ablation flow parameter measurements are basis for the study of Z-pinch plasma ablation stage modulation. Thomson scattering is a powerful method of ablation flow characteristic study, since it has the ability to quantitative measure plasma parameters such as velocity, density and temperature simultaneously. In this project, we plan to emphasis several key science topics as follows:(1)Thomson scattering techniques for mega-ampere Z-pinch plasma,(2)simulation of Thomson scattering spectra of mega-ampere Z-pinch plasma ablation flow,(3) experimental study on mega-ampere Z-pinch plasma ablation flow characteristic diagnosis. Characteristics of plasma ablation flow modified by new configuration wire array loads such as surface insulation and inverse z-pinch will be measured with Thomson scattering system. By comparing the differences between ablation flow causing by the new and standard load configuration, new phenomenon and disciplines might be discovered. This project will lay the foundation of in-depth study on discipline and mechanism of how the load configuration influence on flow characteristic.

当前，Z箍缩物理研究中的一个前沿课题是对早期融蚀过程的研究。金属丝阵融蚀过程中存在对內爆发展影响很大的准周期轴向调制结构。通过特殊的负载结构设计能够对融蚀过程进行有效调制，而准确的融蚀流特性参数诊断是开展融蚀过程调制技术研究的基础。激光汤姆逊散射技术能够同时对等离子体融蚀流速度，温度和密度参数进行定量诊断，是融蚀流特性研究的有力工具。本项目拟重点研究如下关键科学问题：（1）MA级Z箍缩等离子体汤姆逊散射诊断方法研究（2）MA级Z箍缩等离子体融蚀流的汤姆逊散射谱模拟研究（3）MA级Z箍缩等离子体融蚀流特性诊断实验研究。通过发展汤姆逊散射诊断技术，并将其应用于表面绝缘和二级Z箍缩等新型结构丝阵负载实验中，对等离子体融蚀流特性参数进行诊断。通过与标准圆柱丝阵进行对比研究，探索新现象与新规律，为进一步深入研究负载结构对融蚀流特性的影响规律和作用机理打下基础。

金属丝阵融蚀过程中存在对內爆发展不利的准周期性调制结构，为了研究融蚀过程的调制技术需要获得准确的融蚀流特性参数。激光汤姆逊散射技术能够同时对等离子体融蚀流速度，温度和密度参数进行定量诊断，是融蚀流特性研究的有力工具。.本项目面向 Z 箍缩等离子体融蚀流特性研究的需求，研制了适用于Z 箍缩等离子体的汤姆逊散射诊断方法，完成了系统关键参数的分析与标定。建立了汤姆逊散射谱模拟程序，掌握了由散射谱实验结果拟合等离子体参数的方法。利用汤姆逊散射诊断技术对钨丝阵融蚀等离子体速度进行了定量测量。另外，还开展了普通钨丝阵和绝缘钨丝阵的对比实验，获得了芯-晕结构对融蚀过程的影响规律。.激光汤姆逊散射诊断系统空间分辨达到160 μm，小于钨融蚀等离子体的本征波长（250 μm），能够对融蚀等离子体准周期性调制结构内部的速度分布进行研究；实现了钨丝阵融蚀等离子体速度的定量测量，同时发现了融蚀等离子体调制结构内部的速度差异，实验测得的速度差异最高可达25%，上述研究为深入开展融蚀等离子体动力学研究提供了重要的数据基础。.使用绝缘镀层成功抑制了钨丝的芯-晕结构，并研究了芯-晕结构对融蚀过程的影响；实验结果表明，存在芯-晕结构时，钨丝具有典型的融蚀过程，融蚀等离子体不仅存在轴向不均匀性，而且在准周期性调制结构内部也存在速度和密度差异；无芯-晕结构时，钨丝动力学行为发生较大变化，表现为本征波长被有效抑制，融蚀等离子体和先导等离子体柱也被大幅抑制；上述研究为实现零维模型内爆提供了可能的技术途径。.共发表SCI论文3篇，授权发明专利1项。协助培养博士研究生3人。