动态Z箍缩中的磁-瑞利-泰勒不稳定性研究

Dynamic Z-pinches could be used to confine fusion plasmas or as intense radiation sources. The wire array Z-pinch is the most powerful existing laboratory x-ray source. Plasmas are being in imploding and accelerating state driven by magnetic pressure in a dynamic Z-pinch. In such a system, the magneto-Rayleigh-Taylor (MRT) instability is inevitable. Although other instability modes are developing simultaneously, MRT instability is the fastest and most dangerous mode in fact, thus is of critical importance to any applications of dynamic Z-pinches. The first subject of this proposal is the suppression effect of changing of orientation of driving magnetic field on MRT instability, aimed at deepening understandings and exploring an effective mitigating method of MRT instability. The second subject of this proposal is the role of MRT instability in the wire number dependence of the radiation power of wire array Z-pinches, aimed at determining the key factor of the unexpected decreasing of radiation power above optimum wire number and exploring the potential method to further improve the radiation performances of wire array Z-pinches. The research of these subjects is significant to all fusion and radiation applications of dynamic Z-pinches.

动态Z箍缩既可用于约束聚变等离子体，也可用于产生强X射线辐射，丝阵Z箍缩是目前实验室存在的最强X射线源。在这种系统中，等离子体在磁压的驱动下内爆，处于加速状态，不可避免地要出现瑞利-泰勒不稳定性，这种磁场驱动的情形中又称为磁-瑞利-泰勒(MRT)不稳定性。虽然MRT不稳定模式和其他不稳定模式一起发展，但它的增长率要快得多，它是破坏箍缩对称性的最危险的不稳定性，因此研究MRT对于动态Z箍缩的任何应用而言都是十分关键的。本项目提案考虑的第一个问题是驱动磁场的方向随时间变化对MRT的抑制作用，旨在增加对MRT的理解，并探索一种可能的抑制MRT的方法；第二个问题是MRT在丝阵Z箍缩辐射功率定标特性中的作用，旨在确定导致辐射功率随丝数增多而提高但超过最优丝数之后反而下降的主要的、直接的因素，并尝试找出进一步提高辐射功率的可能途径。这两个问题的研究对Z箍缩的聚变应用和辐射应用具有重要意义。

本项目（线性理论）探索出几种可能的抑制动态Z箍缩中的磁-瑞利-泰勒（MRT）不稳定性的方法。提出采用方向时变（旋转）的驱动磁场来抑制动态Z箍缩中MRT不稳定性的概念。在磁驱动惯性约束背景下，在有限厚度平板和（柱形）套筒位形中，研究了驱动磁场方向时变对MRT不稳定性的抑制作用。又提出采用多级嵌套Θ-Z箍缩构型来抑制动态Z箍缩的MRT不稳定性的概念。在柱位形中研究了多级嵌套Θ-Z箍缩套筒的MRT不稳定性。对电磁驱动问题数值模拟方案进行了研究，基于此，对MRT在丝阵Z箍缩辐射功率定标特性中的作用进行了数值模拟研究，发现烧蚀效应（而非MRT）是展宽辐射脉冲波形的主要原因。