一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置及调控方法

摘要

本发明属于Z箍缩放电等离子体的技术领域，具体涉及一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置及调控方法，该装置中预脉冲电极与主脉冲电极设于主脉冲汇流盘之下，两个电极在主脉冲汇流盘中心耦合，主脉冲汇流盘上设有用于固定丝阵的电极锥座，电极锥座上设有用于放电的负载电极，负载电极与地电极相连形成和大地之间的放电回路。通过调控预脉冲电流源和主脉冲电流源之间的触发间隔得到预设质量分布的金属蒸气壳层，在该时刻主脉冲电流被触发，作用于金属蒸气柱，开始Z箍缩内爆。金属蒸气负载在Z箍缩驱动源电流作用下，不再经历消融过程，因此由不均匀消融而导致的磁流体不稳定性的初始种子得到抑制。

说明书

【技术领域】

本发明属于Z箍缩放电等离子体的技术领域，具体涉及一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置及调控方法。

【背景技术】

Z箍缩是一种有效的高温高密等离子体X射线辐射源，负载类型包括金属丝阵、环形气体射流、金属箔制成的环形套筒等。基本原理是负载在脉冲大电流作用下首先形成等离子体，等离子体在该轴向电流产生的电磁力的驱动下向轴线快速内爆，最终在轴线处碰撞滞止产生高温高密度等离子体，并产生强烈的X射线辐射。Z箍缩的应用领域包括：软X射线辐射效应、惯性约束聚变、高能量密度物理等。

金属丝阵是一种常用的Z箍缩负载，由数十至数百根直径小于10微米的细金属丝组成。本世纪初，美国圣地亚国家实验室使用钨丝阵Z箍缩负载，获得了290TW、1.8MJ的软X射线辐射，创造了实验室X射线源辐射功率新的突破。然而近十年来研究表明，丝阵Z箍缩的演化过程非常复杂。首先，丝阵中各金属丝在电流作用下发生电爆炸，形成以高温低密度载流的冕等离子体围绕低温高密度丝芯的“芯晕”结构。此后，在全局磁场作用下，晕等离子体被扫向丝阵内部形成先导等离子体，而丝芯被不断消融以补充晕等离子体。这种消融过程是轴向不均匀的，速率沿轴向表现出一定的“自然”波长，这种准周期性的消融会成为等离子体内爆时全局磁瑞利-泰勒不稳定性的初始种子，将影响内爆品质，限制X射线辐射峰值功率的进一步提升。

针对上述问题，国内外研究了丝阵Z箍缩初始阶段丝芯状态对内爆动力学过程及其辐射特性的影响。特别是英国帝国理工学院的研究人员提出利用二级丝阵来抑制丝阵Z箍缩中的消融现象。二级丝阵构型由上下排列的负载丝阵和反向丝阵组成。其中，反向丝阵作为一个快速电流开关，该特殊的负载构型可在Z箍缩驱动电流前100～150ns向负载丝阵施加一个～0.4kA/丝，前沿～10ns的预脉冲电流。在该预脉冲电流作用下，8根直径15微米的铝丝阵中各金属丝被预加热，此后负载的内爆动力学过程得到了改善：铝丝阵在预脉冲电流的作用下被完全汽化，内爆的初始状态非常均匀，消除了不均匀的消融过程，同时滞止时刻丝初始位置未见拖尾质量。

由此可见，引入预脉冲电流来汽化丝阵负载，对丝阵Z箍缩内爆品质有显著影响。但是采用二级丝阵引入预脉冲的方法仍存在不足，首先，二级丝阵结构复杂电感大，难以适用于未来更大规模的Z箍缩装置。其次，产生的预脉冲电流的参数依赖于负载丝阵和反向丝阵的参数设计，使得预脉冲电流参数的调节非常困难。再次，预脉冲和主脉冲间的时间间隔受到驱动源电流上升时间的限制，通常为～100ns，不能再进一步增加，这使得内爆起始时汽化丝阵的质量分布也难以进一步调控。

【发明内容】

为克服上述现有技术的缺点，提供一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置及调控方法。本发明是通过以下技术方案来实现的：

一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置，包括预脉冲电极与主脉冲电极，预脉冲电极与主脉冲电极设于主脉冲汇流盘之下，两个电极在主脉冲汇流盘中心耦合，主脉冲汇流盘上设有用于固定丝阵的电极锥座，电极锥座上设有用于放电的负载电极，负载电极与地电极相连形成和大地之间的放电回路。

进一步的，主脉冲汇流盘与电极锥座之间连有闪络开关。

进一步的，负载电极通过回流柱盘与地电极相连，回流柱盘下面设有回流柱盘底座。

进一步的，地电极上设有电流线圈，电流线圈用于测量流过负载电极的电流。

进一步的，主脉冲电极设于主脉冲电流源的高压极。

进一步的，预脉冲电极设于预脉冲电流源的高压极。

进一步的，预脉冲电极输出电流峰值>1kA、电流上升率>0.1kA/ns和脉宽<100ns的电流。

进一步的，丝阵构型为柱型、平面或准球型中的一种；丝阵的材料为铝丝、银丝、铜丝、或金丝、中的一种。

本发明还提供了一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载的调控方法，其特征在于，包括如下的步骤：

1)耦合在主脉冲汇流盘中心的预脉冲电极放电，通过负载电极作用于丝阵；

2)预脉冲电流的加热丝阵，丝阵被汽化，形成各自独立膨胀的金属蒸气柱，蒸汽柱之间相互碰撞融合，形成蒸汽壳层；

3)通过调节触发预脉冲电流源和主脉冲电流源的时间间隔，对金属蒸气壳层的质量分布进行调控；

4)在得到预设质量分布的金属蒸气柱时触发主脉冲电流源，耦合在主脉冲汇流盘中心的主脉冲电极放电，通过负载电极作用于金属蒸气壳层，开始Z箍缩内爆。

与现有技术相比，本发明具有以下有益的技术效果：

本发明提供了一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置及调控方法，通过在现有大电流脉冲源的高压极板中心嵌装一个预脉冲电流源，两个电流源的放电极通过特殊的电极结构相互耦合，形成对负载的放电电极。该方法对原有大电流源的主体结构影响较小，同时相较于二级丝阵大大简化了负载电极的结构；放电电极与锥座间有绝缘闪络开关，用于峰化负载区域的电流脉冲前沿，提高了预脉冲电流源的驱动能力；根据期望的Z箍缩蒸气负载构型，在负载电极间安装特定构型的金属丝阵负载；丝阵在预脉冲电流的加热下被汽化形成原子膨胀的蒸气柱；膨胀的蒸气柱的质量分布将随着时间变化，通过调节两个脉冲源之间的触发延时，即可实现对内爆开始时负载区域的质量分布进行调控；以金属蒸气壳层为初始状态的Z箍缩内爆，由于不形成独立金属丝的“芯-晕”结构，所以也不存在丝阵Z箍缩内爆的准周期性消融过程，因此由于不均匀消融而导致的磁流体不稳定性的初始种子得到抑制。对于内爆蒸气丝阵初始质量的调控则依赖于丝阵的初始构型和主预脉冲之间的触发延时控制。该调控方法可在相同初始丝阵的情况下，获得多种不同质量分布的蒸气负载，从而简化了现有的通过改变丝阵参数，例如总丝数、单根丝质量、丝阵半径来调控内爆初始质量的方法，使得深入研究不同初始质量分布下的金属蒸气Z箍缩的演化机理与动力学特性成为了可能。

【发明附图】

图1为本发明中金属丝阵及其电极结构装置示意图；

图2为本发明中汽化双丝丝阵负载相互融合的激光干涉图像；

图3为本发明中丝阵初始质量调控的方法示意图。

其中：1-预脉冲电极，2-主脉冲汇流盘，3-闪络开关，4-电极锥座，5-负载电极，6-丝阵，7-回流柱盘，8-回流柱盘底座，9-地电极。

【具体实施方式】

下面结合附图对发明做进一步详细描述：

参见图1，图1为一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置示意图，预脉冲电极1与主脉冲电极设于主脉冲汇流盘2之下，两个电极在主脉冲汇流盘2中心耦合，使得两个脉冲电流源可以通过同一位置对负载放电，两个脉冲源在放电时间上的耦合是通过调整两个脉冲源的触发时序来实现的；一种实施例为预脉冲电极1为不锈钢柱形加工件，边缘倒角；主脉冲汇流盘为铝制平顶制锥形加工件；负载电极为铜制加工件，包括阴阳极铜套管、电极圆盘以及螺纹支撑杆；

主脉冲汇流盘2上设有用于固定丝阵6的电极锥座4，电极锥座4上设有用于放电的负载电极5，负载电极5为锥形底座，其内设计有金属簧片，用以夹紧负载电极；

负载电极5与地电极9相连形成和大地之间的放电回路；

闪络开关3安装于主脉冲汇流盘2之上，其上开有通孔以通过绝缘螺钉将其压紧在主脉冲汇流盘上，闪络开关3为柱形绝缘材料加工件，脉冲电流加载后经闪络开关3表面滑闪到达丝阵负载区域，通过调整闪络开关的滑闪长度，可以实现对电流前沿的调控；但引入滑闪开关会使得放电系统的时间抖动增加，当对抖动要求较高时，可将闪络开关3替换为导体块对负载直接放电；

设于地电极9处的电流线圈可测量流过负载电极区域的电流；

丝阵6应根据所期望的蒸气负载构型进行选择柱型、平面型或准球型；负载电极5通过回流柱盘7与地电极9相连，回流柱盘7下面设有回流柱盘底座8，回流柱盘7为六根回流柱阵列，均匀环形排列的回流柱使得负载区域电场更为均匀，同时也留出了足够的径向观察区域，便于光学诊断系统的搭建。一种实施例，回流柱盘7为不锈钢环形加工件，包括汇流柱及其上下固定盘，回流柱盘底座为不锈钢法兰。

本发明中的预脉冲电极的电流由预脉冲电流源产生。预脉冲电极1的电流的作用主要是气化丝阵成为可调控的金属蒸汽负载，预脉冲电极1输出电流峰值>1kA、电流上升率>0.1kA/ns和脉宽<100ns的电流。一种实施例为，预脉冲电极放电电流为：电流峰值10kA，前沿20ns，半高宽60ns。预脉冲电极设于预脉冲电流源的高压一侧，预脉冲电流源嵌装于主脉冲电流源高压极板中心，汇流盘中心处耦合了两个脉冲电流源的放电电极，使得两个脉冲电流源可以通过同一位置对负载放电。两个脉冲源在放电时间上的耦合是通过调整两个脉冲源的触发时序来实现的。

参见图2为双丝丝阵被汽化后形成金属蒸气柱的激光探针干涉图像。根据条纹偏移的方向，可知经预脉冲电流作用后的金属丝，汽化为中性原子蒸气。汽化的金属丝由其初始位置开始向周围膨胀，并在两根丝之间发生碰撞融合。

参见图3为阵初始质量调控的方法示意图，从图中可知汽化丝阵的质量分布随着时间发生变化，通过控制其膨胀时间即可调控内爆开始时的金属蒸气负载的质量分布，换用其他类型的丝阵，还可以得到多种截面分布的金属蒸气负载。该金属蒸气负载在Z箍缩驱动源电流作用下，不再经历消融过程，因此由于不均匀消融而导致的磁流体不稳定性的初始种子得到抑制。采用特定的丝阵负载构型，调控电流源之间的时序来设定汽化金属丝的膨胀时间，基于实验测得的汽化金属丝质量分布、膨胀速度等参数，以及双丝碰撞融合的动力学过程，可以预测特定膨胀时间后多根汽化金属丝在真空中的质量分布，从而实现对内爆初始时刻负载质量分布的调控。

本发明提出了一种基于丝阵的金属蒸气Z箍缩负载装置及调控方法，通过在原有大电流脉冲源中耦合一个紧凑型预脉冲电流源实现。设计了一种两个脉冲源放电电极耦合的结构，使其可对同一负载依次放电。丝阵在预脉冲电流的作用下被汽化，并随之自由膨胀，通过调整两个脉冲源的时序即可调控其膨胀时间，进而调控内爆开始时的蒸气负载质量分布。本发明中提出的金属蒸气负载生成方法不影响汇流盘上负载区域的电感，同时也对原有大电流脉冲源的主体结构影响较小，经济且有效地实现了金属蒸气负载的加载。金属蒸气负载Z箍缩内爆因为消除了由于“芯-晕”结构引起的消融过程，因而可以抑制尤其带来的磁流体不稳定性，改善Z箍缩内爆品质。

以上内容仅为说明本发明的技术思想，不能以此限定本发明的保护范围，凡是按照本发明提出的技术思想，在技术方案基础上所做的任何改动，均在本发明权利要求书的保护范围之内。