钨丝阵Z箍缩动态黑腔内爆及辐射特性研究
发布时间：2020-12-05 02:47
基于快脉冲的丝阵Z箍缩动态黑腔被认为是一种非常具有前景的X射线间接驱动惯性约束聚变途径。Z箍缩负载可以将脉冲功率装置储存的电能高效地转换成X射线,因而在惯性约束聚变以及高能量密度等离子体物理研究领域有着广泛的应用。对于脉冲功率装置驱动的惯性约束聚变研究而言,多大的驱动能力能产生足够强的辐射来驱动靶丸内爆实现聚变和高增益,不同驱动装置脉冲电流波形和幅度对Z箍缩内爆过程及其辐射特性有何种影响,能否通过不同驱动能力的脉冲功率装置实验来外推聚变所需条件等是Z箍缩惯性约束聚变研究中重点关注的问题。因此,利用不同电流波形和幅度的脉冲功率装置开展Z箍缩内爆及黒腔辐射特性的研究,对加深对Z箍缩高温动态黑腔辐射场构建及聚变需求条件的理解,发展具有预测能力的理论和数值方法,建立可信的物理定标律对Z箍缩惯性约束聚变研究而言具有非常重要的科学意义和实用价值。基于这一背景,本论文利用我国自主研制的10 MA大电流脉冲功率装置和各类高时空分辨诊断技术,开展了不同参数的钨丝阵Z箍缩及动态黑腔实验,结合理论模型对丝阵Z箍缩及动态黒腔的内爆动力学过程和辐射特性、冲击波形成与传播、黒腔辐射温度演变以及黒腔辐射性能优化等物...
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２磁驱动柱形Ｚ箍缩内爆基本原理??由于丝阵Ｚ箍缩具备产生强Ｘ射线辐射源并具有较高的能量转换效率，受激光ＩＣＦ??
?鹤丝阵Ｚ箍缩动态黑腔内爆及辖射特性研究???变科学、极端状态材料科学、等离子体物理、实验室天体物理等多学科交叉领域，同时??在聚变能源研宄领域具有较强的竞争力。??磁驱动柱形Ｚ箍缩内爆基本原理??电能?＾?＾?Ｘ射线??＆擺■固??ＪｘＢ?Ｆｏｒｃｅ??图１．２磁驱动柱形Ｚ箍缩内爆基本原理??由于丝阵Ｚ箍缩具备产生强Ｘ射线辐射源并具有较高的能量转换效率，受激光ＩＣＦ??间接驱动概念的启发，美国开始研究利用Ｚ箍缩产生的Ｘ射线来加热黑腔间接驱动ＩＣＦ??靶丸内爆，并先后提出了静态壁黑腔１５８］、双端驱动黑腔［５９］和动态黑腔［ｎｉ［６Ｑ］［６１］［６６］三种基??于丝阵Ｚ箍缩的间接驱动ＩＣＦ概念。这三种聚变概念均基于Ｚ箍缩在停滞段可将其径向??动能转换成Ｘ射线，并且这一过程具有极高的能量转换效率，其插头能量到Ｘ射线能??量转换效率约１５％，转换获得的Ｘ射线可用于驱动惯性约束聚变靶丸。其中，静态壁??黑腔和双端Ｚ箍缩驱动黑腔采用二级黑腔办法，即利用初级黑腔中Ｚ箍缩内爆产生的Ｘ??射线辐射加热次级黑腔中靶丸。在这两种途径的聚变中，二者在构形上的差别主要在于??静态壁黑腔仅采用单侧的Ｚ箍缩初级黑腔辐射源驱动二级黑腔，而双端驱动黑腔则是将??两个内爆Ｚ箍缩初级黑腔辐射源布置于二级黑腔的上下两端，二者的共同点均是使位于??二级黑腔中心的靶丸不直接受到Ｚ箍缩初级黑腔产生的Ｘ射线辐射，而是让靶丸受到??由初级电流回流罩和次级腔壁再发射的Ｘ射线辐照。这实际是Ｚ箍缩间接驱动方式，??可评估次级腔内产生的辐射环境以及Ｚ箍缩输出到次级腔内的能量和效率。??Ｄｏｕｂｌｅ－ｅｎｄｅｄ?Ｈｏｈｌｒａｕｍ?ｏｎ?Ｚ?一?Ｈｉｇｈ?
?鹤丝阵Ｚ箍缩动态黑腔内爆及辐射特性研究???Ｚ箍缩动态黑腔［６５＿？］主要由丝阵和位于轴线位置嵌入燃料靶丸的中心泡沫圆柱组成，??利用Ｚ箍缩等离子体与泡沫转换体相互作用，直接将内爆动能转化为黑腔能量，其结构??紧凑、能量转换环节少，相比单端和双端黒腔而言，其具有更高的能量转换效率和较低??的驱动条件需求，是目前利用Ｚ箍缩产生高温黒腔辐射的首选结构（如图１．４所示，图??中同时给出了?Ｚ装置上利用Ｘ射线背光拍摄的典型靶丸内爆压缩图像）。??ｊｙｊａｊｎ?２－Ｄ?Ｘ－ｒａｙ?Ｐｉｎｈｏｌｅ?Ｃａｍｅｒａ?Ｉｍａｇｅｓ?４?￣｜ｗ?１??Ｓｈｏｃｋ??ｗｉｒｅ?ａｒｒａｙｓ?ｌｏｗ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｆｏａｍ?＾?〇?２?＊?ｅ??Ｄｌ？．?（ｍｍ）??图１．４?Ｚ装置动态黒腔示意图及聚变祀丸内爆图像??Ｚ箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆的主要物理过程可分为以下四个过程：（１）丝阵等离子??体产生与内爆；（２）丝阵等离子体碰撞泡沫转换体产生冲击波；（３）黑腔辐射场形成；（４）??辐射驱动压缩靶丸。这四个过程的基本内涵可描述为：（１）单层丝阵或嵌套丝阵在强电流??驱动下烧蚀汽化产生等离子体，并在强电流产生的洛伦兹力作用下加速等离子体高速向??心内爆运动，当丝阵等离子体高速运动到内置于轴心的低密度泡沫转换体时二者发生碰??撞，丝阵等离子体的动能转换为热能；（２）丝阵等离子体与泡沫转换体碰撞后，一方面在??其泡沫体表层附近形成高温高密度壳层，另一方面通过碰撞在泡沫转换体内产生向轴心??传播的强冲击波和强辐射；强冲击波在泡沫转换体内传播过程中，波阵面上的物质被快??速热化，电子温度升高引起的强辐射向冲击波以外的区域输
本文编号：2898722
【文章来源】：中国工程物理研究院北京市
【文章页数】：149 页
【学位级别】：博士
【部分图文】：
图１．２磁驱动柱形Ｚ箍缩内爆基本原理??由于丝阵Ｚ箍缩具备产生强Ｘ射线辐射源并具有较高的能量转换效率，受激光ＩＣＦ??
?鹤丝阵Ｚ箍缩动态黑腔内爆及辖射特性研究???变科学、极端状态材料科学、等离子体物理、实验室天体物理等多学科交叉领域，同时??在聚变能源研宄领域具有较强的竞争力。??磁驱动柱形Ｚ箍缩内爆基本原理??电能?＾?＾?Ｘ射线??＆擺■固??ＪｘＢ?Ｆｏｒｃｅ??图１．２磁驱动柱形Ｚ箍缩内爆基本原理??由于丝阵Ｚ箍缩具备产生强Ｘ射线辐射源并具有较高的能量转换效率，受激光ＩＣＦ??间接驱动概念的启发，美国开始研究利用Ｚ箍缩产生的Ｘ射线来加热黑腔间接驱动ＩＣＦ??靶丸内爆，并先后提出了静态壁黑腔１５８］、双端驱动黑腔［５９］和动态黑腔［ｎｉ［６Ｑ］［６１］［６６］三种基??于丝阵Ｚ箍缩的间接驱动ＩＣＦ概念。这三种聚变概念均基于Ｚ箍缩在停滞段可将其径向??动能转换成Ｘ射线，并且这一过程具有极高的能量转换效率，其插头能量到Ｘ射线能??量转换效率约１５％，转换获得的Ｘ射线可用于驱动惯性约束聚变靶丸。其中，静态壁??黑腔和双端Ｚ箍缩驱动黑腔采用二级黑腔办法，即利用初级黑腔中Ｚ箍缩内爆产生的Ｘ??射线辐射加热次级黑腔中靶丸。在这两种途径的聚变中，二者在构形上的差别主要在于??静态壁黑腔仅采用单侧的Ｚ箍缩初级黑腔辐射源驱动二级黑腔，而双端驱动黑腔则是将??两个内爆Ｚ箍缩初级黑腔辐射源布置于二级黑腔的上下两端，二者的共同点均是使位于??二级黑腔中心的靶丸不直接受到Ｚ箍缩初级黑腔产生的Ｘ射线辐射，而是让靶丸受到??由初级电流回流罩和次级腔壁再发射的Ｘ射线辐照。这实际是Ｚ箍缩间接驱动方式，??可评估次级腔内产生的辐射环境以及Ｚ箍缩输出到次级腔内的能量和效率。??Ｄｏｕｂｌｅ－ｅｎｄｅｄ?Ｈｏｈｌｒａｕｍ?ｏｎ?Ｚ?一?Ｈｉｇｈ?
?鹤丝阵Ｚ箍缩动态黑腔内爆及辐射特性研究???Ｚ箍缩动态黑腔［６５＿？］主要由丝阵和位于轴线位置嵌入燃料靶丸的中心泡沫圆柱组成，??利用Ｚ箍缩等离子体与泡沫转换体相互作用，直接将内爆动能转化为黑腔能量，其结构??紧凑、能量转换环节少，相比单端和双端黒腔而言，其具有更高的能量转换效率和较低??的驱动条件需求，是目前利用Ｚ箍缩产生高温黒腔辐射的首选结构（如图１．４所示，图??中同时给出了?Ｚ装置上利用Ｘ射线背光拍摄的典型靶丸内爆压缩图像）。??ｊｙｊａｊｎ?２－Ｄ?Ｘ－ｒａｙ?Ｐｉｎｈｏｌｅ?Ｃａｍｅｒａ?Ｉｍａｇｅｓ?４?￣｜ｗ?１??Ｓｈｏｃｋ??ｗｉｒｅ?ａｒｒａｙｓ?ｌｏｗ?ｄｅｎｓｉｔｙ?ｆｏａｍ?＾?〇?２?＊?ｅ??Ｄｌ？．?（ｍｍ）??图１．４?Ｚ装置动态黒腔示意图及聚变祀丸内爆图像??Ｚ箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆的主要物理过程可分为以下四个过程：（１）丝阵等离子??体产生与内爆；（２）丝阵等离子体碰撞泡沫转换体产生冲击波；（３）黑腔辐射场形成；（４）??辐射驱动压缩靶丸。这四个过程的基本内涵可描述为：（１）单层丝阵或嵌套丝阵在强电流??驱动下烧蚀汽化产生等离子体，并在强电流产生的洛伦兹力作用下加速等离子体高速向??心内爆运动，当丝阵等离子体高速运动到内置于轴心的低密度泡沫转换体时二者发生碰??撞，丝阵等离子体的动能转换为热能；（２）丝阵等离子体与泡沫转换体碰撞后，一方面在??其泡沫体表层附近形成高温高密度壳层，另一方面通过碰撞在泡沫转换体内产生向轴心??传播的强冲击波和强辐射；强冲击波在泡沫转换体内传播过程中，波阵面上的物质被快??速热化，电子温度升高引起的强辐射向冲击波以外的区域输
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