Z箍缩等离子体振荡引起的电磁脉冲辐射

从理论上研究了Z箍缩过程中单模的等离子体振荡引起的电磁脉冲辐射。当模式扰动的相速度大于真空中的光速时,电磁脉冲辐射具有类似于切伦科夫辐射的角分布特征,并且随着相速度的增大这种定向辐射特征越显著;不同波长的电磁辐射也具有不同的角分布特征,短波长的电磁脉冲具有更好的定向性。电磁辐射功率强烈依赖于电子的等离子体振荡频率和等离子体柱的半径。     

Z箍缩内爆产生的电磁脉冲辐射

讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆,部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明,电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA,10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验,根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW,能量约为0.5 J,能量转换效率约为10^-7;峰值频率位于20–70 MHz,具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW,能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下,电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方,随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式,本文的研究结论表明,在更高的驱动电流下,电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径,势必会对诊断设备造成严重影响;此外,这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值. 关键词： Z箍缩 内爆 电磁脉冲     

“强光一号”钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性研究

在“强光一号”装置驱动电流峰值1.4—2.1MA、上升时间80—100ns条件下，研究了不同丝阵直径、丝数及丝直径的钨丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性.用自行研制的测试系统对等离子体辐射参数进行了诊断.实验获得的最大X射线总能量为34kJ，最大峰值功率为1.28TW.得到了一些关于钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性的规律性认识. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 等离子体辐射     

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

在拉格朗日坐标系下,建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组,并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟,得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。     

铝丝阵列Z箍缩的辐射磁流体动力学过程

 在拉格朗日坐标系下，建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组，并编制了相应的拉氏程序。利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟，得到了内爆等离子体各参量的时空分布。其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致。表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的。     

Z箍缩内爆等离子体研究新进展

目的,快过程Z箍缩内爆等离子体可以把储存的脉冲功率加速器内155的电能转化为大能量、高功率的X射线源,美国Sandia实验室的Z装置已经产生了总能量为1.8MJ、功率为290TW和黑腔湿度超过200eV的X射线源,这些进展正在用于惯性约束聚变（ICF）实验研究,并对它的后续装置X－1正在进行概念性设计,文章概要地叙述了Sandia实验室近五年来在Z装置上进行Z箍缩实验所取得的进展。     

Z箍缩等离子体磁重联现象

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴心形成先驱等离子体。估算表明重联层的厚度与离子的惯性长度具有相同的数量级,电流片内电子运动和离子的运动是解耦合的。在内爆滞止阶段电荷分离产生强的径向电场,这个电场将磁能转化为等离子体轴向(z方向)动能,内爆动能和轴向动能共同转化为X射线辐射能,以此解释了X射线能量大于内爆动能这一观测结果。分析了磁重联电磁脉冲的性质,对于1 MA驱动条件,电磁脉冲的总能量可达kJ量级。     

Z箍缩等离子体磁重联现象

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴心形成先驱等离子体。估算表明重联层的厚度与离子的惯性长度具有相同的数量级,电流片内电子运动和离子的运动是解耦合的。在内爆滞止阶段电荷分离产生强的径向电场,这个电场将磁能转化为等离子体轴向(z方向)动能,内爆动能和轴向动能共同转化为X射线辐射能,以此解释了X射线能量大于内爆动能这一观测结果。分析了磁重联电磁脉冲的性质,对于1 MA驱动条件,电磁脉冲的总能量可达kJ量级。     

Z箍缩等离子体内爆X光辐射功率角分布

 在Z箍缩实验中,利用ST1432红光闪烁体、多模石英光纤探头和大电流光电倍增管探测器等研究了丝阵等离子体内爆过程中沿轴向与径向不同方位角的X光辐射功率分布。采用的负载为单层钨丝阵和单层铝丝阵,驱动电流1.5～1.8 MA,上升时间60～90 ns。实验结果表明:Z箍缩等离子体X光辐射强度有轴向和径向分布不均匀性;单层钨丝阵轴向X光辐射强度大于径向辐射强度;单层铝丝阵径向X光辐射强度大于轴向辐射强度。     

铝丝阵Z箍缩辐射形成特征实验研究

基于多种诊断设备获得的物理参数和物理图像,分析了8 mm铝丝阵内爆各阶段的辐射特征。 实验结果表明,铝丝阵的先驱等离子体在形成后未出现明显不稳定性特征。在向心箍缩阶段,出现了泡-钉（bubble-spike）结构,并伴有局部热点。结合分析空间分辨能谱图像,表明热点的形成与等离子局部的高温高密状态有关。通过对X光条纹像进行时间和空间的定标,得到透过50 m Be膜的等离子体热点的空间尺寸约为0.8mm,持续时间小于10 ns。     

纳秒激光诱导空气等离子体射频辐射特性研究

开展了波长为532 nm、脉宽为8 ns的纳秒激光诱导空气等离子体射频电磁辐射特性实验研究,基于锥形天线探测空气等离子体在30-800 MHz频谱范围有较强的射频电磁辐射,是等离子体内电偶极子振荡变速运动造成的.实验结果表明:随激光能量增加,30-200 MHz范围内射频辐射强度逐渐变强,但360-600 MHz频率范围射频辐射强度逐渐变弱.等离子体射频辐射的空间分布依赖于入射激光的偏振方向,当激光偏振方向与天线放置方向一致时,该方向上空气等离子体的射频辐射强度高,谱线较丰富.射频辐射总功率随激光能量先增加后降低,采用等离子体电子密度变化对等离子体频率及等离子体衰减系数影响(制约)关系,对射频辐射总功率随激光能量的变化规律进行了解释.     

双激光脉冲打靶形成Gd等离子体的极紫外光谱辐射

高端芯片制造所需要的极紫外光刻技术位于我国当前面临35项卡脖子关键核心技术之首.高转换效率的极紫外光源是极紫外光刻系统的重要组成部分.本文通过采用双激光脉冲打靶技术实现较强的6.7 nm极紫外光输出.首先,理论计算Gd¹⁸⁺—Gd²⁷⁺离子最外层4d壳层的4p-4d和4d-4f能级之间跃迁、以及Gd¹⁴⁺—Gd¹⁷⁺离子最外层4f壳层的4d-4f能级之间跃迁对波长为6.7 nm附近极紫外光的贡献.其后开展实验研究,结果表明,随着双脉冲之间延时的逐渐增加,波长为6.7 nm附近的极紫外光辐射强度呈现先减弱、后增加、之后再减弱的变化趋势,在双脉冲延时为100 ns处产生的极紫外光辐射最强.并且,在延时为100 ns处产生的光谱效率最高,相比于单脉冲激光产生的光谱效率提升了33%.此外,发现双激光脉冲打靶技术可以有效地减弱等离子体的自吸收效应,获得的6.7 nm附近极紫外光谱宽度均小于单激光脉冲打靶的情形,且在脉冲延时为30 ns时刻所产生的光谱宽度最窄,约为单独主脉冲产生极紫外光谱宽度的1/3.同时...     

放电等离子体极紫外光源中的主脉冲电源

描述了Z箍缩放电等离子体极紫外光源系统中的主脉冲电源,给出了主电路拓扑结构,重点介绍了三级磁脉冲压缩网络,给出了关键参数的设计计算,并且介绍了新颖的末级磁脉冲压缩放电结构。实验结果显示:各级磁脉冲压缩效果达到设计指标,电源输出电压峰达30 kV,输出电流峰值大于40 kA,电流脉冲宽度200 ns,满足Z箍缩放电等离子极紫外光源对主脉冲的要求。     

On electromagnetic waves by an accelerated charged particle in medium

We have investigated the effects of acceleration of a charged particle on its Cerenkov emission and ionization-losses. We have considered the accelerated motion of a charged particle in an infinite medium with the acceleration parallel to the direction of its motion. We have used the method of Fourier transforms to solve the Maxwell's equations with appropriate current and charge-densities to find electromagnetic fields and hence the force experienced by the incident charge due to its interaction with the medium (dielectric or plasma). The results obtained are general and applicable to any acceleration. In the approximations of ‘small acceleration’ and ‘small interaction time’, we have solved the wave equations and determined electromagnetic potentials. It is found that the acceleration of the charged particle strongly changes both its ionization-loss and Cerenkov emission.     

电磁脉冲在实验室等离子体中传播时间的实验研究

利用矢量网络分析仪，对频域9—11 GHz的电磁脉冲在实验室稳态无磁场等离子体中传播时间的问题进行了实验研究.实验发现当等离子体密度在0.65—1.43×10¹¹ cm^-3范围内时，电磁脉冲通过该等离子体传播的时间将会小于该电磁脉冲在真空中传播同样距离所需要的时间，在密度约为1.10×10¹¹ cm^-3时，这两个时间差会出现一个极值.进一步的研究表明在此密度范围内，非磁化Xe等离子体中的电磁波色散关系将不再成立. 关键词： 电磁脉冲 脉冲传播时间 等离子体密度 色散关系     

Simulations on the multi-shell target ignition driven by radiation pulse in Z-pinch dynamic hohlraum

We present the first simulation results of a multi-shell target ignition driven by Z-pinch dynamic hohlraum radiation pulse. The radiation pulse is produced with a special Z-pinch dynamic hohlraum configuration, where the hohlraum is composed of a single metal liner, a low-Z plastic foam, and a high-Z metallic foam. The implosion dynamics of a hohlraum and a multi-shell target are investigated separately by the one-dimensional code MULTI-IFE. When the peak drive current is 50 MA, simulations suggest that an x-ray pulse with nearly constant radiation temperature (～ 310 eV) and a duration about 9 ns can be obtained. A small multi-shell target with a radius of 1.35 mm driven by this radiation pulse is able to achieve volumetric ignition with an energy gain (G) about 6.19, where G is the ratio of the yield to the absorbed radiation. Through this research, we better understand the effects of non-uniformities and hydrodynamics instabilities in Z-pinch dynamic hohlraum.     

电磁脉冲模拟器电磁场计算

利用电磁场张量法计算了平行板电磁脉冲模拟器内的电磁场并推导了其时域解析表达式。按照模拟器的平行板段和前后三角板的结构将平板近似为线网格。场的幅值由各线段元的不同滞后时间叠加来确定,其方向由线段元和场点的单位矢量经简单矢量运算来确定。计算结果表明：平行板段内的场具有横电磁分布特性,而靠近三角板处由于各线段元的非对称性贡献将使场出现其它分量。通过对模拟器的电场测量值与理论计算值相比较可知,两者大致相同。