王 真 李正宏 徐荣昆 杨建伦 丁 宁 许泽平 郭 存 宁 成 宁家敏蒋世伦 章法强 夏广新 李林波 叶 凡 秦 义 薛飞彪 陈进川

1)(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，绵阳 621900)

2)(北京计算数学与应用物理研究所，北京 100088)

(2009年11月20日收到;2010年4月23日收到修改稿)

1—4 MA电流驱动的丝阵X光辐射优化的实验研究*

王 真1)†李正宏1)徐荣昆1)杨建伦1)丁 宁2)许泽平1)郭 存1)宁 成2)宁家敏1)蒋世伦1)章法强1)夏广新1)李林波1)叶 凡1)秦 义1)薛飞彪1)陈进川1)

1)(中国工程物理研究院核物理与化学研究所，绵阳 621900)

2)(北京计算数学与应用物理研究所，北京 100088)

(2009年11月20日收到;2010年4月23日收到修改稿)

进行了1—4 MA电流驱动的钨丝阵列负载的Z箍缩实验研究，通过丝阵参数、负载电极结构的优化设计及负载初始装配状态的控制优化X光辐射功率，在单、双层丝阵的内爆实验中分别获得5.3±1.0 TW和5.6±1.1 TW的峰值辐射功率，创同类装置上X光辐射功率的最高纪录.

Z箍缩，丝阵X光辐射，优化

PACS:52.59.Qy，52.70.La

1.引 言

近年来，丝阵Z箍缩的研究取得了突破性的进展，Sandia实验室在Z装置上用20 MA电流驱动单层钨丝阵列负载内爆产生了峰值功率为200 TW和总能量为2 MJ的软 X光辐射场［1］，驱动双层钨丝阵内爆产生的峰值辐射功率达到290 TW［2］，是迄今为止实验室产生的最强X射线源.实验结果外推及理论模拟验证均表明，利用丝阵Z箍缩的强X光辐射场构建黑腔驱动小丸内爆，在50—60 MA电流的驱动下可以吸收1 MJ能量并产生380 MJ的聚变增益［3，4］，是 具 有 很 高 效 费 比 的 ICF(inertial confinement fusion)研究途径.

作为真空黑腔初始输入能量的加载源，丝阵X射线辐射的强度是影响黑腔辐射场强度的关键因素之一，优化提高丝阵 X光辐射场的强度，可以减小ICF研究对脉冲功率源驱动能力的要求.低电流(1—4 MA)驱动装置适于进行大驱动电流条件下的ICF物理分解实验研究，研究丝阵负载与驱动电流的参数匹配及X射线辐射场的优化实验技术，探索抑制瑞利-泰勒不稳定性，提高X射线辐射功率的有效途径，为10 MA级电流驱动的黑腔和ICF研究提供技术支撑.

2.实验设置

研究主要利用强光一号和Angara-5装置进行，其中位于西北核技术研究所的强光一号是目前国内最大的快脉冲功率驱动装置，电磁储能为260 kJ，能够将80 kJ的能量注入到金属丝阵负载，提供峰值为1.5 MA，上升前沿为80 ns的负载电流，产生超过30 kJ的软X射线辐射［5］;位于俄罗斯创新与热核聚变研究所(TRINITI)的Angara-5装置能够提供600 kJ的电磁储能，可以在70 ns的时间内将峰值3—4 MA的电流加载到金属丝阵负载上，驱动负载内爆产生超过100 kJ的软X射线辐射.

实验使用单层和双层钨丝阵两类负载，进行丝阵内爆基础物理问题的研究，探索磁瑞利-泰勒(MRT)不稳定性的有效抑制措施，以实现丝阵等离子体内爆聚心物理过程的同时、均匀、快速和整体性，提高X射线辐射功率，获取优化的丝阵 X射线辐射，应用于下一阶段黑腔物理问题的研究及黑腔的优化设计.使用的钨丝包括三种直径，4.2，5和6μm，每一发负载所含钨丝数量从32到128根不等，详细的负载参数如表1所示.

丝阵X射线辐射参数的测量使用的是自行研制的X射线功率谱仪，对50 eV—1.4 keV的软X射线辐射具有平坦的能谱响应，可覆盖丝阵X射线辐射的主要能段，对辐射功率和辐射总能量的测量不确定度为20%［6］;另外还使用了十分幅纳秒 X射线相机和一维时空分辨X射线辐射功率成像系统对X射线辐射场的分布进行诊断［7］，前者可获取十幅时间间隔为10 ns，曝光时间为1.5 ns的瞬态X射线辐射强度的两维(r-z)空间分布图像，图像的空间分辨为150 μm，后者借助于平坦的能谱响应特性可以测量丝阵径向或轴向不同位置的X射线辐射功率随时间的连续变化过程(r-t或z-t)，空间分辨为200 μm，时间分辨为2 ns.

表1 实验负载参数表

3.强光一号实验结果及分析

Lebedev等［8］的研究结果指出，丝阵负载的箍缩品质与丝间距的大小密切相关，较小的丝间距有利于相邻丝等离子体的有效融合，形成均匀的等离子体内爆壳层，提高箍缩品质;另一方面，加速器的驱动电流水平对负载质量有一个限制范围，过重的负载会使内爆时间增加，内爆坍塌发生之前电流脉冲即已结束，过轻的负载则会导致内爆坍塌发生之时电流峰值尚未到达的情况，电磁能均不能得到充分有效的利用.因此，缩小丝间距以提高内爆品质必须建立在适当的丝阵负载质量前提下.

3.1.改变丝阵长度

之前的实验［5］和理论分析［9］均已表明，在当前的丝阵制备水平条件下，8 mm直径的丝阵负载较适用于强光一号的驱动电流条件;文献［10］对强光一号上5和6 μm两种丝直径负载(除了钨丝直径，其他参数均相同)进行了比较，分析结果显示5 μm丝直径的负载具有更好的内爆品质，辐射功率更高;文献［11］观察到了两极等离子体喷射，破坏了等离子体内爆的同步性和整体性，这是由于负载电压高(700 kV)以及电极结构的不合理导致两极表面的畸变电场强度过高，从而引起的电极等离子体喷射.

为了抑制两极等离子体的不利影响，我们对负载电极结构进行了针对性优化设计，以降低电极表面的局部不均匀导致的电场畸变，同时改变丝阵负载长度，E=U/d，在负载电压U不变的条件下，通过增加负载长度d降低整体电场强度，即表1中列出的QS2—QS4三种负载，每种负载各三发有效实验，等离子体辐射参数的数据对比见表2.

表2 只改变丝阵负载长度的辐射参数对比

图1给出了三种负载的X光辐射图像的变化过程，其中两侧电极附近出现的与电极平行的亮线即是两极等离子体的辐射发光图像，从图中可以看出，随着负载长度的增加，电极喷射出的等离子体辐射强度明显减弱，对25 mm长度的丝阵负载，图像中几乎已观测不到两极等离子体，相应地，在同等驱动电流条件下，15 mm短丝阵负载的X光辐射功率和辐射能量均较低(见表2).另一方面，随着负载长度的增加，丝阵的装配难度加大，在强光一号装置上圆柱型丝阵的轴向与水平方向平行，金属丝在重力的作用下很难保持平直的初始状态，从而影响内爆品质.等离子体在内爆滞止阶段表现出显著的扭曲和腊肠不稳定性(如－0.6 ns时刻的图像所示)，因此25 mm长度的负载虽然在两极等离子体抑制这一点上比20 mm长度的负载好，但等离子体的内爆品质较差，不同发次之间的涨落较大，在最终的辐射参数上没有表现出优势.

图1 三种长度丝阵负载的内爆X光辐射图像 从左至右依次为15，20和25 mm，图像从上至下依内爆时间早晚的顺序排列

从表2中还可以看出，两极等离子体影响较弱的后两种丝阵负载，等离子体的辐射功率和辐射能量基本相当，但20 mm负载在等离子体滞止阶段的体积比25 mm负载小.相应地，其辐射功率密度和辐射能量密度更高，借助于丝阵内爆辐射的这一特性，在进行黑腔物理问题的研究时使用较短的丝阵负载可以缩小黑腔体积，提高黑腔辐射温度.

3.2.改变单丝直径

在同等的负载线质量条件下，单丝直径越小，丝阵中金属丝的数量越多，丝间距越小，相邻丝等离子体的融合也更充分，实现单丝内爆模式向壳层内爆模式的转换，从而改善等离子体内爆品质.实验中固定丝阵负载质量，对4.2 μm(48根)和5 μm(32根)两种金属丝组成的负载进行了内爆辐射参数的比较分析，丝间距分别为0.52和0.79 mm，其中前者已接近文献［8］给出的内爆模式转换的临界丝间距，实验结果见表3.

表3 丝阵长度、直径和线质量不变，不同单丝直径负载的辐射参数对比(5 μm@4.2 μm)

在每种负载的各6发有效实验数据中，4.2 μm负载在1.33 MA的平均电流驱动下的平均辐射参数为 0.48 TW/18.7 kJ，与预计结果不同的是，5 μm负载在1.33 MA的平均电流驱动下产生的X射线辐射为 0.49 TW/21.7 kJ，比4.2 μm 负载略高.经分析，主要原因是强光一号上负载为水平安装，4.2 μm钨丝较细，丝质量初始分布的相对不均匀性较5 μm丝显著，在同样的20 mm长度条件下，较细的金属丝在重力的作用下很难保持平直的初始状态，导致在内爆过程中瑞利-泰勒(RT)不稳定性增长显著，抵消了丝间距减小带来的优势.

4.Angara-5实验结果及分析

与强光一号装置不同，Angara-5装置上的负载电压低得多(300 kV)，因此能够采用较短的丝阵(15 mm)而不会出现不利的两极等离子体喷射现象，以提高等离子体的辐射功率密度和辐射能量密度，利于黑腔物理问题的研究;同时，Angara-5装置上丝阵负载的轴向方向处于竖直平面内，金属丝可以保持较好的平直状态，有利于负载内爆品质的改善.

4.1.丝阵初始状态对内爆品质的影响

前面的分析中提到，负载电流流过金属丝之前，丝初始状态的平直性对内爆辐射过程有影响.在Angara-5的实验中，对实验负载装配完成后的初始状态进行了监测，并与最终的内爆辐射参数进行了比对分析.图2给出了其中三发实验的情况，其中4405和4408两发为AS4类型的负载，4418为AS5类型的负载.

图2 金属丝阵列负载装配后的初始状态与内爆辐射参数的关联性

4408发次实验中，丝阵初始状态较佳，金属丝无弯曲，相互之间间距均匀，最终在3.3 MA峰值电流的驱动下内爆获得了5.3的X光辐射功率;而同类型负载的4405发次实验中，部分相邻的金属丝出现扭曲，4418发次实验中该现象更为严重，这两发获得的X射线辐射功率均为同类型负载中的最低值.

4.2.单层丝阵

表4列出了Angara-5实验中五种类型单层丝阵负载的内爆辐射参数情况.

表4 五种单层丝阵负载的辐射参数对比(除AS1丝阵负载的直径为18 mm外，其他四种负载的直径均为12 mm)

4.2.1. 只改变单丝直径(5 μm@6 μm)，丝数量相等，丝间距不变(0.63 mm)

结果与强光一号实验一致［10］，5 μm 丝阵负载(AS3)相比6 μm丝阵负载(AS5)具有更好的内爆品质.如图3所示，在同等的2.9 MA负载驱动电流条件下前者的平均辐射功率达到3.1 TW，比后者2.6 TW的平均辐射功率高出约20%.

4.2.2.单丝直径(5 μm)保持不变，增加丝数量以改变丝间距

在驱动器电磁储能不变的条件下，随着丝间距从0.79 mm减小到0.42 mm，流过负载的峰值电流随之从2.7 MA增加到3.2 MA.当丝间距接近单丝内爆向壳层内爆模式转换的临界值时(0.63 mm→0.42 mm)，X光辐射功率迅速提高，增长幅度超过50%(3.1 TW→4.7 TW)，其中，采用0.42 mm丝间距负载的4408发次获得了5.3 TW±1.0 TW的峰值辐射功率，这一参数创造了同等驱动电流条件下单层丝阵负载X光辐射功率的最高纪录.

4.2.3.线质量不变，改变丝单丝直径(4.2 μm@5 μm)，同时改变丝数量和丝阵直径，保持丝阵中相邻丝的间距相当(0.42 mm@0.44 mm)

采用更细的4.2 μm超细钨丝在辐射功率上没有表现出显著的优势，平均辐射功率仅提高了约6%，其中原因在于钨丝质量分布的初始扰动(δ m/m，也就是 RT 不稳定性增长的“种子”［8］)比 5 μm钨丝大.但是前者在驱动器电磁储能相等的条件下负载电流达到了4.2 MA，比后者的3.2 MA提高了超过30%，同时受益于更大的丝阵初始半径，前者可以因此而获得远大于后者的等离子体内爆速度，这一特点对于黑腔的优化非常有利.

4.2.4.等负载质量的单、双层丝阵对比

在双层丝阵等离子体的内爆过程中，外层丝阵等离子体与内层丝阵的碰撞整形作用是抑制RT不稳定性增长的有效措施，可以显著提高等离子体聚心时的时间同步性和轴向均匀性，优化辐射分布，提高X射线辐射功率.表5和图4是同样由60根6 μm钨丝组成的单、双层丝阵的辐射参数和辐射图像对比.

表5 单层与双层丝阵的内爆同步性及辐射参数对比(两种负载均由60根6 μm钨丝组成)

4.3.双层丝阵

双层丝阵的内爆物理过程与单层丝阵有较大的差异，内层对外层内爆等离子体位型的整形作用使得双层丝阵负载在不稳定性抑制上具有显著的优势，是进行黑腔设计的首选丝阵构型.

表6列出了Angara-5实验中六种类型双层丝阵负载的内爆辐射参数情况，图5则给出了负载的辐射功率与电流上升速率之间的关联性，电流上升速率提高，X射线辐射功率表现出增加的趋势.

表6 六种双层丝阵负载的辐射参数对比 (其中4.2 μm钨丝负载的直径为18 mm(AD1)和20 mm(AD2)，其他三种负载的直径均为12 mm)

4.3.1. 只改变单丝直径(5 μm@6 μm)，内外层丝数量均相等(60根)

与单层丝阵的实验结果不同的是，5 μm钨丝丝阵(AD3)在峰值负载电流、峰值辐射功率上均弱于6 μm钨丝丝阵(AD5)，主要原因可能在于两个方面:一是后者的负载电流大，电流上升速率快，不稳定性发展时间短;二是纳秒分幅相机测试结果显示前者内、外层丝阵等离子体内爆不同步，内层丝阵提前内爆聚心，X射线辐射功率时间波形上出现两个间隔约为10 ns的辐射峰，导致峰值辐射功率下降，如图6所示.文献［12］给出了初步解释，这是由于内层丝阵电感相对外层较低，电流过早地通过内层，导致内层提前内爆，内外层等离子体的辐射峰在时间上分离，从而大大降低了峰值辐射功率.

图6 外层40内层20根6 μm钨丝丝阵的X射线辐射功率时间分布 内外层辐射峰在时间上分离，次辐射峰出现在主辐射峰后10 ns

4.3.2.4.2 μm钨丝阵列，改变丝阵直径

提高等离子体的内爆动能是进行黑腔设计的首要基础.采用4.2 μm细钨丝，在负载线质量基本不变的条件下可以增加丝数量，构建大直径的丝阵负载，是提高等离子体内爆速度的一种可行途径.实验结果显示4.2 μm钨丝的两种负载获得的最大速度均大大超过了5和6 μm钨丝负载，同时还解决了5 μm钨丝负载内、外层等离子体不同时聚心的问题，实现了内爆动能的提高和内爆辐射的初步优化.

在4668发实验中使用20 mm直径的AD2负载获得5.6 TW±1.1 TW的X射线辐射功率，创造了Angara-5装置上的历史最高纪录.图7(a)给出了该发次实验中测量获取的X射线内爆轨迹，其最大径向运动速度达到1.4×108cm/s，远高于18 mm直径负载(AD1)的最大速度7×107cm/s.

在内爆动力学模式上，两种丝阵直径的负载也表现出了一定的区别:20 mm直径的负载在内外层等离子体相互作用时内层丝阵直径与初始状态相比没有大的变化，电流绝大部分从外层丝阵流过，而18 mm负载在此刻内层已被箍缩至初始直径的一半，内层已有较多份额的电流分流;共同之处是内外层丝阵的融合均出现在相对X射线峰－6 ns时刻，此时在互感的作用下内外层丝阵电流迅速切换［13，14］，同时径向内爆运动速度激增，20 mm 直径丝阵从1.3×107cm/s猛增到1.4×108cm/s，15 mm丝阵则由于加速距离短，速度增幅只有20 mm丝阵的一半.

4.3.3.4.2 μm钨丝阵列与6 μm钨丝阵列

AD2与AD5分别是4.2与6 μm两大类钨丝双层丝阵中较优化的负载结构，电流上升速率比其他相同钨丝直径的负载均高出10%以上，辐射功率同时也都高出约20%.但这两种负载在内爆物理过程上表现出了较明显的差别，后者内外层丝阵的作用过程持续时间较长，辐射区半径在约3 ns的时间内保持不变，形成原因在于拖尾分布的外层等离子体(trailing mass)［14］，电流转换过程完成后 6 μm 丝阵的径向内爆运动速度及速度增幅均比前者低50%以上(见图7(b))，4.6 TW的平均辐射功率也比前者的5.3 TW低约15%.

4.3.4.交换内、外层丝阵质量分配比例

AD5和AD6两种负载交换了内、外层丝阵质量分配比例，外层更稀疏，内层更紧密.实验结果显示两种负载的内爆动力学过程非常相似，区别仅在于稀疏的外层丝阵的拖尾质量分布更广，在其影响下后者内外层丝阵碰撞停滞的过程也就是辐射区半径保持不变的时间持续了更长的10 ns，同时后者的电流上升时间仅为58 ns，比包括 AD5在内的其他所有类型负载都要低，这一特性对于缩短RT不稳定性增长时间、抑制不稳定性影响从而提高辐射功率是非常有利的，也是最终的X射线辐射功率没有产生明显差异的主要原因.

5.结 论

本文通过钨丝直径和丝阵结构参数的优化匹配、负载电极及丝阵初始状态的良好控制实现了负载X光辐射功率的实验优化，在3—4 MA电流的驱动下，单、双层丝阵负载分别获得5.3 TW±1.0 TW和5.6 TW±1.1 TW的峰值辐射功率，为历史最高记录.

致谢:Angara-5和强光一号装置全体运行人员为实验的顺利进行提供了保障，中国工程物理研究院激光聚变研究中心为实验制作了负载，在此表示感谢.

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PACS:52.59.Qy，52.70.La

X-ray radiation power optimization in 1 MA to 4 MA wire-array implosions*

Wang Zhen1)†Li Zheng-Hong1)Xu Rong-Kun1)Yang Jian-Lun1)Ding Ning2)Xu Ze-Ping1)Guo Cun1)Ning Cheng2)Ning Jia-Min1)Jiang Shi-Lun1)Zhang Fa-Qiang1)Xia Guang-Xin1)Li Lin-Bo1)Ye Fan1)Qin Yi1)Xue Fei-Biao1)Chen Jin-Chuan1)
1)(Institute of Nuclear Physics and Chemistry，China Academy of Engineering Physics，Mianyang 621900，China)
2)(Institute of Applied Physics and Computational Mathematics，Beijing 100088，China)
(Received 20 November 2009;revised manuscript received 23 April 2010)

Tungsten wire array implosions driven by 1 MA to 4 MA current were experimentally investigated.X-ray radiation power was improved through load parameters optimization，electrode structure improvement and well control of initial array conditions.The maximum powers of 5.3±1.0 TW and 5.6±1.1 TW，the highest at the 3 MA to 4 MA current level up to now，were measured in the single array and the double array implosions，respectively.

Z-pinch，wire-array X-ray radiation，optimization

*国家自然科学基金重点项目(批准号:10035030，10635050)资助的课题.

*Project supported by the Key Program of the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.10035030，10635050).