赵繁涛 宋健 张津硕 漆亮文 赵崇霄 王德真

(大连理工大学物理学院, 三束材料改性教育部重点实验室, 大连 116024)

(2021 年4 月14 日收到; 2021 年5 月26 日收到修改稿)

1 引 言

球马克(spheromak)[1]是一种环形等离子体约束位形, 具有相互联结、强度相当且均由等离子体电流产生的环向与极向磁场. 作为产生球马克最为常用的方式之一, 由磁化同轴枪(同轴电极与通电线圈组成的一种强流脉冲放电装置)所产生的球马克具有高传输速度、高电子密度的特性, 因此在聚变装置芯部加料[2-4]、磁重联[5-7]、磁化靶聚变[8]、X 射线源[9,10]、边缘局域模[11,12]以及空间等离子体地面模拟研究[13,14]等方面得到了广泛应用. 图1所示为磁化同轴枪产生球马克的基本过程, 首先在枪口位置施加一个稳态的极向偏置磁场, 并向高真空环境(10–3Pa)的枪内快速(约100 µs)注入一定质量的工作气体, 最后在同轴电极两端施加电压致气体击穿, 使电极间通道内形成一高电导率的等离子体环, 该环在轴向磁压力的推动下, 携带冻结的环向磁场加速运动至枪口, 若环在枪口位置受到的磁压力大于偏置磁场的磁张力, 受拉伸的偏置磁场将会缠绕该环直至破裂、重联构成极向磁场, 此时一个具有嵌套环形磁面的球马克形成.

图1 球马克形成过程示意图Fig. 1. Schematic diagram of spheromak formation sequences.

20 世纪80 年代, 球马克首先以候选聚变概念(alternative fusion concepts)[15,16]出现, 90 年代又以应用等离子体源兴起, 发展至今其研究范围已不再局限于泰勒弛豫[17]、磁螺旋度(magnetic helicity)注入[18]、磁流体平衡及稳定性[19]等惯例内容,对于球……