等离子体喷射轴心铝丝的磁流体动力学模拟.pdfVIP

第 15 卷 　第 10 期 强 　激 　光 　与 　粒 　子 　束 Vol. 15 ,No. 10 2003 年 10 月 HIGH 　POWER 　LASER 　AND 　PARTICL E 　BEAMS Oct . ,2003 文章编号 (2003) 等离子体喷射轴心铝丝的磁流体动力学模拟 王刚华 , 　胡熙静 , 　阚明轩 ( 中国工程物理研究院 流体物理研究所, 四川 绵阳 621900) 　　摘 　要 : 　采用一维拉格朗日磁流体力学(MHD) 程序研究了等离子体喷射轴心单丝的物理现象 ,给出了 碰撞后铝丝受热膨胀和最后箍缩到轴心的整个过程图像 ,指出这一设计方法能在轴心丝上获得较高的电流上 升率和较高的轴心压缩密度 ,并还给出了箍缩所得的功率和能量曲线。 　　关键词 : 　脉冲高功率 ; 　Z 箍缩 ; 　磁流体力学 ; 　Pinch on wire 　　中图分类号 :O361 　　　　文献标识码 :A 　　通过脉冲高功率放电到一根亚 mmμ m 级单丝来获得高密度箍缩 ,用于 X 射线辐射源和达到热核聚变的方 法正引起科研人员的广泛兴趣。国外已有的二维计算模拟[1 ]和爆炸丝实验显示 :从丝的表面消融释放出等离 子体 ,然后等离子体随电流上升将快速膨胀到很大的半径 ,最终被重新压缩 ,在重新压缩时出现了不稳定性 ,从 而抑制了均匀的高温高密等离子体的产生。中心未完全电离的冷丝虽然能减缓整个瓦解过程 ,但是却无法抑 制不稳定性的增长[2 ] 。 ( 　　轴线上保持均匀性是产生辐射塌缩的首要条件 ,这需要在能量传输和加热等离子体 电流增长率:d I / d t ≈1015A ·s - 1 ,假定初始等离子体温度 T 小于 1eV) 时维持准Bennett 平衡。初期的实验指出 :能量进入丝的时 间 t E 对不同的爆炸丝箍缩起着关键性的作用[3 ] 。为了得到高的上升电流脉冲 ,减少能量进入丝的时间 ,可以 用一个大直径固体套筒或丝阵预先形成等离子体箍缩并喷射到小直径靶上来实现。适当适时的电流动力能提 ( [4 ]) 供持续的能量传输和很大的 d I / d t 值 ,前期的研究 包括空心环壳对各种靶箍缩 已经证实这样的箍缩迟滞 过程是相当稳定的。在 GAEL 装置上进行的等离子体喷射轴心丝的实验也证实了 ,较大直径圆柱预先形成的 等离子体壳对轴心丝的喷射能有效地缩短辐射的上升前沿 ,得到更强的辐射能量[5 ] 。本文对一维磁流体力学 程序进行了改造 ,使之能应用于这种 pinch on wire ( POW) 结构箍缩的计算。 1 　计算结果与分析 　　我们使用自己编制的一维双区 MHD 程序[6 ]计算了 POW 构型从铝衬套气化形成等离子体 ,然后在电流的 ( ) 箍缩作用下箍缩到轴心铝丝 或铝等离子体 上并对其进行压缩的整个箍缩过程。装置参数使用美国洛斯·阿 拉莫斯实验室 Pegasus1 [7 ]装置参数。即电压 V = 88. 0kV , 电容 C = 216μ R = 0. 30mΩ,总电感 L 36nH , F , 电阻 电容器总储能为 1MJ 。 　　POW 结构靶如图 1 所示 ,外层衬套的半径为 5cm ,厚度为 288. 5nm ,轴心丝的直径为 0. 1mm , 高度为 2cm