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基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

黄显宾 徐强 王昆仑 任晓东 周少彤 张思群 蔡红春 王贵林 张朝辉 贾月松 孙奇志 刘盼 袁建强 李洪涛 王勐 谢卫平 邓建军

黄显宾, 徐强, 王昆仑, 等. 基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
引用本文: 黄显宾, 徐强, 王昆仑, 等. 基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
Huang Xianbin, Xu Qiang, Wang Kunlun, et al. Progress on high energy density physics experiments with pinch devices[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
Citation: Huang Xianbin, Xu Qiang, Wang Kunlun, et al. Progress on high energy density physics experiments with pinch devices[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128

基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
基金项目: 科学挑战专题资助项目(TZ2016005);国家自然科学基金项目(11705186,11905208,11605188,11575167,11505171)
详细信息
    作者简介:

    黄显宾(1977—),男,副研究员,博士,主要从事Z箍缩物理与诊断技术研究;caephxb2003@aliyun.com

    通讯作者:

    任晓东(1983—),男,助理研究员,硕士,主要从事Z箍缩物理实验与诊断技术研究;amosrxd@163.com

  • 中图分类号: O539

Progress on high energy density physics experiments with pinch devices

  • 摘要: 基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场;研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性;利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究;磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力;采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量(率)的X射线和γ射线;利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外,还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。
  • 图  1  高能量密度物理中的各种状态

    Figure  1.  Conditions relevant to high energy density physics

    图  2  动态黑腔负载构型与负载电流、径向和轴向X射线功率波形测量结果

    Figure  2.  Configuration of dynamic hohlraum and measured current and radial and axial X-ray pulses

    图  3  钨丝阵动态黑腔X射线内爆图像和等离子体径向内爆轨迹

    Figure  3.  X-ray pinhole images and measured radial plasma trajectories for W array driven dynamic hohlraum

    图  4  动态黑腔冲击波发射图像、冲击波轨迹与速度以及黑腔辐射温度径向分布

    Figure  4.  Emission images, trajectories and velocity of shock in dynamic hohlraum and radial profile of radiation temperature

    图  5  铝箔套筒负载实物以及箔套筒径向内爆轨迹测量结果与零维薄壳模型比较

    Figure  5.  Al foil load picture and comparison of measured trajectories and zero-dimensional (0D) thin shell calculation

    图  6  铝箔套筒激光阴影图像与内爆不稳定性

    Figure  6.  Laser shadowgraphs of Al foil and implosion instability

    图  7  铝箔套筒早期发射图像

    Figure  7.  Early emission images of Al foil implosion

    图  8  铝固体套筒实验电流和典型X射线背光像

    Figure  8.  Measured load current and typical radiographs for Al solid liner

    图  9  利用PDV测量套筒内界面速度

    Figure  9.  Measuring velocity of the inner liner surface utilizing PDV probes

    图  10  双层铝丝阵典型实验结果

    Figure  10.  Typical results from nested Al wire array experiment

    图  11  X射线热-力学效应实验布局与结果

    Figure  11.  Setup and results of X-ray Thermo-Mechanical effect experiment

    图  12  利用动态黑腔分离辐射脉冲测量辐射不透明度原理示意图

    Figure  12.  Sketch of the opacity measurement using separate X-ray pulses from dynamic hohlraums

    图  13  铝等离子体辐射不透明度吸收谱实验结果

    Figure  13.  Comparison of measured absorption spectrum for aluminum plasma opacity with calculations

    图  14  二极管和反射式三极管示意图

    Figure  14.  Sketch of the diode and reflex triode

    图  15  双环二极管典型实验结果

    Figure  15.  Typical results of double ring diode experiment

    图  16  反射式三极管典型实验结果

    Figure  16.  Typical results of reflex triode experiment

    图  17  磁驱动材料动态特性研究原理图错误!未找到引用源。

    Figure  17.  Sketch for the dynamic characteristic research of magnetically driven materials

    图  18  磁加载材料动态特性典型实验结果[54]

    Figure  18.  Typical experimental results of magnetically driven dynamical material characteristic

    图  19  金属箔射流实验设置与典型结果

    Figure  19.  Setup and typical results of the foil jet experiments

    图  20  端部分幅相机获得的FRC形成过程[72]

    Figure  20.  The forming process of FRC captured by end framing camera

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-06-19
  • 修回日期:  2020-07-07
  • 网络出版日期:  2020-07-21

基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展

doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
    基金项目:  科学挑战专题资助项目(TZ2016005);国家自然科学基金项目(11705186,11905208,11605188,11575167,11505171)
    作者简介:

    黄显宾(1977—),男,副研究员,博士,主要从事Z箍缩物理与诊断技术研究;caephxb2003@aliyun.com

    通讯作者: 任晓东(1983—),男,助理研究员,硕士,主要从事Z箍缩物理实验与诊断技术研究;amosrxd@163.com
  • 中图分类号: O539

摘要: 基于脉冲功率技术的箍缩装置能够在cm空间尺度和百ns时间尺度产生极端的高温、高压、高密度以及强辐射环境。中物院流体物理研究所在已建成的10 MA级的大型箍缩装置上开展多种负载构型的高能量密度物理实验研究。利用Z箍缩动态黑腔创造出了惯性约束聚变研究所需的高温辐射场;研究了金属箔套筒和固体套筒的内爆动力学特性;利用中低Z材料内爆获得了可观的K壳层线辐射并用于X射线热-力学效应实验研究;磁驱动准等熵加载和冲击加载为材料动态特性研究提供了新的实验能力;采用环形二极管和反射三极管技术的轫致辐射源获得了高剂量(率)的X射线和γ射线;利用磁驱动的径向金属箔模拟了天体物理中恒星射流的形成及其辐射的产生。此外,还介绍了利用反场构型磁化靶聚变装置开展的预加热磁化等离子体靶形成等实验结果。

English Abstract

黄显宾, 徐强, 王昆仑, 等. 基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
引用本文: 黄显宾, 徐强, 王昆仑, 等. 基于箍缩装置的高能量密度物理实验研究进展[J]. 强激光与粒子束. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
Huang Xianbin, Xu Qiang, Wang Kunlun, et al. Progress on high energy density physics experiments with pinch devices[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
Citation: Huang Xianbin, Xu Qiang, Wang Kunlun, et al. Progress on high energy density physics experiments with pinch devices[J]. High Power Laser and Particle Beams. doi: 10.11884/HPLPB202032.200128
  • 高能量密度状态是指物质被加热到大于1011 J/m3的能量密度状态,或者被压缩到压强大于100 GPa的高压状态[1]。对于高能量密度物理的定义往往涉及压强、能量、温度、密度等多个物理参数。低密度的物质欲达到高能量密度物理状态,往往需要将温度提高到接近keV,例如将1 mg/cm3的大气加热到高能量密度物理状态需要keV的温度,此时辐射能量占主导;密度为0.01 g/cm3的物质达到高能量密度物理状态则需要100 eV的温度;对于更高密度的物质很容易达到费米简并的状态,只需要很低温度就能达到高能量密度物理状态。

    高能量密度物理是当代科学的交叉前沿领域,它不同于传统意义上的固体物理和等离子体物理。在高能量密度物理状态下固体的不可压缩性不复存在,而等离子体气体将会被压缩成稠密等离子体。此时传统的气体等离子体理论将不再适用,而稠密等离子体性质还有待进一步研究。很多自然界的物质状态都属于高能量密度物理的范畴,如图1所示。例如太阳色球层和光球层附近的等离子体属于稠密等离子体的范畴,其不透明度性质和状态方程决定了太阳的辐射输运性质;恒星级射流的产生过程也属于高能量密度物理,它涉及高压、高密度的等离子体和强磁场相互作用的过程;惯性约束聚变中的等离子体通常涉及到keV的温度和1~100 g/cm3的密度状态,属于热稠密等离子体的范畴,其不透明度、状态方程、辐射输运性质,流体不稳定性方面的性质是目前迫切需要研究的内容。再比如行星内的稠密氢是怎样变为金属氢的物理过程涉及到100 GPa压力,属于高压固体的研究范畴。

    图  1  高能量密度物理中的各种状态

    Figure 1.  Conditions relevant to high energy density physics

    脉冲功率驱动的Z箍缩等技术是实验室产生高能量密度状态的一种重要方式[1][2]。现有以Marx发生器为初级储能源的脉冲功率装置可以产生数十MA的电流和数MV的电压,峰值电功率可达百TW,通过在时间和空间上对电脉冲能量的逐级压缩,最终可在约1 cm3空间尺度和不到100 ns的时间尺度获得近MJ的能量输出,从而为开展高能量密度物理研究提供了难得的实验条件。目前,国际上最大的脉冲功率装置是美国圣地亚实验室的Z装置,电流达到26 MA[3]。国内,中国工程物理研究院(简称中物院)建成的脉冲功率装置已经可以产生近10 MA的峰值电流[4][5],其上升时间(0~100%)约为100 ns,此外,中物院还建立了“荧光-1”反场箍缩(FRC)装置[6][7]。这些大型的脉冲功率装置为研究Z箍缩驱动的惯性约束聚变(ICF)、磁加载材料特性、强脉冲辐射源、实验天体物理和磁化靶聚变等高能量密度现象提供了前所未有的实验能力。后文对这些箍缩装置上的相关高能量密度物理实验研究进行了逐一介绍。

    • 脉冲功率装置产生的大电流可以用来驱动Z箍缩内爆,目前基于Z箍缩已经提出了两类聚变方案[2]。一种称为间接驱动或X射线辐射驱动,类似于激光间接驱动聚变,利用Z箍缩放出的X射线产生高温黑腔,再利用黑腔辐射场压缩聚变靶丸。这种方案主要包括了两种构型——双端黑腔[8]和动态黑腔[9][10],前者利用两个Z箍缩产生的X射线共同对称地加热一个次级黑腔;后者则采用等离子体内爆撞击低密度泡沫形成冲击波,冲击波将泡沫加热产生辐射,等离子体充当腔壁对泡沫中的辐射起到约束作用,并随着内爆的持续,在数ns时间尺度内,形成一个温度不断上升的黑腔辐射场,利用这种方式,美国圣地亚实验室在电流20 MA的Z装置上获得了约1011的中子产额[11][12]。另一种聚变方案称为磁化套筒惯性约束聚变(MagLIF)[13],不同于间接驱动,它采用金属固体套筒内爆直接压缩经过预热的燃料,利用外加磁场的磁通压缩实现等离子体的磁化,从而降低聚变点火所需的压力条件,这种方案又被称为磁直接驱动,相关的研究正在美国圣地亚国家实验室Z装置上有序开展。我国的Z箍缩ICF研究起步于20世纪末,2009年前后,中物院创新性地提出了Z箍缩驱动的局部整体点火物理思想,初步理论分析表明:在约40 MA电流条件下该方案有可能实现点火[14]。在此基础上,发展了Z箍缩聚变裂变混合堆(Z-FFR)概念[14][15],这一概念的提出有可能推进聚变能源的解决。近年来,围绕Z箍缩局部整体点火概念,中物院在近8 MA的电流水平下开展了一系列的Z箍缩内爆实验,包括动态黑腔、箔套筒和固体套筒等实验构型。这些实验从多个方面加深了对Z箍缩等离子体及黑腔特性的理解,为探索高性能黑腔靶和开展Z箍缩ICF研究提供了基本的实验能力。

    • 国内早期的动态黑腔研究受限于脉冲功率装置的驱动水平,侧重于对低电流下(约1 MA)丝阵Z箍缩基本物理过程的理解,以及发展相应的诊断技术和数值模拟能力[16][17]。随着更高驱动能力脉冲功率装置建成,中物院在7~8 MA的电流水平下开展了一系列的动态黑腔实验[18]。典型的动态黑腔负载如图2(a)(b)所示,采用了双层钨丝阵和低密度泡沫柱结构,钨丝直径为6 μm,内外层丝阵半径分别为5 mm和10 mm,丝数分别为84和168;中心泡沫柱直径4.6 mm,密度为10 mg/cm3图2(c)给出了该负载典型的实测电流以及径向与轴向辐射脉冲波形,获得的径向X射线辐射峰值功率接近30 TW,径向辐射总能量约300 kJ,轴向X射线辐射峰值功率约1.5 TW,相应的辐射能量约为10 kJ。

      图  2  动态黑腔负载构型与负载电流、径向和轴向X射线功率波形测量结果

      Figure 2.  Configuration of dynamic hohlraum and measured current and radial and axial X-ray pulses

      图3给出了典型的动态黑腔径向X射线图像以及从多发实验观测到的等离子体径向内爆轨迹。可以看出,在径向X射线峰前约35 ns时刻,等离子体从丝阵初始位置开始向内加速,在峰前21 ns附近,外层丝阵等离子体到达内层丝阵位置,内外层丝阵相互作用在径向X射线波形上产生较为明显的信号;在峰前约11 ns时丝阵等离子体与泡沫柱碰撞,此后等离子体持续向内压缩,直至峰前约3 ns时刻开始滞止并产生大量的径向辐射。利用等离子体径向内爆轨迹估计出丝阵撞泡沫靶靶速度约为30~40 cm/μs,撞靶后等离子体的平均速度大约为20 cm/μs。图3(a)中峰值时刻附近的内爆图像显示了等离子体柱达到了高度的压缩,最终压缩半径可达 0.5 mm,并且具有较好的均匀性和对称性。

      图  3  钨丝阵动态黑腔X射线内爆图像和等离子体径向内爆轨迹

      Figure 3.  X-ray pinhole images and measured radial plasma trajectories for W array driven dynamic hohlraum

      图4(a)显示了由轴向拍摄的动态黑腔泡沫靶中冲击波的传播过程。整个冲击波的持续时间约为7~10 ns。图4(b)给出了由多个相同负载发次得到的冲击波轨迹,可粗略估计出冲击波的速度大致为20~30 cm/μs。图4(c)给出了对应图4(a)每个时刻的辐射温度径向分布,该分布由轴向X射线辐射功率结合冲击波图像的强度分布计算得到,可以看出,在径向峰前6.6 ns时刻(此时对应的冲击波半径约0.5 mm),辐射温度超过80 eV,而下一时刻当冲击波接近轴心时,辐射温度已接近120 eV。

      图  4  动态黑腔冲击波发射图像、冲击波轨迹与速度以及黑腔辐射温度径向分布

      Figure 4.  Emission images, trajectories and velocity of shock in dynamic hohlraum and radial profile of radiation temperature

      上述实验很好地演示了在7~8 MA快脉冲电流下丝阵Z箍缩动态黑腔的基本特性,通过对负载高度、丝阵和泡沫柱结构参数的优化可以进一步提升动态黑腔的性能(辐射温度和轴向辐射功率)。在动态黑腔泡沫靶中心放置聚变靶丸,可以开展X射线辐射驱动的ICF研究,目前利用动态黑腔辐射场驱动聚变靶丸内爆的实验[19]尚在进行中。此外,动态黑腔的轴向辐射已初步用于不透明度的测量,其结果将在后文中介绍。

    • 金属箔套筒内爆可以为动态黑腔提供一种不同于丝阵的动能加载方式。已有的丝阵Z箍缩实验结果[20][21]表明,在1~26 MA电流范围内,丝阵等离子体内爆初期并未形成均匀的环状壳层结构,而是以单丝的烧蚀过程为主。箔套筒可以提供初始接近均匀的环状结构。图5(a)显示了厚度为2 μm铝箔套筒,其直径为12.8 mm,图5(b)给出了相应的电流、X射线功率以及波套筒等离子体的内爆轨迹,可以看到其内爆轨迹与零维薄壳理论模型的预测结果基本上一致。

      图  5  铝箔套筒负载实物以及箔套筒径向内爆轨迹测量结果与零维薄壳模型比较

      Figure 5.  Al foil load picture and comparison of measured trajectories and zero-dimensional (0D) thin shell calculation

      相较于丝阵,箔套筒的内爆伴随着更强的不稳定性。图6(a)给出了箔套筒内爆过程的激光阴影像,图中标出了薄壳模型预测的套筒半径位置,该半径基本上与套筒的内爆前沿相一致。为了显示的方便图中对轴向的空间尺度进行了压缩,可以看出内爆过程中不稳定性的剧烈发展。为了更清楚地显示不稳定性的增长,图6(b)截取了箔套筒阴影像的外缘部分进行了放大显示。早期套筒表面的扰动幅度大约在200 μm量级,随着内爆的进行,出现了明显了具有“刺(Spike)-泡(Bubble)”结构的扰动特征,“泡”的位置代表了内爆前沿,而“刺”结构则形成内爆的拖尾,到X射线峰值附近,“刺-泡”结构的扰动幅度增长到约3 mm尺度。图6(c)进一步给出了不同时刻“刺-泡”结构的特征位置以及扰动幅度随时间的变化,采用简单的指数拟合,可以得到对不稳定性增长率的估计,约为0.048/ns。

      图  6  铝箔套筒激光阴影图像与内爆不稳定性

      Figure 6.  Laser shadowgraphs of Al foil and implosion instability

      图7给出了箔套筒的早期的X射线自发射内爆图像。由于套筒初始的不均匀性(微细褶皱、缺陷以及接缝等),箔套筒早期的发射图像呈现出明显的不均匀性,总体上这种不均匀性没有表现出特有的特征结构,具有一定的随机性。在后期,图像逐渐出现层状条纹结构,该结构在轴向上具有明显的周期性,特征波长约1 mm,且具有较强的角向关联性。层状结构可能为箔套筒后续内爆不稳定性的发展提供了较大的扰动种子源[22][23]。这是箔套筒不同于丝阵内爆另一个特征。层状结构的产生的原因可能是早期箔套筒的电热不稳定性[24][25],当电阻率与温度存在正依赖特性时,过热不稳定性会形成不均匀的欧姆热,并在温度和密度分布上产生轴向调制结构,进而很快形成具有强角向关联的层状扰动结构。单层箔套筒内爆不稳定性快速增长的另一个原因在于,套筒内部为中空结构,缺少类似雪耙效应的致稳机制[26]。通过在铝箔上涂覆绝缘层来抑制电热不稳定性,以及采用嵌套的多层结构,有望提高箔套筒的内爆性能。

      图  7  铝箔套筒早期发射图像

      Figure 7.  Early emission images of Al foil implosion

    • 磁驱动金属套筒内爆,多用于长脉冲(电流前沿数μs到数十μs)条件下开展的冲击压缩和流体动力学实验[27],由于内爆过程中套筒内表面附近可以保持接近于固体状态的密度,因而称为固体套筒。随着快脉冲功率装置驱动能力的提高,已经能够实现在百ns时间尺度下的固体套筒内爆[28],美国圣地亚实验室的MagLIF聚变概念正是基于快脉冲的固体套筒内爆,该方案已成为美国ICF研究的主要途径之一[29]。可以预见,在未来更大驱动能力的装置上,固体套筒必将成为主要的负载构型,在材料动力学特性以及Z箍缩ICF研究中发挥重要的作用。中物院的研究团队对快脉冲箍缩装置上的固体套筒内爆进行了积极的探索,发展了相应的实验能力,以增进对固体套筒内爆基本物理的理解。

      典型的套筒负载采用了直径5~6 mm、厚约0.2 mm的铝,如图8(a)所示。为了获得明显的固体套筒内爆压缩,利用现有箍缩装置的脉冲波形调节能力,实现了峰值近6 MA,前沿约600 ns的电流输出,如图8(b)所示。在诊断方面,发展了单色X 射线背光照相技术[30]。利用近千焦耳的激光束轰击固体靶材产生X射线对铝套筒进行瞬态背光照相。采用Si作为背光靶,其Heα线(1.865 keV)作为成像光子能量,石英球面晶体作为单色器件,并用成像板记录图像。图8(c)给出了带有正弦预置扰动套筒的X射线背光图像,初始扰动的波长为0.5 mm,幅度为0.15 mm,可以看到,内爆不稳定性使套筒外表面的扰动剧烈增长。图8(d)显示了未加预置扰动和抛光后套筒的背光像,同样具有强烈的不稳定性结构。此外,还发展了一种基于光子多普勒测速技术(PDV)[31][32]的套筒内界面速度测量方法,如图9(a)所示,通过在套筒内部放置了多个平面反射镜,PDV的探针光可以入射到套筒的内表面经过反射后折返,如此可以对套筒内表明多个位置的进行高精度测量。图9(b)给出了PDV测量的套筒内界面速度历程,探头失效前,内界面速度已接近9 km/s,多点测量同时还反映了套筒内界面运动的一致性和对称性。

      图  8  铝固体套筒实验电流和典型X射线背光像

      Figure 8.  Measured load current and typical radiographs for Al solid liner

      图  9  利用PDV测量套筒内界面速度

      Figure 9.  Measuring velocity of the inner liner surface utilizing PDV probes

    • 利用中低Z材料的丝阵Z箍缩能够产生光子能量在keV至数十keV的K壳层X射线辐射。这个能量范围的光子穿透能力弱,容易被物质吸收,与材料相互作用时不仅会在材料中产生热激波,而且会使材料结构发生动态应变、弹塑性变形和动屈曲等一系列的结构响应,可用于材料的X射线热-力学效应研究[33][34]。X射线热-力学研究不仅对国防领域具有重要意义,而且在天体物理、行星科学以及近地目标抑制等领域也存在潜在的应用价值[35]。美国圣地亚实验室的Z装置可以产生超过2 MJ的软X射线(光子能量小于1 keV)[36],而且利用中低Z材料的K壳层辐射在1~15 keV能谱范围内获得了相当高的X射线产额[37],这使X射线热-力学效应相关的高能量密度物理研究推动到一个新的高度。

      利用近8 MA电流驱动双层铝丝阵Z箍缩,可获得铝的K壳层(1.6~2.3 keV)产额达到约65 kJ,K壳层辐射峰值功率超过10 TW,对总的X射线辐射能的贡献约占20%。如图10所示,给出了典型的8 MA双层铝丝阵实验结果。从图像测量可以看出,采用12 mm大半径的双层铝丝阵具有较好的内爆稳定性,实现了较高的径向压缩(径向压缩比超过15),等离子体的内爆速度超过45 cm/μs。从时间积分的光谱测量结果可以清楚地分辨出铝的K壳层谱线,其中最为明显的是类氢离子的谱线系,其次是类氦离子的谱线系,表明相应的铝等离子体被加热到了相当高的温度。

      图  10  双层铝丝阵典型实验结果

      Figure 10.  Typical results from nested Al wire array experiment

      利用铝丝阵K壳层X射线源开展了热-力学效应实验的探索,形成了初步的实验和测试能力。如图11(a)所示,利用铝丝阵Z箍缩X射线均匀对样品进行垂直辐照,厚度为2 mm的圆盘状硬铝样品放置在不锈钢腔体中,样品表面到丝阵中心的距离为5 cm。采用了PDV来测量辐照样品后表面的运动历程,如图11(b)所示。首先,速度曲线上出现了一个明显的速度阶跃,这对应了热激波此时到达后界面,而后在卸载过程中,后界面速度逐渐降低,并趋于平衡的样品整体运动速度。对速度曲线进行积分可得样品总的位移为17 mm,如图11(c)所示,这与飞行腔允许样品飞行的最大距离很好的一致。当前,如何在实验室内产生热-力学效应研究所需的更高光子能量以及更高能注量的X射线源仍然充满挑战。对于K壳层辐射,高光子能量需要更高原子序数的材料,这要求将等离子体加热到更高的温度,所需的内爆速度将更高。对于特定的装置,K壳层的产额随着材料原子序数的增加而降低,因此要产生更高光子能量的K壳层辐射需要更大的驱动电流。

      图  11  X射线热-力学效应实验布局与结果

      Figure 11.  Setup and results of X-ray Thermo-Mechanical effect experiment

    • 辐射不透明度是表征物质对辐射阻止本领的参数。从宇宙大爆炸到恒星演化,大量天文物理过程中的能量传输由局域热平衡等离子体的X射线辐射不透明度支配。辐射不透明度强烈依赖于等离子体温度和密度,因此,开展辐射不透明度实验研究,首先必须创造出具有相应温度密度的等离子体。目前,基于大型脉冲功率装置的Z箍缩,能够产生用于均匀加热的热辐射和用于辐射不透明度诊断的X射线背光。利用Z箍缩加载CH泡沫夹持的中低Z样品,可以在一定范围内对等离子温度密度进行准确调控,并对辐射不透明度进行精确诊断[38][39]。针对太阳内部温度分布问题,美国Z装置开展了铁等离子的辐射不透明度实验研究[40]。实验达到的温度为163~198 eV,电子密度为(0.7~4.0)×1022/cm3,辐射不透明度实验结果比理论预测高30%~400%。该实验结果能够为太阳光球发光谱分析结果与理论计算结果的差异提供一种解释。然而,一方面,目前仍未有理论能够很好地解释该实验结果;另一方面,Z装置上相邻元素的辐射不透明度实验结果与理论计算并没有显现出与之相当的差异,因此,铁的辐射不透明度仍是一个未被解决的问题。

      近年来中物院流体物理研究所利用脉冲功率装置对辐射不透明度实验技术进行了探索。实验所用的Z箍缩动态黑腔轴向热辐射峰值功率~1 TW,用于背光的X射线能量大于1.5 keV,峰值时刻比热辐射晚约2 ns,如图12所示。实验样品采用CH泡沫夹持Al样品结构,采用KAP凸圆柱晶体谱仪记录背光穿透样品后的吸收谱。为了使样品被均匀加热,两层 CH厚度分别为5 μm,Al的面密度为0.027 mg/cm2。二维辐射流体数值模拟显示,在背光峰值时刻,样品中心能够被加热到约80 eV,密度约为1.7 mg/cm3

      图  12  利用动态黑腔分离辐射脉冲测量辐射不透明度原理示意图

      Figure 12.  Sketch of the opacity measurement using separate X-ray pulses from dynamic hohlraums

      在吸收谱测量结果中观测到了Al的类He和类Li离子的K壳层吸收谱线,如图13所示。吸收谱谱线强度、位置和宽度(考虑诊断系统展宽)与细致谱项模型计算的温度为80 eV,电子密度为4×1020/cm3的Al等离子辐射不透明度基本吻合。通过分析类He、类Li、类B离子之间的辐射复合概率和双电子复合概率得知,实验中的Al等离子体主要通过辐射平衡形成了一种接近局域热平衡的状态。后续研究的重点在于:一方面,通过提高诊断系统灵敏度,在加载和背光能力相对较低的条件下,实现对中Z元素辐射不透明度的测量;另一方面,通过设计不同厚度的样品,深入开展辐射跃迁等过程对等离子体状态的影响研究,探索局域热平衡等离子体的产生和维持条件。

      图  13  铝等离子体辐射不透明度吸收谱实验结果

      Figure 13.  Comparison of measured absorption spectrum for aluminum plasma opacity with calculations

    • 大型箍缩装置可以产生强流电子束,通过电子束轰击高Z靶产生的轫致辐射可以获得强脉冲X/γ射线,这对辐射效应科学研究具有重要的意义。图14给出了利用箍缩装置驱动二极管和反射式三极管产生轫致辐射的示意图[41]。电子束二极管采用高Z材料的厚阳极靶,主要产生光子能量在数百keV至数MeV的γ射线;反射式三极管采用薄阳极靶,主要用于产生光子能量<100 keV的硬X射线。美国从20世纪80年代就已开始利用Saturn装置驱动环形二极管产生强脉冲X/γ射线[42];2015年,Saturn装置报道的二极管管电压为1.8 MV,管电流为12 MA,电流脉冲半高宽小于40 ns,在500 cm2均匀面积上,辐射剂量率达5×1010 Gy/s(Si),剂量达400 Gy(Si)[43];另据报道,Saturn装置利用两层磁绝缘线驱动反射式三极管产生的硬X射线在1 m处的剂量率达到1.3×108 Gy/s[44]。国内早期主要在闪光二号、强光一号等装置上开展了二极管实验,其中,闪光二号装置还开展了串级二极管实验[45],获得的平均光子能量约为86 keV,在615 cm2均匀面积内辐射剂量(Si)近3 Gy。

      图  14  二极管和反射式三极管示意图

      Figure 14.  Sketch of the diode and reflex triode

      近年来,中物院流体物理研究所探索了利用大型箍缩装置开展环形二极管和反射式三极管的实验研究。利用百μm厚度钽靶的大面积双环二极管实验获得了2×109 Gy/s靶面剂量率,辐照均匀面积约400 cm2图15(a)(b)分别给出了环形二极管的发射图像,以及获得的管电压波形和剂量率波形。当前环形二极管面临的主要问题在于,现有装置的低阻抗特性决定了较小的阴阳极间隙,等离子体导致间隙过早闭合,影响了二极管最终的性能。后续的研究将进一步对二极管结构进行优化,通过对电极表面采用预处理,以及对钽靶在线加热等手段,延迟二极管闭合时间。反射式三极管的典型实验结果如图16所示,对应了极间隙为6mm的情形。该实验在1 m处获得的峰值剂量率约为2×107 Gy/s;辐射能谱的理论计算结果与堆叠式滤片和LiF剂量片测量结果基本吻合,如图16(b);从对光子能量积分后的剂量曲线可以看出,小于100 keV的硬X射线对Si吸收剂量的贡献占到近80%,如图16(c)

      图  15  双环二极管典型实验结果

      Figure 15.  Typical results of double ring diode experiment

      图  16  反射式三极管典型实验结果

      Figure 16.  Typical results of reflex triode experiment

    • 利用MA级脉冲功率装置大电流产生的强磁场可以产生数十到数百GPa的压力,可以广泛运用到极端条件下材料动力学特性方面的研究[46]-[48]。如图17,当电流流过平行放置的阴极和阳极时在厘米量级的阴阳极间隙空间内产生近似均匀的平行磁场,平行磁场和平面电极通过J×B的方式相互作用传递压力。利用较为平缓且上升沿较长(约μs)的电流波形可以产生较为平滑上升的压力波,实现对样品的无冲击压缩,开展材料的准等熵动态特性研究。利用上升沿较快(几百ns)的电流波形可以驱动飞片到几十km/s的速度,利用飞片撞击样品可以产生数百GPa的冲击压强,开展材料的Hugoniot特性研究。

      图  17  磁驱动材料动态特性研究原理图错误!未找到引用源。

      Figure 17.  Sketch for the dynamic characteristic research of magnetically driven materials

      美国圣地亚实验室的Z/ZR装置开展了大量磁加载材料动态特性方面的实验。在准等熵材料动态特性实验研究方面,Z装置成功将钽样品以准等熵压缩的方式加载到400 GPa[49]-[51],铜样品450 GPa、金样品500 GPa;美国利用柱面构型的加载方式将铜样品准等熵加载到1 TPa[52]。在冲击压缩实验研究方面,ZR装置利用磁驱动的方式产生速度为45 km/s[53]的铝飞片,24 km/s的铜飞片,具备1~2 TPa的冲击加载能力。

      国内在数MA的电流驱动能力下开展了大量的材料动态特性实验。在准等熵压缩实验研究方面,基于目前国内脉冲功率装置的电流波形调控能力,中物院流体物理所发展和建立了准等熵加载所需的电流调控设计技术和样品、电极设计技术,以实现磁驱动准等熵加载路径的精确控制;开展了准等熵实验研究,利用7MA、420 ns的加载电流驱动6.5 mm宽的铜电极,将无氧铜(OFHC)样品以准等熵压缩的方式加载到大于200 GPa的状态[54],如图18(a),将HR2钢、钽和钨等样品加载到~150 GPa。在冲击压缩的飞片实验方面,利用7 MA的驱动电流在~0.8 μs时间、在4 mm的加速距离内将20×10×0.9 mm的铝飞片加速到~10 km/s,同时利用飞片撞击Cu靶,获取了铜样品在270 GPa附近的冲击Hugoniot数据,如图18(b)

      图  18  磁加载材料动态特性典型实验结果[54]

      Figure 18.  Typical experimental results of magnetically driven dynamical material characteristic

    • 天体射流(jets)是银河系和宇宙中最常见的天文现象,它具有高准直和高马赫数的特点[54]。射流的产生机制以及其伴随的高能X射线发射过程一直是天体物理学家的研究热点。高功率脉冲功率装置可以在毫米量级空间创造高能量密度物理条件用于在实验室模拟天体物理过程,前提是二者之间必须满足一定的标度变换关系[56][57]。目前,实验室创造的极端条件虽然无法模拟活动星系核的相对论射流(AGN Jets),但是研究速度约100 km/s量级的年轻恒星射流(YSO jets)是可能的。天体物理学家认为恒星射流有可能是磁场驱动产生的[58]。带有初始角向磁场的年轻恒星通过自转将角向磁场逐渐转,最终形成“磁塔(Magnetic Tower)”结构。帝国理工大学的研究人员通过数值模拟计算发现,在脉冲功率装置上通过径向薄膜Z箍缩可以产生类似天体射流的磁场结构[59],他们在1 MA,250 ns的MAGPIE装置上采用厚度为15 μm、直径40 mm的薄膜开展了径向薄膜产生射流的实验[60],产生了具有磁塔结构的射流。

      国内方面,流体物理研究所研究团队在大型脉冲功率装置上利用磁驱动金属箔的方式成功模拟了恒星射流,在更大的参数(空间、速度)范围验证了磁驱动射流的产生机制[61]。实验利用电流驱动50 μm的径向铝薄膜产生长度约10 cm,速度约200 km/s的射流。利用射流撞击铝靶的实验中,显示铝靶内产生了1.63 km/s的粒子速度,获得的冲击波压力达到33 GPa。

      在天体射流的X射线辐射方面,年轻恒星的高温X射线不能被已知的一些物理机制解释[62]。例如通常的星风加热机制[63][64]和射流内部的冲击波加热机制[65]来解释都已失效。流体物理所的Z箍缩研究团队利用磁驱动的金属箔来模拟射流中X射线的辐射过程,以研究恒星射流中X射线的产生机制。如图19,利用峰值约7 MA、上升沿90 ns的电流加载到6 μm金属箔上,形成了射流和磁腔,射流形成过程中伴随有大量软X射线释放,脉宽持续几十ns,能量约几十kJ,同时观察到了大量的硬X射线(10~150 keV)产生,剂量率达到107 Gy/s,能量约100 J。

      图  19  金属箔射流实验设置与典型结果

      Figure 19.  Setup and typical results of the foil jet experiments

    • 磁化靶聚变(magnetized target fusion,MTF)是一种介于磁约束和惯性约束的中间途径聚变概念,即把等离子体预先磁化并加热到适中温度和密度,再用电磁驱动的套筒内爆准等熵压缩到10 keV温度,以达到点火判据要求的状态。MTF通常包括三个主要物理过程:(1)预加热磁化等离子体靶形成:首先在等离子体注入器的区域内产生中等密度(1017 cm-3)的高温(200 eV)等离子体;并冻结中等大小(2 T)的轴向磁场在等离子体中;(2)在合适的时间内,将等离子体从产生区传输到套筒区;(3)利用固体套筒对等离子体靶进行惯性压缩:固体套筒通过MA量级的轴向电流,在径向洛仑兹力作用下,能在约10 μs的时间内以1 cm/μs的速度向内压缩等离子体。由于压缩套筒做功,等离子体的密度和温度分别会升高到1019 cm-3和10 keV,其中冻结的磁场也会升高到500 T,从而达到点火条件。压缩过程过程绝大部分时间套筒都保持固体状态,可以显著抑制传统惯性约束聚变中的瑞利-泰勒不稳定性发展;同时强磁场的存在也避免了等离子体与套筒壁之间的热传导和混合。反场构型(field reversed configuration, FRC)是MTF的一种实验构型,FRC是一种大长径比、自组织的环形等离子体,因而FRC中基本只有环向的等离子体电流和极向的磁场,能够从根源上杜绝磁约束聚变中磁面破裂。此外,相对于其他等离子体,FRC没有中轴导体,其比压值β(磁压和热压之比)很高,密度和温度也较高,因而容易在实验室内采用相对较小的装置产生并控制转移。

      国内有多家单位参与和开展了FRC研究[66-70]。中物院建成了“荧光-1”装置,以高密度FRC聚变为目标,主要开展MTF预加热磁化等离子体靶形成以及等离子体靶约束性质的实验研究[6]。装置上发展的包括激光干涉仪[71]在内的多项创新诊断技术已获得初步的物理实验结果。在轴向强磁场环境下感应耦合放电实验中,验证了初始磁场0.3 T、预电离场0.16 kV/cm及充气压力8 Pa的条件下,可基本保证等离子体完全电离。在形成实验中,分别验证了氩在初始磁场0.2 T、预电离场0.16 kV/cm、主场1.7 T及充气压力8 Pa的条件下,氢在初始场0.2 T、预电离场0.20 kV/cm、主场2.6 T及充气压力8 Pa条件下,“荧光-1”装置可以稳定产生FRC靶[72]。得到的靶参数为平均密度3.3×1016 cm-3、温度212 eV[7]。实验中观察到了较为清晰的等离子体收缩形成FRC靶物理过程,如图20所示,图中黄色框内(571 μs前)为预电离末期,红色框内(571.5 μs至575 μs)为主场启动后上升沿内靶形成过程,绿色框内(576.5 μs后)为主场峰值后磁压下降的靶耗散过程。同时利用电路仿真结果与实验对比给出了影响夹断开关性能的主要因素[73]

      图  20  端部分幅相机获得的FRC形成过程[72]

      Figure 20.  The forming process of FRC captured by end framing camera

    • 大型脉冲功率箍缩装置为开展高能量密度物理研究提供了不可多得的实验平台,经过近二十年的努力,脉冲功率驱动的高能量密度物理实验能力已经取得了长足的发展。在现有装置上,能够对Z箍缩驱动ICF多个方面的基础问题和关键技术开展实验验证和探索。Z箍缩动态黑腔实验中获得了约100 eV的辐射温度,利用动态黑腔产生的X射线驱动聚变靶或模拟靶的实验正在进行中,届时将增进对于这一聚变途径的理解;通过对箔套筒和固体套筒内爆研究,来探索更加优化的Z箍缩构型,以及发展更先进的脉冲功率聚变概念;同时开展的还有反场构型磁化靶聚变研究,实验演示了预加热磁化等离子体靶形成。这些工作将为未来更大驱动能力的装置论证以及其上的聚变实验提供必要的技术基础和经验。脉冲功率驱动的高能量密度物理实验的一个重要方面与强辐射源相关。利用不同的技术途径,可以产生从1 keV左右的软X射线到数MeV的γ射线,大型脉冲功率装置具备的近10 MA电流的驱动能力,使得这些辐射的产额达到了相当可观的程度,基于强辐射源的一些重要应用因此成为可能。不同技术途径决定了辐射源能谱的差异,同时也对应了不同的应用范围,如利用动态黑腔产生的类黑体辐射可用于开展高温等离子体的辐射不透明度测量,初步获取了铝材料在80eV左右温度的吸收谱;利用中低Z材料高速内爆可以产生数keV的K壳层线辐射,用于X射线热-力学效应测试;利用二极管和反射式三极管电子束打靶产生的轫致辐射,可用于开展硬X射线和γ射线的辐射效应研究,从而推动抗辐射电子学和抗辐射加固技术的发展。在磁加载材料动态特性方面,利用大型脉冲功率装置的电流波形调控能力,可以实现对磁驱动加载路径的精确控制,目前已经具备了大于200 GPa的准等熵压缩加载能力和270 GPa的冲击加载能力。大型箍缩装置的多用途特性,也提供了在实验室开展天体物理研究的机会,利用磁驱动的径向金属箔成功地模拟了恒星射流的磁塔结构,有助于解释恒星射流中的X射线辐射机制。

      随着脉冲功率技术的发展以及实验与诊断技术的不断提高,大型箍缩装置将提供更多的高能量密度物理研究机遇。当前研究的主要任务,一方面是创新物理概念和设计,突破关键技术瓶颈,以尽可能地产生更广参数范围的高能量密度状态,通过实验理解所达到的参数范围内高能量密度系统的基本行为,发展相应的理论与数值模拟方法,并利用实验数据对物理模型和数值方法进行系统的检验和校正,通过理论模拟与实验的结合在宽广的参数范围内建立可信的物理定标,以获得从现有装置到更大驱动能力条件下高能量密度系统性能的外推。另一方面,需要更加积极地拓展现有装置上高能量密度系统的应用,明确需求和实际目标,强化基础研究,提出切实可行的方案设计,使其在前沿科学和引领技术领域发挥更大的推动作用。

      致 谢 本文作者感谢所有参与上述实验的装置运行人员以及相关装置的研制人员,北京应用物理与计算数学研究所、中物院核物理与化学研究所的相关人员对本文中的部分实验具有贡献,感谢中物院激光聚变研究中心为本文中的多数实验提供了制作精良的负载。

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