Z箍缩Al等离子体负载1维辐射磁流体性能模拟.pdf

Z箍缩A l等离子体负载1维辐射磁流体性能模拟程临颍1,杨海亮2,李 沫2,王亮平2,魏 浩2,姚伟博2,孙凤举2,邱爱慈1(1.西安交通大学 电气工程学院,西安7 1 0 0 4 9;2.强脉冲辐射环境模拟与效应全国重点实验室 西安7 1 0 0 2 4)摘 要:针对A l丝阵负载进行Z箍缩内爆模拟,计算A l等离子体负载Z箍缩内爆时间、流体速度及滞止阶段K壳层X射线辐射功率等参数,分析A l等离子体Z箍缩动力学及K壳层辐射相关性能。对初始半径r为6 mm,线质量分别为6 8,1 0 2,1 3 6,2 0 4 gc m-1的A l等离子体进行1维Z箍缩内爆模拟。模拟结果表明:A l等离子体壳层在最终压缩比为0.1时,Z箍缩内爆时间随线质量增大而增大,等离子体壳层平均流体速度和平均离子温度随线质量增大而减小,流体速度达1 05 ms-1量级,平均电子数密度达1 02 0 c m-3量级以上。依据Z箍缩动力学模拟获得的温度、密度及速度等参数进行X射线能谱计算,A l等离子体K壳层X射线辐射功率随线质量变化趋势与实验结果符合较好。在4种线质量中,1 0 2 gc m-1 A l等离子体K壳层X射线辐射功率最大,为6 4.5 4 GW,该线质量A l等离子体壳层在Z箍缩最终压缩比时所产生的L y-谱线强度最大,为1.5 GWe V-1,且1 5 0 02 3 0 0 e V能段范围 K壳层X射线辐射能段中L y-谱线和H e-谱线的占比为3 2.3%。线质量为1 0 2 gc m-1时,A l等离子体的线辐射功率和连续辐射功率均有提升。关键词:Z箍缩;1维辐射磁流体;A l等离子体;X射线辐射中图分类号:T L 6 3 2;O 4 3 4文献标志码:A D O I:1 0.1 2 0 6 1/j.i s s n.2 0 9 5 6 2 2 3.2 0 2 3.0 2 0 4 0 2收稿日期:2 0 2 2 1 1 1 0;修回日期:2 0 2 3 0 3 1 6基金项目:国家自然科学基金资助项目(5 1 7 9 0 5 2 4,5 1 7 9 0 5 2 1)通信作者:杨海亮(1 9 6 8-),男,山东诸城人,研究员,博士,主要从事核技术与应用研究。E-m a i l:y a n g h a i l i a n g n i n t.a c.c n1-D S i m u l a t i o n o f R a d i a t i v e M a g n e t o-H y d r o d y n a m i c sP r o p e r t i e s o f Z-p i n c h A l P l a s m a L o a d i n gCHE NG L i n y i n g1 YANG H a i l i a n g2 L I M o2 WANG L i a n g p i n g2 WE I H a o2 YAO W e i b o2 S UN F e n g j u2 Q I U A i c i1 1 E l e c t r i c a l E n g i n e e r i n g s c h o o l X i a n J i a o t o n g U n i v e r s i t y X i a n 7 1 0 0 4 9 C h i n a 2 N a t i o n a l K e y L a b o r a t o r y o fI n t e n s e P u l s e d R a d i a t i o n S i m u l a t i o n a n d E f f e c t X i a n 7 1 0 0 2 4 C h i n a A b s t r a c t T h i s a r t i c l e s i m u l a t e s t h e Z-p i n c h i m p l o s i o n o f A l w i r e a r r a y l o a d s c a l c u l a t e s t h e Z-p i n c h i m p l o s i o n t i m e f l u i d v e l o c i t y a n d K-s h e l l X-r a y r a d i a t i o n p o w e r d u r i n g t h e s t a g n a t i o n s t a g e o f A l p l a s m a l o a d s a n d a n a l y z e s t h e Z-p i n c h d y n a m i c s o f A l p l a s m a a n d t h e r e l a t e d p r o p e r t i e s o f K-s h e l l r a d i a t i o n T h e o n e-d i m e n s i o n a l Z-p i n c h i m p l o s i o n s i m u l a t i o n i s 1-204020第1 4卷 第2期2 0 2 3年6月现 代 应 用 物 理MO D E R N A P P L I E D P HY S I C SV o l.1 4,N o.2J u n.2 0 2 3c a r r i e d o u t f o r A l p l a s m a w i t h i n i t i a l r a d i u s r o f 6 mm a n d l i n e m a s s o f 6 8 1 0 2 1 3 6 a n d 2 0 4 g c m-1 r e s p e c t i v e l y T h e s i m u l a t i o n r e s u l t s s h o w t h a t w h e n t h e f i n a l c o m p r e s s i o n r a t i o o f t h e A l p l a s m a s h e l l i s 0 1 t h e Z-p i n c h i m p l o s i o n t i m e i n c r e a s e s w i t h t h e i n c r e a s e o f l i n e m a s s a n d t h e a v e r a g e f l u i d v e l o c i t y a n d a v e r a g e i o n t e m p e r a t u r e o f t h e p l a s m a s h e l l d e c r e a s e w i t h t h e i n c r e a s e o f l i n e m a s s T h e o r d e r o f f l u i d v e l o c i t y i s 1 05 m s-1 a n d t h e o r d e r o f a v e r a g e e l e c t r o n d e n s i t y i s a b o v e 1 02 0 c m-3 B a s e d o n t h e t e m p e r a t u r e d e n s i t y v e l o c i t y e t c o b t a i n e d f r o m t h e s i m u l a t i o n o f Z-p i n c h d y n a m i c s X-r a y e n e r g y s p e c t r u m c a l c u l a t i o n s a r e c o n d u c t e d T h e t r e n d o f X-r a y r a d i a t i o n p o w e r o f A l p l a s m a K-s h e l l l a y e r w i t h l i n e m a s s c h a n g e s i s i n g o o d a g r e e m e n t w i t h e x p e r i m e n t a l r e s u l t s Am o n g t h e f o u r l i n e m a s s e s t h e m a s s o f 1 0 2 g c m-1 A l p l a s m a K-s h e l l X-r a y r a d i a t i o n p o w e r i s t h e h i g h e s t 6 4 5 4 GW T h e L y-l i n e i n t e n s i t y g e n e r a t e d b y t h e Z-p i n c h f i n a l c o m p r e s s i o n r a t i o o f 1 0 2 g c m-1 A l p l a s m a s h e l l i s 1 5 GW e V-1 T h e s m a l l e s t r a t i o o f A l p l a s m a L y-a n d H e-s p e c t r a l l i n e p o w e r t o K-s h e l l X-r a y r a d i a t i o n p o w e r c a n r e a c h 3 2 3%Wh e n t h e l i n e m a s s i s 1 0 2 g c m-1 t h e l i n e r a d i a t i o n p o w e r a n d c o n t i n u o u s r a d i a t i o n p o w e r o f t h e A l p l a s m a a r e b o t h i m p r o v e d K e y w o r d s Z-p i n c h 1-D r a d i a t i v e m a g n e t o-h y d r o d y n a m i c s A l p l a s m a X-r a y r a d i a t i o n Z箍缩是丝阵或气体负载等离子体在通过兆安量级脉冲大电流(上升前沿约1 0 0 n s)时激发磁场,并在洛伦兹力的驱动下沿径向快速向轴线作内聚运动,从而产生高温、高密、高压、高速和强辐射等极端环境,可用于高能密度物理、惯性约束聚变及实验室天体物理等相关方面研究14。金属丝阵是Z箍缩内爆等离子体主要负载构型之一56,其内爆动力学基本可分为丝烧蚀形成单丝等离子体、单丝等离子体融合形成等离子体壳层、等离子体壳层内爆、等离子体滞止、热化及辐射6个过程。D e e n e y等7对双层嵌套丝阵负载进行Z箍缩实验,获得输出功率约2 8 0 TW,能量约1.9 M J的X射线辐射能量。E s a u l o v等8提出了金属丝阵动力学模型,用于描述双层嵌套式金属丝阵负载的内爆动力学行为,估计了内爆时间和动能等参数。北京应用物理与计算数学研究所丁宁等9采用薄壳模型,计算了不同丝阵质量、丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成丝阵的内爆时间、内爆轨迹及内爆速度等,并给出了一定负载驱动电流下金属丝阵的最佳参数。国内相关院所进行了丝阵负载Z箍缩的研究,开展了装置负载匹配1 0、A l丝阵的K壳层辐射、平面丝阵内爆动力学及钨丝阵功率定标等实验研究1 11 2。目前,对于金属丝阵Z箍缩内爆阶段和滞止热化辐射阶段的计算,通常使用公式对最终压缩比时的参数进行粗估,较少体现Z箍缩过程各时刻变化情况,本文采用1维辐射磁流体程序,不仅可计算Z箍缩过程中等离子体动力学