趙學水 杜衛(wèi)星 陳定陽 周林 葉繁 楊建倫 徐榮昆 許澤平 李正宏

摘 要：準球形電磁內爆能提高Z-pinch等離子體能量加載效率，利用位置調節(jié)絲陣負載能夠實現(xiàn)Z-pinch準球形電磁內爆。為滿足位置調節(jié)絲陣負載實現(xiàn)準球形電磁內爆的需求，開展準球形絲陣負載成形技術研究。實驗中在柱形絲陣基礎上，利用高電壓靜電力拉展、通過調節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)進行實時調整和測量，獲得具有不同初始縱橫比的準球形絲陣，已成功應用于強光一號裝置準球形電磁內爆物理實驗，獲得X光15%轉換率。

關鍵詞：絲陣；準球形內爆；初始縱橫比；Z箍縮

文獻標志碼：A 文章編號：1674-5124（2017）12-0012-04

Abstract： The quasi-spherical implosions can increase the energy loading efficiency of Z-pinch plasma and the Z-pinch quasi-spherical implosions can be realized by adjusting the wire array load. To realize the quasi-spherical implosions by adjusting the wire array load， study on the load forming technology of quasi-spherical wire array is carried out. In the test， on the basis of cylindrical wire array， high voltage and electrostatic force are used and regulating and monitoring systems are used for real-time adjustment and measurement. Quasi-spherical wire arrays with different aspect ratio are obtained. They have been successfully applied for the quasi-spherical implosions test of Qiangguang-I facility and realized 15% conversation of X-ray.

Keywords： wire array； quasi-spherical implosion； initial aspect ratio； Z-pinch

0 引 言

Z箍縮動態(tài)黑腔具有能量轉換效率高、結構簡單的特點，在慣性約束聚變[1-4]以及聚變能源[5-8]研究方面具有潛在應用價值。當前，實現(xiàn)聚變點火需進一步提高黑腔輻射場溫度，除了提高負載驅動電流，使用具有空間三維內爆壓縮特性的準球形內爆代替柱形內爆從而提高內爆等離子體能量加載密度也是一項重要技術[9-10]。

為了實現(xiàn)準球形內爆，國外研究人員普遍建議使用質量調制負載，即負載形狀為球形，且其質量沿著緯度存在特定分布，以平衡球形負載磁壓沿緯度的變化，從而實現(xiàn)不同位置處等離子體能夠同時內爆聚心。理論上，這種負載可以使用套筒結構或者絲籠（wires basket）結構[10]，但受制于負載制備技術難題，該設想還未能在實驗上真正實現(xiàn)。對國內外的快Z箍縮實驗平臺而言，其匹配負載質量較低，絲陣仍然是目前最佳的負載類型，使用絲陣形成質量調制的球形負載難度很大。到目前為止，僅英國帝國理工大學和俄羅斯新能源研究所分別利用MAGPIE和Angara-5-1裝置進行了探索性實驗研究[11-14]。

國內研究團隊創(chuàng)新提出了一種基于負載初始位置調節(jié)實現(xiàn)準球形內爆的物理思想[15-16]，通過控制負載的初始位型，使等離子體內爆至泡沫轉換體表面時形成準球形結構，從而在泡沫轉換體表面能量加載密度時提高等離子體內爆，為研究準球形動態(tài)黑腔開辟了新技術路徑。

強光一號裝置是一臺峰值電流可達1.5 MA，10%～90%上升沿約80 ns的脈沖強流加速器，研究人員在該實驗平臺上開展了大量絲陣Z箍縮基礎物理研究[17-19]。為了在強光一號裝置開展準球形電磁內爆實驗對上述想法進行驗證，開展了準球形絲陣負載成形技術研究，利用靜電力拉伸，通過調節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)進行實時調整和測量，獲得了具有不同初始縱橫比的準球形絲陣。實驗結果顯示，在縱橫比1∶1附近，觀察到了有聚心特征的內爆行為。

1 技術原理

準球形絲陣負載成形技術建立在柱形絲陣負載制備基礎上，負載初始形狀為柱形[20]。強光一號裝置陰陽極之間距離在抽真空后會縮短2～3 mm，利用這一特性，將柱形絲陣成形為準球形絲陣的技術原理如圖1所示。將柱形絲陣的金屬絲兩端分別與陰陽極形成固化接觸極且能導電；因為真空狀態(tài)下陰陽極之間距離縮短使金屬絲松弛，通過與金屬絲電連接的電極將靜電高壓加在金屬絲兩端，靜電力拉展使金屬絲膨脹為拋物線形狀，從而獲得具有一定初始縱橫比的準球形絲陣負載。

圖1為負高壓情況下準球形態(tài)下絲陣區(qū)靜電場分布，能夠對影響金屬絲表面場強的結構因素進行定性分析，為選擇一種較優(yōu)化的設計提供參考。

如圖2所示，初始縱橫比是指準球形絲陣軸向高度（H）與最大直徑（2R）的比值，該數(shù)值的好壞與準球形的形成有很大關系，初始縱橫比與金屬絲長度（與初始狀態(tài)下絲陣高度相同）、陰陽極位置絲陣半徑和陰陽極距離縮短量有關。為了使等離子體在內爆過程中保持良好電流通道，準球形絲陣負載設計采用錐臺等形狀的電極。

2 負載成形結構設計

根據(jù)負載成形技術原理，設計了圖3所示的負載成形結構，包括兩大關鍵結構組件：高壓加載組件和陰陽極距離調節(jié)組件，前者為絲陣成形提供靜電高壓加載，后者調節(jié)控制負載初始縱橫比。絲陣負載中心設置高壓電極，與陽極緊密接觸，高壓電源輸出的靜電高壓通過該電極加載至絲陣上，絲陣與回流筒等外圍結構之間的電勢差產生強電場，絲陣受靜電力拉展而膨脹為準球形。

3 負載成形工藝流程

通過實驗室工藝流程探索和強光一號裝置流程檢驗，確定了負載成形工藝流程如下。

3.1 大氣環(huán)境加載靜電高壓測試

在絲陣負載安裝至加速器前，通過高壓電極對其進行大氣環(huán)境下加載靜電高壓測試。該測試用于檢測絲陣裝配技術狀態(tài)，對具有結構損傷或者與電極連接不牢固的金屬絲并進行更換，保證絲陣負載與加速器耦合固定后加載高壓成形過程順利。

3.2 絲陣負載與加速器陰極固定

將絲陣負載安裝于加速器陰極并固定，絲陣負載外圍的3根定位桿將負載陰極與陽極連接并固定，保證柱形絲陣負載的初始高度滿足實驗設計值，此設計能保證陰陽極的同軸度和平行度。

3.3 安裝回流筒

金屬回流筒同軸地套在絲陣的外面，其位置需適應已經就位的絲陣位置，使其與絲陣負載同軸，實驗時，位置調整合適后用壓板將回流筒與裝置陽極板壓緊固定即可。在柱形絲陣實驗中，柱形絲陣陽極片與回流筒之間是緊固連接在一起。球形絲陣與此有所差異，為了滿足調節(jié)負載縱橫比的要求，絲陣陽極在回流筒內可沿Z軸平移，陽極固定在平移臺上。

3.4 拆除絲陣定位桿

用鉗子夾緊定位桿的桿體，向遠離絲陣的方向拔出。由于絲陣中金屬絲本身處于拉直狀態(tài)，同時負載陰、陽極和定位桿是緊密貼合狀態(tài)，拆除定位桿易造成金屬絲受拉力而斷裂，為了提高負載安裝成功率，實驗采取如下工藝措施：1）連接并緊固陽極桿和位移調節(jié)平臺；2）調節(jié)位移平臺向陰極方向移動小量位移，使得陽極、陰極和定位桿之間為緊壓配合狀態(tài)；3）安裝壓板壓緊陽極片使得絲陣陽極片保持朝向陰極方向的壓緊狀態(tài)，保證在拔出定位桿過程中陽極無法產生遠離陰極的位移；4）拆除定位桿，整個過程中負載陽極與陰極間距保持不變，保證金屬絲不受拉力而損壞；5）旋轉位移調節(jié)平臺的軸向調節(jié)桿，使負載陽極向陰極靠近約1 mm，此時金屬絲為松弛狀態(tài)，能夠避免后續(xù)可能的誤操作造成對絲陣的拉扯；6）拆除壓板，解除對調節(jié)平臺調節(jié)方向的限制。

3.5 連接靶室外調節(jié)機構和靶室內陽極調節(jié)桿

連接前測量絲陣與加速器間電阻，確認中心絲陣與外圍金屬電極絕緣良好。將高壓電纜與絲陣負載中心的高壓電極相連。蓋上真空腔蓋板，將位于蓋板中心的靶室外調節(jié)機構與陽極回流罩上調節(jié)平臺中的軸向調節(jié)桿相連。通過該步驟使我們可以在加速器真空腔外通過調節(jié)機構來調節(jié)負載陰陽極間距。

3.6 加載靜電高壓，獲得滿足實驗要求的準球形絲陣負載

通過調節(jié)機構增大負載陰極與陽極的間距，使絲陣呈有序拉直狀態(tài)；逐步提高靜電高壓，同時減小陰極和陽極的間距，該距離可通過負載監(jiān)測系統(tǒng)實時觀察，直至陰極和陽極間距滿足物理實驗要求。

4 研制結果

圖4為準球形絲陣成形不同階段絲陣負載狀態(tài)照片，圖4（a）初始柱形絲陣狀態(tài)，支撐桿未拆除，拆除后縮短陰陽極之間距離，絲陣變松弛，見圖4（b），圖4（c）為加靜電高壓之后呈拋物線狀的絲陣，即為具有準球形的絲陣，通過調整靜電高壓和陰陽極之間距離即可獲得不同形狀的絲陣以滿足不同實驗需求。

與文獻[12-14]中使用輔助靜電環(huán)的方法相比，本方法能夠實現(xiàn)初始縱橫比可控可調，同時，徑向診斷視野完全不受影響，便于實驗診斷的綜合布局。

圖5為強光一號裝置絲陣內爆實驗典型結果，絲陣由32根直徑為4.2 μm鎢絲構成，初始半徑和高度分別為4.0 mm、15.4 mm，初始縱橫比為1∶1，圖像顯示，等離子體具有較好匯聚特征的內爆行為和聚心狀態(tài)。

5 結束語

為了在強光一號裝置上開展準球形內爆物理實驗，開展了準球形絲陣負載成形技術研究，利用靜電力拉伸、通過調節(jié)和監(jiān)控系統(tǒng)進行實時調整和測量，獲得了具有不同初始縱橫比的準球形絲陣，滿足了物理實驗需求。實驗中，電極和回流柱結構會影響絲陣表面的靜電場強分布，從而影響金屬絲所受的拉力，在靜態(tài)條件下開展了數(shù)值模擬已獲得一種較優(yōu)化的結構。通過工藝流程探索和改進，提高了負載安裝和成形的成功率，成功獲得了不同初始縱橫比的準球形絲陣負載，為物理實驗的圓滿成功提供了技術保證，實驗中已觀察到了有聚心特征的內爆行為，說明準球形絲陣是一種具備先進水平的絲陣。

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（編輯：劉楊）