張金海，李 沫，孫鐵平，王亮平，李 陽(yáng)，吳撼宇，叢培天，盛 亮，邱愛(ài)慈

(1.西北核技術(shù)研究所 強(qiáng)脈沖輻射環(huán)境模擬與效應(yīng)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，陜西 西安 710024；2.清華大學(xué) 工程物理系，北京 100084)

在MA級(jí)絲陣Z箍縮中，金屬絲表面很早即發(fā)生電壓擊穿，絲表現(xiàn)為冷啟動(dòng)，呈典型芯暈結(jié)構(gòu)。絲陣在全局磁場(chǎng)作用下向內(nèi)消融，消融等離子體沿軸線呈準(zhǔn)周期調(diào)制分布，調(diào)制波長(zhǎng)與絲材料密切相關(guān)。文獻(xiàn)[1-4]根據(jù)MAGPIE裝置上的不同材料金屬絲陣消融過(guò)程的圖像，獲得Al和W的調(diào)制波長(zhǎng)分別約為0.5 mm和0.25 mm。文獻(xiàn)[5-6]在1 MA-ZEBRA裝置上研究了預(yù)脈沖調(diào)制對(duì)絲陣早期演化過(guò)程的影響，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)早期不同狀態(tài)直接影響絲陣后續(xù)的內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)和X射線輻射產(chǎn)額，一定范圍內(nèi)預(yù)脈沖電流上升速率越快，輻射產(chǎn)額越高。而在MAGPIE裝置上開(kāi)展的預(yù)脈沖(15 kA或35 kA，約500 ns)條件下的Al絲陣實(shí)驗(yàn)，輻射功率和產(chǎn)額縮小約30倍，原因是長(zhǎng)時(shí)間預(yù)脈沖加速了磁瑞利-泰勒不穩(wěn)定性的發(fā)展[7]。

為了改變絲芯物理狀態(tài)，國(guó)內(nèi)外開(kāi)展了一系列1～5 kA的小電流裝置上單絲實(shí)驗(yàn)。Sarkisov[8-9]在正極性快脈沖(150 A/ns)條件下實(shí)現(xiàn)了Al絲和鍍膜W絲的幾乎完全氣化，大幅提高了絲芯的能量沉積；Wu等[10-11]在負(fù)極性快脈沖條件下實(shí)現(xiàn)了Al絲和鍍膜W絲的幾乎完全氣化；Shi等[12]在負(fù)極性快脈沖條件下，通過(guò)增加絕緣閃絡(luò)開(kāi)關(guān)改變徑向電場(chǎng)分布，實(shí)現(xiàn)了裸W絲的幾乎完全氣化。但考慮到絲陣早期消融呈現(xiàn)一定的單絲行為，上述研究中實(shí)驗(yàn)電流較小，氣化絲芯電離較少，因而未能給出絲芯物理狀態(tài)改變對(duì)芯暈演化特性尤其是暈等離子體不穩(wěn)定性出現(xiàn)和發(fā)展的影響?；诳熘本€脈沖變壓器(FLTD)，本文考慮在數(shù)十kA電流下實(shí)現(xiàn)Al單絲早期物理狀態(tài)的調(diào)控，并獲得其對(duì)后續(xù)芯暈演化特性的影響。

1 實(shí)驗(yàn)布局

FLTD平臺(tái)包含12個(gè)支路，每個(gè)支路由兩個(gè)電容器和1個(gè)氣體開(kāi)關(guān)組成，充電電壓25～100 kV可調(diào)，不同電壓下電流上升時(shí)間(約100 ns)相當(dāng)，峰值電流隨充電電壓的增大而增大；輸出正負(fù)極性可調(diào)，充電電壓較低時(shí)，正負(fù)極性均正常工作，提高充電電壓，負(fù)極性工作時(shí)存在電流損失，而正極性工作正常。圖1為用于Z箍縮實(shí)驗(yàn)的FLTD平臺(tái)示意圖，實(shí)驗(yàn)在真空條件下進(jìn)行，分子泵出口處的真空低于10-3Pa時(shí)進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。圖2a為負(fù)載區(qū)的結(jié)構(gòu)示意圖，采用羅氏線圈測(cè)量通過(guò)負(fù)載的電流，采用同軸型水電阻分壓器測(cè)量負(fù)載電壓，圖2b為電容器充電±30 kV時(shí)正負(fù)極性輸出的電壓電流波形，負(fù)載端的電壓與電容器充電電壓相當(dāng)。實(shí)驗(yàn)用Al絲的直徑為15 μm，長(zhǎng)度分別為2 cm和0.75 cm。

圖1 FLTD平臺(tái)示意圖Fig.1 Schematic diagram of FLTD

圖3為FLTD平臺(tái)等離子體光學(xué)診斷系統(tǒng)布局。光路設(shè)計(jì)為兩路陰影圖像，一路干涉圖像，激光波長(zhǎng)532 nm。兩幅陰影圖像通過(guò)延長(zhǎng)光路設(shè)計(jì)延時(shí)，時(shí)間間隔約15 ns或8 ns，兩條光路呈30°；干涉光路則基于Mach-Zehnder光路，成像系統(tǒng)均采用雙透鏡4f成像方式，采用Canon相機(jī)記錄圖像。選用光電探測(cè)器THORLABS-DET10A-M記錄激光出光時(shí)刻，與電流信號(hào)關(guān)聯(lián)用于確定和調(diào)整拍照時(shí)刻。

圖2 基于FLTD平臺(tái)的Z箍縮負(fù)載(a)和不同極性輸出的電流、電壓波形(b)Fig.2 Z-pinch load based on FLTD (a) and current and voltage in different polarities (b)

圖3 FLTD平臺(tái)等離子體光學(xué)診斷系統(tǒng)布局Fig.3 Layout of plasma optical diagnostic system on FLTD

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

2.1 Al絲早期物理狀態(tài)的調(diào)控

圖4為FLTD平臺(tái)分別充電±60 kV和±30 kV時(shí)Al單絲激光探針圖像(橫縱比為2)，其中Al絲直徑15 μm、絲長(zhǎng)2 cm。兩種電壓下，Al絲均呈典型芯暈結(jié)構(gòu)，±60 kV充電時(shí)，電流大且電流上升率快，絲芯膨脹速度更快。15 ns時(shí)刻絲芯平均直徑為220 μm，對(duì)應(yīng)電流為13 kA(圖4a)；95 ns時(shí)刻絲芯平均直徑為230 μm，對(duì)應(yīng)電流為40 kA(圖4c)。圖5為圖4d黃框處干涉條紋的反演圖像和電子面密度分布[13]，峰值電子面密度為7.7×1017cm-2，對(duì)圖5b中的電子面密度沿徑向積分得到電子線密度約為6.0×1016cm-1(兩側(cè))，采用文獻(xiàn)[14]中給出的Al原子電離度4～5，則已電離的Al原子數(shù)為(1.2～1.5)×1016cm-1，約為初始質(zhì)量的10%～15%(直徑15 μm Al絲的原子線密度為1.06×1017cm-1)，尚有大部分質(zhì)量仍處于原子狀態(tài)。

a——±60 kV，15 ns陰影；b——±60 kV，15 ns干涉；c——±30 kV，95 ns陰影；d——±30 kV，95 ns干涉圖4 FLTD平臺(tái)分別充電±60 kV和±30 kV時(shí)Al單絲激光探針圖像Fig.4 Laser probe image of single aluminum wire with FLTD charging ±60 kV and ±30 kV

圖5 圖4d中黃框標(biāo)記處的干涉條紋反演(a)及標(biāo)記位置電子面密度分布(b)Fig.5 Inversion of laser interference in Fig.4d (a) and area electron density distribution at sign position (b)

為提高Al絲單位長(zhǎng)度上的能量沉積，F(xiàn)LTD平臺(tái)仍充電±30 kV，實(shí)驗(yàn)中減小絲的長(zhǎng)度(0.75 cm)，其他條件保持不變。圖6為FLTD充電±30 kV時(shí)0.75 cm Al絲不同時(shí)刻激光探針圖像，絲芯膨脹速度明顯快于圖4中2 cm負(fù)載的情況，達(dá)到部分氣化，絲芯可分成致密原子區(qū)和氣化原子區(qū)。5 ns時(shí)刻兩個(gè)區(qū)域的直徑分別為0.41 mm和0.58 mm，氣化部分發(fā)生少量電離，密度較低，絲芯仍處于歐姆加熱階段。隨電流的增大，氣化原子逐漸電離，等離子體的出現(xiàn)和迅速膨脹降低了回路阻抗，電流轉(zhuǎn)移至邊界等離子體部分，從而約束了絲芯的進(jìn)一步膨脹。43 ns時(shí)刻(約25 kA)致密原子區(qū)和氣化原子區(qū)的直徑分別為0.54 mm和0.94 mm。圖7為43 ns時(shí)刻激光干涉條紋反演及條紋移動(dòng)量分布，可判斷對(duì)應(yīng)時(shí)刻絲芯呈現(xiàn)為等離子體-氣化原子-致密原子多維結(jié)構(gòu)，各部分間具有明顯的界限。

為了使絲芯接近完全氣化，在電極處嵌入絕緣子(圖8)，保證輸出電極與負(fù)載電極間有一定的絕緣長(zhǎng)度，以延遲絲表面發(fā)生電壓擊穿的時(shí)刻，實(shí)驗(yàn)中FLTD充電電壓±30 kV和負(fù)載長(zhǎng)度0.75 cm保持不變。圖9a為電極增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān)后Al絲演化的激光探針圖像。15 ns時(shí)刻Al絲基本實(shí)現(xiàn)了完全氣化，激光能完全透過(guò)絲芯，絲芯直徑為0.76 mm；23 ns時(shí)刻絲芯直徑膨脹至0.94 mm(同發(fā)次)，絲芯膨脹速度達(dá)11 km/s，較1～5 kA電流下的Al絲膨脹速度還要快[8,14]，原因是由于本實(shí)驗(yàn)中FLTD提供的電流上升率(600～700 A/ns)更高所致。根據(jù)文獻(xiàn)[15]中計(jì)算原子分布的方法，得到圖9a中干涉條紋的反演圖像和原子面密度分布(圖9b、c)，15 ns時(shí)刻對(duì)應(yīng)的峰值原子面密度約為2.75×1018cm-2(初始原子面密度約為9×1019cm-2)，原子線密度約為1.0×1017cm-1，初始Al原子數(shù)超過(guò)90%以上，說(shuō)明Al絲接近完全氣化。

圖6 FLTD充電±30 kV時(shí)0.75 cm Al絲不同時(shí)刻激光探針圖像Fig.6 Laser probe image of 0.75 cm aluminum wire at different time with FLTD charging ±30 kV

圖7 43 ns時(shí)刻的激光干涉條紋反演(a)及標(biāo)記位置條紋移動(dòng)量分布(b)Fig.7 Inversion of laser interference fringe at 43 ns (a) and fringe shift distribution at sign position (b)

圖8 電極輸出端增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān)結(jié)構(gòu)示意圖Fig.8 Schematic diagram of flashover switch inset at output electrode

2.2 不同絲芯物理狀態(tài)對(duì)Al絲芯暈演化特性的影響

圖10a為FLTD平臺(tái)充電±60 kV時(shí)不同時(shí)刻Al絲激光陰影圖像，絲長(zhǎng)2 cm。早期絲芯沿軸向均勻膨脹，不同時(shí)刻的絲芯直徑如圖10b所示，膨脹速度(vcore≈3.3 km/s)在一段時(shí)間內(nèi)保持不變。而Al絲很早即發(fā)生電壓擊穿，圖11為2 cm Al絲暈等離子體不穩(wěn)定性的出現(xiàn)和發(fā)展，圖11a為15 ns時(shí)刻激光探針圖像的局部放大，此時(shí)Al絲表面已發(fā)生電離，絲芯周圍形成典型的低密度暈等離子體，且沿軸向具有明顯的不均勻性，具體表現(xiàn)為長(zhǎng)波和短波兩種形式。隨絲芯邊界處等離子體密度的升高和暈等離子體的膨脹，該部分阻抗迅速降低，電流全部轉(zhuǎn)移到外側(cè)，自磁箍縮則約束了絲芯的進(jìn)一步膨脹，最大絲芯直徑約為0.37 mm；暈等離子體的不穩(wěn)定性在自磁箍縮作用下迅速發(fā)展，后期主要表現(xiàn)為長(zhǎng)波模式的臘腸不穩(wěn)定性(m=0)，暈等離子體軸向平均調(diào)制周期約為1.3 mm，不穩(wěn)定性的持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致絲芯斷裂。而FLTD充電±30 kV時(shí)，Al單絲暈等離子體沿軸向同樣表現(xiàn)為典型的調(diào)制分布，平均調(diào)制周期仍約為1.3 mm，區(qū)別是電流小、自磁箍縮作用弱、m=0不穩(wěn)定性的發(fā)展速度減慢。

圖9 電極增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān)后Al絲的激光探針圖像(a)、干涉條紋反演(b)和標(biāo)記位置原子面密度分布(c)Fig.9 Laser probe image of aluminum (a), inversion of laser interference (b) and area electron density distribution at sign position (c) after insetting flashover switch at electrode

圖10 FLTD充電±60 kV時(shí)2 cm Al絲的演化過(guò)程(a)和絲芯膨脹曲線(b)Fig.10 Evolution of 2 cm aluminum wire with FLTD charging ±60 kV (a) and curve of wire core expansion (b)

圖11 2 cm Al絲暈等離子體不穩(wěn)定性的出現(xiàn)(a)和發(fā)展(b)Fig.11 Appearance (a) and development (b) of corona plasma instability of 2 cm aluminum wire

對(duì)于完全氣化的Al絲負(fù)載(±30 kV充電、0.75 cm絲長(zhǎng)、增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān))，隨電流的增大，氣化Al原子逐漸電離，絲芯呈等離子體和氣化Al原子二元分布，二者具有明顯的分界線(圖12)，35 ns時(shí)刻(約23 kA)的干涉條紋在等離子體和氣化原子分界處出現(xiàn)明顯的反轉(zhuǎn)(圖13)，對(duì)應(yīng)時(shí)刻等離子體區(qū)域沿軸向較為均勻，尚未出現(xiàn)明顯的不穩(wěn)定性，回路阻抗降低，幾乎全部電流通過(guò)等離子體，而電流的自箍縮效應(yīng)約束了氣化絲芯的進(jìn)一步膨脹。隨氣化Al原子的電離，等離子體密度迅速升高，圖13a中67 ns時(shí)刻(約38 kA)干涉條紋在邊界處迅速截止，說(shuō)明對(duì)應(yīng)位置具有較高的密度梯度，陰影區(qū)域直徑沿軸向自陰極向陽(yáng)極逐漸增大，呈現(xiàn)一定的極性效應(yīng)，即越靠近陰極氣化絲芯電離速度越快，分析原因是，陰極發(fā)射的初始電子在電磁場(chǎng)綜合作用下與氣化原子碰撞發(fā)生電離并產(chǎn)生二次電子，二次電子導(dǎo)致氣化邊界接續(xù)電離(圖13b)。暈等離子體在邊界處出現(xiàn)擾動(dòng)且沿軸向呈準(zhǔn)周期調(diào)制分布，調(diào)制的波長(zhǎng)為550～600 μm(圖12中67 ns和75 ns激光陰影圖像)，受極性效應(yīng)的影響，靠近陰極絲芯膨脹慢的位置不穩(wěn)定性出現(xiàn)時(shí)間早，發(fā)展速度快。暈等離子體沿軸向的擾動(dòng)在自磁箍縮作用下持續(xù)發(fā)展(m=0不穩(wěn)定性)，圖12中107 ns和115 ns時(shí)刻為同一發(fā)次的分幅圖像，絲芯已斷裂，沿軸向呈典型的塊狀分布。

圖12 FLTD充電±30 kV時(shí)電極增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān)后0.75 cm Al絲不同時(shí)刻激光陰影圖像Fig.12 Laser shadow-image of 0.75 cm aluminum wire after insetting flashover switch with FLTD charging ±30 kV

2.3 極性改變對(duì)Al絲芯暈演化特性的影響

大型脈沖功率裝置通常為負(fù)極性輸出，因而需研究負(fù)極性條件對(duì)Al絲芯暈演化的影響。借鑒前述氣化Al絲芯的方法，F(xiàn)LTD負(fù)極性輸出時(shí)仍在電極處增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān)以延遲Al絲的擊穿時(shí)刻，提高絲芯能量沉積。圖14a為充電±30 kV負(fù)極性輸出時(shí)0.75 cm Al絲的激光探針圖像，與正極性輸出時(shí)的結(jié)果相似，Al絲芯幾乎完全氣化，15～23 ns時(shí)刻，標(biāo)記位置的絲芯直徑從0.73 mm膨脹至0.96 mm，絲芯膨脹速度達(dá)14.4 km/s。圖14b、c分別為15 ns時(shí)刻激光條紋的反演和標(biāo)記位置的原子面密度分布，可知?dú)饣z芯的峰值原子面密度為3.2×1018cm-2，積分得到原子線密度約為1.06×1017cm-1。絲芯沿軸向較正極性時(shí)呈更明顯的極性效應(yīng)，陰極附近絲芯的電離速度快，靠近陰極處暈等離子體密度高，43 ns時(shí)刻的干涉圖靠近陰極處的條紋很快截止，說(shuō)明邊界處密度梯度大，沿軸向自陰極向陽(yáng)極暈等離子體數(shù)量和密度梯度逐漸減小。分析原因?yàn)椋簶O性改變后陰極作為高壓極更易發(fā)射電子，因而靠近陰極處的Al絲芯更早發(fā)生電離，等離子體密度的急劇升高限制了該部分絲芯的進(jìn)一步膨脹。與電離速度對(duì)應(yīng)，陰極附近暈等離子體不穩(wěn)定性出現(xiàn)時(shí)間早且發(fā)展速度快(圖14a中51 ns時(shí)刻)。

圖13 氣化Al絲芯暈演化的干涉圖像(a)和極性效應(yīng)機(jī)制分析(b)Fig.13 Laser interference image of vaporized aluminum wire core-corona evolution (a) and analysis of polarity effect (b)

綜上，不同早期物理狀態(tài)決定了芯暈演化特性，根據(jù)式(1)角向磁場(chǎng)與電流的關(guān)系，當(dāng)流過(guò)絲的電流Iz相同時(shí)，絲芯直徑a越小，角向磁場(chǎng)強(qiáng)、電流導(dǎo)致的自磁箍縮效應(yīng)越強(qiáng)，圖11中Al絲呈典型芯暈結(jié)構(gòu)時(shí)(a=0.37 mm)，暈等離子體不穩(wěn)定性的發(fā)展速度明顯快于圖12和圖14中Al絲芯完全氣化的情況(a=1 mm)。而對(duì)于圖12和圖14中的氣化絲芯，極性效應(yīng)導(dǎo)致靠近陰極端絲芯邊界處的電流密度高，因而對(duì)絲芯約束力強(qiáng)，陰極附近暈等離子體早期擾動(dòng)出現(xiàn)時(shí)刻早，后期m=0不穩(wěn)定性發(fā)展速度快。

(1)

其中：Bθ為絲周圍的角向磁場(chǎng)；μ0為真空磁導(dǎo)率；Iz為通過(guò)金屬絲的電流；a為絲芯直徑。

圖14 負(fù)極性條件下電極增加閃絡(luò)開(kāi)關(guān)后0.75 cm Al絲的芯暈演化過(guò)程(a)、干涉條紋反演(b)和標(biāo)記位置原子面密度分布(c)Fig.14 Core-corona evolution of 0.75 cm aluminum wire (a), inversion of laser interference (b) and area electron density distribution at sign position (c) after insetting flashover switch at negative output of FLTD

3 結(jié)論

基于FLTD平臺(tái)系統(tǒng)研究了Al單絲芯暈演化特性，通過(guò)調(diào)整充電電壓、絲長(zhǎng)和增加絕緣閃絡(luò)開(kāi)關(guān)等方法，獲得了不同的Al絲物理狀態(tài)。Al絲呈典型芯暈演化時(shí)，暈等離子體出現(xiàn)時(shí)間早、膨脹速度快，回路阻抗迅速降低，導(dǎo)致電流幾乎全部轉(zhuǎn)移到等離子體區(qū)域，而電流增大引起的自磁箍縮效應(yīng)限制了絲芯的進(jìn)一步膨脹；早期暈等離子體兼具有短波和長(zhǎng)波不穩(wěn)定性的特性，初始的長(zhǎng)波擾動(dòng)即為后期m=0不穩(wěn)定性的主導(dǎo)因素，不穩(wěn)定性的持續(xù)發(fā)展最終導(dǎo)致絲芯斷裂。Al絲部分氣化或完全氣化時(shí)，絲芯膨脹速度明顯變快，完全氣化時(shí)絲芯膨脹速度達(dá)11～14 km/s；絲芯由固態(tài)到氣化再到初始電離的過(guò)程中絲芯邊界均較為平滑，暈等離子體沿軸向較為均勻，未發(fā)現(xiàn)早期的短波不穩(wěn)定性；而隨暈等離子體密度的升高和驅(qū)動(dòng)電流的增大，等離子體在邊界處開(kāi)始出現(xiàn)擾動(dòng)，該擾動(dòng)在自磁箍縮作用下迅速發(fā)展為宏觀的臘腸不穩(wěn)定性(m=0模式)。對(duì)于MA級(jí)裝置上的絲陣實(shí)驗(yàn)，可采用上述技術(shù)手段在預(yù)脈沖及主電流開(kāi)始階段實(shí)現(xiàn)絲芯物理狀態(tài)調(diào)控，改變初始質(zhì)量分布，通過(guò)合理選擇絲陣直徑和絲數(shù)，有望在內(nèi)爆前形成準(zhǔn)殼層質(zhì)量分布，進(jìn)而研究其對(duì)絲陣內(nèi)爆動(dòng)力學(xué)過(guò)程及輻射特性的影響。