劉永棠 盛亮 李陽 張金海 孟倫李豪卿 袁媛 孫鐵平 歐陽曉平

1) (清華大學工程物理系， 北京 100084)

2) (西北核技術研究所， 強脈沖輻射環(huán)境模擬與效應國家重點實驗室， 西安 710024)

3) (92609 部隊， 北京 100077)

1 引 言

對Z 箍縮中等離子體形成和發(fā)展過程的研究和調控， 是抑制不穩(wěn)定性發(fā)展， 解決聚爆產額低等難題的關鍵， 引入外加調制手段成為研究工作的突破口.通過刻蝕調制絲徑尺寸沿軸向非均勻分布構造的柱狀絲陣實驗顯示， 絲徑改變處會輻射出更強的X 射線亮斑， 同時在該處最先發(fā)生絲核的崩潰并隨之形成氣泡狀的內爆結構[1].通過對單絲螺旋盤繞， 排布形成在角向相互關聯(lián)的螺旋絲絲陣， 可根本上改變燒蝕流結構的準周期性特征， 并可在大尺寸的繞制波長結構實驗中獲得數(shù)倍于同等條件下直絲絲陣的X 射線峰值強度[2，3].絞合調制形成特定絞合波長的雙絞鋁絲能夠顯著增強金屬絲電爆炸過程的能量沉積， 提高膨脹速度和增加可見光輻射[4].表面有機膜鍍膜調制形成的表面絕緣絲陣，使內外側絲等離子體的內爆軌跡分離， 增加了能量沉積并實現(xiàn)了對X-射線波形的多峰抑制[5].除絲陣實驗外， 圣地亞實驗室提出Maglif (magnetized liner inertial fusion)概念嘗試利用磁化套筒結合激光預熱和磁壓縮實現(xiàn)聚變新途徑[6，7]， 其難點之一為對磁瑞利-泰勒不穩(wěn)定性(magneto-Rayleigh-Taylor instability， MRT)破壞內爆負載邊界的完整性和對稱性問題加以有效控制， 以提高參與聚爆時的有效質量.Sinars 等[8，9]對套筒負載表面機械制作了周期正弦結構， 在定向調控種源波長下實現(xiàn)對內爆過程外邊界層MRT 不穩(wěn)定性發(fā)展的定量研究， 同時通過改善數(shù)值模擬程序完成了符合度很好的一致性驗證.此外研究者通過引入軸向磁場[10]和表面鍍膜[11]等外加調控手段以尋求致穩(wěn)效果.上述工作表明調制實驗的開展對于理解Z 箍縮中等離子體行為模式， 分析不穩(wěn)定性結構發(fā)展并尋求抑制方法， 驗證并改善磁流體力學數(shù)值程序等具有重要意義.

平面薄膜電爆炸實驗是研究Z 箍縮等離子體早期形成發(fā)展的重要手段， 以其構型簡單、參數(shù)易調等特點使其在制作加工、診斷測試等方面具有顯著優(yōu)勢， 從而可簡化實驗復雜度并突出物理現(xiàn)象.近年來國際上相繼開展了對平面薄膜的針對性研究工作， 包括對比研究平面薄膜和平面絲陣Z 箍縮輻射特性， 探究邊界粗糙度對MRT 不穩(wěn)定性的影響[12].Lau 等[13]采用雙邊界三區(qū)域的平板模型開展磁流體力學分析以研究等離子體MRT 不穩(wěn)定性， 并在偏置薄膜爆炸實驗中開展了驗證工作[14].還有研究者利用X 箍縮點源對薄膜爆炸發(fā)展過程的形態(tài)結構開展成像分析[15-17]， 對金屬薄膜的核冕結構和等離子體膨脹速度開展定量研究[18]等.但與絲陣比， 薄膜研究工作仍然相對匱乏， 而以外加調制手段開展平面薄膜的電爆炸過程的研究更鮮見報道， 因此本文開展了周期結構調制型平面薄膜的電爆炸實驗研究.通過研究平面薄膜表面調制結構的演化過程， 深入分析爆炸過程早期等離子體的行為特征， 給出界面不穩(wěn)定性的發(fā)展機制， 以實現(xiàn)對等離子體行為的特定目的調控.

2 實 驗

實驗使用“強光一號”加速器， 其可提供峰值電流～1.4 MA， 上升時間～100 ns 的驅動電流.實驗負載采用外推型平面薄膜負載， 回流柱位于中軸端處連接下端陰極底座和上端的陰極平面， 金屬薄膜作為主負載從延伸的陰極平面邊沿兩側拉下連接至陽極板， 構成對稱的放電回路.在此構型下薄膜整體所受的電磁力方向為背離回流柱指向外側， 使得平面薄膜在電爆炸過程中整體產生向外運動的加速度， 因此也稱為反場構型.該結構在爆炸沖擊波研究[19]、大型圓柱絲陣局部等離子體行為模擬[20，21]、天體物理中等離子體間的碰撞[22]等領域內皆有應用.在本實驗中此構型為薄膜內外邊界的不穩(wěn)定性發(fā)展提供了不同的磁場環(huán)境， 即由于所受磁壓的非對稱性， 薄膜內外邊界不穩(wěn)定性發(fā)展會經歷不同的演化過程， 可實現(xiàn)在單發(fā)次實驗下的自對照分析.同時薄膜外爆過程可以模擬大型套筒的一段局部實現(xiàn)類比.此外， 外推型探測布局更利于實驗的診斷分析， 兼具多者優(yōu)勢.

實驗的診斷手段主要包括波長為532 nm 分光延遲～30 ns 的單發(fā)雙次Nd:YAG 納秒脈沖激光陰影成像系統(tǒng)， 以及5 ns 曝光20 ns 延遲的四分幅可見光自輻射成像系統(tǒng)， 成像布局采用4F (F 為透鏡焦距)成像光路.實驗系統(tǒng)的整體布局如圖1所示， 其中坐標系z 向為回流柱以及薄膜的延伸方向， x 向為真空腔室內診斷激光運動方向， 其與薄膜平面平行， y 向為薄膜平面法向.532 nm 脈沖激光通過延時光路實現(xiàn)分束與延遲， 經過透鏡組的擴束與準直后依次通過負載區(qū)域.攜帶不同時刻診斷信息的光束1， 2 經分離后分別通過4F 成像光路由相機拍攝收集形成陰影圖像1， 2.本底光束3 與光束1 干涉形成干涉圖像由相機3 收集.負載自輻射可見光經過反射鏡與4F 光路， 由分幅相機直接收集， 通過脈沖快門控制曝光時刻形成分幅圖像.“強光一號”裝置上安裝有羅氏線圈(Rogowski coil)對負載總電流進行監(jiān)測， 此外在刻蝕薄膜附近(～4 mm)額外安裝了磁探針(B-dot)以對膜局部磁場信息進行診斷.圖2 給出了平面薄膜負載結構圖及局部薄膜的受力分析示意.其中w 為薄膜寬度， l 為薄膜長度， h 為薄膜厚度， r 為薄膜中心距回流柱邊界距離.I0為回流柱總電流， I1為薄膜電流， PB代表薄膜界面所受磁壓大小， PT代表薄膜內部熱壓大小， G 代表薄膜整體所受電磁力大小.在平板模型近似條件下， 薄膜界面處受到的磁壓方向為由界面指向薄膜內部， 熱壓方向為薄膜內部指向界面外側.對于薄膜整體， 內側界面磁場強于外側界面磁場， 因而內側磁壓強于外側， 整體所受的電磁力方向為由回流柱指向薄膜外側， 構成外推過程.對于薄膜內部， 物質邊界內熱壓強于邊界外部磁壓， 使薄膜主體發(fā)生膨脹過程.

通過光刻結合化學腐蝕的過程在鋁金屬薄膜單側表面上制備了周期為2 mm 的一維凹槽型微結構， 其槽間距與槽寬相等， 刻蝕槽深～10 μm 為總厚度的30%.以符號p 表示刻蝕周期， d 表示刻蝕槽深， M 表示樣品材料類型.刻蝕樣品在顯微鏡下的觀測形貌如圖3 所示.表1 匯總了實驗所使用的具體薄膜參數(shù).實驗過程中薄膜刻蝕面置于圖2(b)所示的外側界面端.

圖1 實驗系統(tǒng)診斷布局Fig.1.Diagnostic system on “Qiangguang-1” facility.

圖2 負載結構說明 (a) 負載三維組裝圖; (b) 初始狀態(tài)激光陰影成像; (c) 薄膜受力分析示意圖Fig.2.Structure of experimental load assembly: (a) Three-dimensional graph of the load; (b) laser shadow graph of the load in the initial stage; (c) force analysis of the foils in the planar geometry.

表1 金屬薄膜參數(shù)Table 1.Parameters of the foils used in the exploding experiments.

3 實驗結果與討論

3.1 實驗圖像分析

實驗監(jiān)測流過負載電流波形見圖4.以曲線峰值10%和90%點間連線與時間基軸的交點定義為時間零點， 對所有波形數(shù)據(jù)進行同步較零， 標注爆炸時刻以校正零時刻為基準， 以符號t 表示.圖中實線(No.19063—No.19101)為各發(fā)次下裝置羅氏線圈測得的負載總電流波形， 虛線為利用放置在薄膜外側附近的B-dot 探針診斷并經歸一化處理后所得數(shù)據(jù)(No.19273-B2)及同發(fā)次下的羅氏線圈對比數(shù)據(jù)(No.19273-B1).從波形上看標準薄膜(No.19101)與刻蝕薄膜(No.19063—No.19074)的負載電流沒有發(fā)生明顯歧化， 兩者在0—150 ns的時域內保持了良好的一致性， 刻蝕結構未影響總電流的饋入.B-dot 測量信號的積分波形與羅氏線圈測得的電流波形則在0—110 ns 的范圍內基本一致， 說明電流上升的主要階段薄膜局部磁場信息變化同步于總電流變化.電流峰值過后的下降階段兩波形逐漸偏離， 原因主要在于燒蝕等離子體的外爆運動濺射在B-dot 探頭， 同時薄膜膨脹導致的內外側界面分離使得整體磁場復雜化.由單發(fā)次實驗B-dot 失效時間所推斷出等離子體外爆的平均膨脹速度為 3.6×106cm/s ， 這與多發(fā)次激光陰影累積觀測得到的平均速度信息 4.0×106cm/s 基本一致， 實驗特征對于探針光的瞬時診斷基本保持了良好的可重復性.

圖3 鋁膜表面凹槽型周期刻蝕結構共聚焦顯微鏡掃描圖 (a) 刻蝕結構三維形貌圖; (b) 二維平面掃描圖， 其單個刻蝕周期長度測量值為2003.4 μm; (c) 方框區(qū)域深度掃描曲線， 紅線間距為10.2 μm; (d) 方框對應區(qū)域放大形貌Fig.3.Scanning graph of the periodical groove structure exploited on Al foil surface which was measured by confocal imaging microscope: (a) Three-dimensional scanning image; (b) surface scanning image which shows that the measured period of structure is 2003.4 μm; (c) the depth curve in which the etched depth between the red lines is 10.2 μm; (d) the enlarged image corresponding to the region of green box in (b).

圖4 不同實驗發(fā)次下總電流波形匯總圖Fig.4.Current trace for normal and etched cases.

圖5 不同調制鋁膜實驗過程激光陰影圖對比 (a) 標準鋁膜119 ns 時刻圖(No.16187); (b) 2 mm 刻蝕周期結構鋁膜114 ns 時刻圖(No.19073); (c) 鍍膜鋁膜126 ns 時刻圖(No.17228); (d) 2 mm 刻蝕周期鋁膜129 ns 時刻圖(No.19074)Fig.5.Laser shadow graphy images for different Al foils in experiments: (a) Normal Al foil at 119 ns of No.16187; (b) Al foil with 2 mm etched periodical structure at 114 ns of No.19073; (c) coated Al foil at 126 ns of No.17228; (d) Al foil with 2 mm etched periodical structure at 129 ns of No.19074.

圖6 邊界不穩(wěn)定結構波譜分析 (a) 標準鋁膜， No.16187; (b) 2 mm 刻蝕周期結構鋁膜， No.19073; (c) 鍍膜鋁膜， No.17228;(d) 2 mm 刻蝕周期結構鋁膜， No.19074Fig.6.Wavelength spectra analysis of the instability structure in experiments: (a) No.16187 for normal case; (b) No.19073 for 2 mm periodical structure sample; (c) No.17228 for coated sample; (d) No.19074 for 2 mm periodical structure sample.

圖5 為不同類型薄膜在相近爆炸時刻下的激光陰影圖， 圖6 為提取對應邊界結構的波譜分析.實驗結果顯示刻蝕薄膜界面等離子形態(tài)的宏觀特征得到了明顯調制， 而普通薄膜與涂層薄膜并無此效果.標準鋁膜外爆實驗中(圖5(a))邊界不穩(wěn)定性結構以本征模式占主導.在電熱不穩(wěn)定性等因素提供的種源[23]下， 鋁膜的內外界面在發(fā)展初期均形成波長～0.5 mm 的準周期結構.但由于環(huán)境的非對稱性， 內外側不穩(wěn)定結構發(fā)展逐漸差異化， 體現(xiàn)為外側以大幅值短波結構主導， 內側特征則為小幅值長波結構(圖6(a)).內側強磁壓導致界面運動減速而引發(fā)磁瑞利泰勒不穩(wěn)定性是該側長波特征顯著增強的原因.有機涂層薄膜實驗中(圖5(c))在外層邊界處可以看到形成了寬暈帶， 其中夾雜細長的等離子體細絲結構而金屬核區(qū)相對平整.有機膜在早期的融蝕過程起到了填充效應， 阻礙了鍍膜界面處燒蝕等離子體的流動和質量的再分布過程，從而在一定程度上抑制了界面的不穩(wěn)定性發(fā)展， 起到了致穩(wěn)性作用[11]， 但其不穩(wěn)定結構的基本形態(tài)特征并未改變.圖5(b)與圖5(d)為相應時刻下的刻蝕薄膜實驗結果， 觀察發(fā)現(xiàn)其不穩(wěn)定性結構發(fā)生顯著改變.受到刻蝕結構的趨同調制， 實驗中鋁膜外側界面等離子形態(tài)呈現(xiàn)出與刻蝕樣貌同周期的近似形態(tài).圖6(b)顯示在刻蝕薄膜的波譜觀測到3 個特征峰， 外側分別為0.48， 0.92， 1.77 mm (t =114 ns)， 其中主峰最強為1.77 mm 與刻蝕波長2 mm 對應， 其誤差主要來源于提供快速傅里葉變換的數(shù)據(jù)長度.說明刻蝕結構決定了等離子體發(fā)展結構的主要形態(tài).次峰為0.95 mm 對應主刻蝕周期一半， 出現(xiàn)特有的“半波結構”調制現(xiàn)象.通過比對初始圖像發(fā)現(xiàn)， 該衍生現(xiàn)象來源刻蝕溝槽幾何突變位置處產生的等離子體噴流.由于刻蝕溝槽的間距與谷寬相同， 因此形成的噴流結構等距， 其周期恰對應刻蝕周期的一半.說明調制形成的特異位能夠產生特殊等離子體結構.最小特征峰對應0.48 mm 的波長， 是鋁材料的特征波長結構， 在刻蝕調制下該結構依然存在， 但相對幅度較小其特征性弱化.說明大尺寸刻蝕結構能夠一定程度抑制本征短波結構.為進一步突出結構特征， 圖7 給出了波譜去噪后利用逆快速傅里葉變換重構得到的邊界結構圖， 以2 mm 為主周期的塊狀結構， 在其兩側形成凸起峰， 構成1 mm 的周期成分， 兩者共同構成疊加形態(tài).

與外側相似， 內側波譜在0.39， 0.97， 1.77 mm處出現(xiàn)峰值， 內側的波峰強度較小同時不穩(wěn)定結構的幅值也更小.這與普通薄膜的內外側特征形成強烈反差.利用互相關函數(shù)計算得到的內外邊界關聯(lián)系數(shù)為0.4017 (圖5(b))， 普通薄膜 (圖5(a))的這一數(shù)值僅為0.0717， 說明即使刻蝕結構僅存于外側， 內側依然會受到較強的調制作用， 并且刻蝕調制能夠進一步增強內外界面的饋通性與耦合性.

為進一步驗證刻蝕結構的調制作用.圖8 為1 mm 刻蝕結構平面薄膜的實驗結果.其中內外界面均在0.47 和0.92 mm (t = 90 ns)處出現(xiàn)特征峰.刻蝕結構達到了趨同效果.而由于半波效應，在0.5 mm 處的原特征波峰得到了明顯增強.可見刻蝕調制既可以抑制不穩(wěn)定性結構的本征波長， 亦可以反向增強該結構特征， 調制效果存在多用性.

圖7 濾波后的逆快速傅里葉變換重構圖Fig.7.Reconstructure image of the result by inverse fast Fourier transform.

圖8 1 mm 刻蝕周期鋁膜實驗結果(No.19067) (a) 90 ns 時刻激光陰影圖; (b)邊界不穩(wěn)定結構波譜分析Fig.8.Experiment results of the Al foil with 1 mm etched periodical structure (No.19067): (a) The laser shadow graphy image at 90 ns; (b) the wavelength spectra analysis.

圖9 2 mm 刻蝕周期鋁膜激光陰影圖序列 (a) 實驗發(fā)次與對應時刻， No.19073-114 ns， No.19074-129 ns， No.19072-138 ns，No.19060-158 ns; (b) 114 ns 時刻下局部結構放大偽色圖; (c) 129 ns 時刻下局部結構放大偽色圖; (b)， (c)中右側標尺代表顏色域與灰度值的對應關系Fig.9.Laser shadow graphy image sequence for the Al foils with 2 mm periodical structure: (a) Corresponding shot numbers are No.19073-114 ns， No.19074-129 ns， No.19072-138 ns， No.19060-158 ns; (b) enlarged image of the box at 114 ns; (c) enlarged image of the box at 129 ns.Flase color has been added in (b) and (c) where the corresponding relationship between color and grayscale value is shown in the label on the right.

圖9 進一步給出表面周期刻蝕薄膜的爆炸過程隨時間發(fā)展的激光陰影圖像序列.圖9 中114 ns時刻圖像中清晰顯示出調制結構的形成， 129 ns 時刻顯示凸起的塊狀結構此后逐漸展寬， 燒蝕等離子體加速膨脹， 138 ns 時刻下凸起結構等離子體逐漸融合， 158 ns 時刻特征形態(tài)崩塌， 塊狀調制結構基本消失， 融合成為整體.受外側調制作用影響， 內界面MRT 不穩(wěn)定性特征明顯減弱， 其波譜特征趨于外側且不穩(wěn)定結構幅值始終維持在較低水平， 刻蝕調制實現(xiàn)了對內界面的致穩(wěn)作用.

圖10 為初始結構與實驗過程中界面結構對照圖.鋁膜在爆炸發(fā)展過程中界面處膨脹更快的凸起結構對應爆炸前的刻蝕凹槽處， 實驗等離子體結構發(fā)展與初始結構反相.這說明刻蝕溝槽處的金屬層等離子體化發(fā)展的更早更迅速.圖11 的可見光圖像同樣清晰地捕捉到這一特征， 在37 ns 時刻下刻蝕結構對邊界自輻射強度就已經產生了明顯的調制作用， 形成獨有的周期排布點亮現(xiàn)象， 至97 ns時刻發(fā)展成亮包狀周期排布結構.在圓柱形刻蝕絲陣的實驗中， 研究者發(fā)現(xiàn)在單絲刻蝕形成的窄徑處， 生成的等離子體冕層也更小， 從而與窄徑處攜帶電流密度更大， 絲核燒蝕速度更快， 冕區(qū)等離子體層膨脹區(qū)域更廣的預期相違背[1].而本文刻蝕薄膜實驗觀測到的反轉結構則驗證了這一預期.另一方面在刻蝕絲陣實驗中發(fā)現(xiàn)， 絲徑躍變位置在X 射線針孔成像中出現(xiàn)更強的亮斑， 并最先發(fā)展成為磁泡狀的內爆結構.而在刻蝕薄膜實驗中， 在刻蝕斷層處同樣觀測到特殊的噴流結構.對比說明刻蝕絲陣中的單絲過程與刻蝕平面薄膜的外爆過程在調制等離子體發(fā)展過程中存在一定的差異， 但在特殊刻蝕區(qū)域中兩者存在相似特征.

圖10 初始薄膜刻蝕結構與實驗發(fā)展過程結構對照 (a) 初始薄膜實物放置圖; (b)初始狀態(tài)側向激光陰影成像圖; (c) 實驗激光陰影成像圖Fig.10.Initial structure of foil surface comparing with developing plasma structure in experiments: (a) The photograph of actual etched foil; (b) the side-on laser shadow graphy image of Al foil before experiment; (c) corresponding shadow graphy image in experiment.

圖11 刻蝕薄膜電爆炸過程早期可見光分幅圖像， 其中實驗發(fā)次No.19274， 對應拍攝幅次與時刻依次為C1-37 ns， C2-57 ns，C3-77 ns， C4-97 nsFig.11.Multiframe optical self-emission images of exploding etched Al foils for No.19274.The frame number and shoot time are C1-37 ns， C2-57 ns， C3-77 ns， C4-97 ns respectively.

3.2 調制作用的電熱理論分析

周期性刻蝕結構對電流密度的調制所引起的電熱不穩(wěn)定性分布特征的變化， 是調制效果產生的重要原因.Oreshkin[24]在對單絲分析的模型中認為電流密度j 沿z 向一致， 由電熱不穩(wěn)定性理論推導出色散公式.在此基礎上采用電流密度j 沿z 軸呈周期性分布的假設開展磁流體理論分析.

由連續(xù)性方程， 動力學方程和熱學方程得

其中， ρ 為密度， t 為時間， v 為速度矢量， j 為電流密度矢量， B 為磁感應強度， ε 為內能， δ 為電阻率，κ為熱傳導系數(shù)， T 為溫度.簡化運動過程， 忽略早期的物質運動， 主要考察界面處的電熱性質有

簡化 熱 容 cV為 常數(shù)， ε =cVT.j 表示 電流 密度大小， 將溫度T 展開為無擾動溫度項 T0和擾動溫度項 T1之和， 對電阻率展開并保留一階項

則

假設解形式為

其中， γ (z) 為不穩(wěn)定性增長率; kz為沿z 向的波矢，滿足 kz=2π/λ ， λ 為不穩(wěn)定性波長.分析認為由于刻蝕結構的引入， 導致趨膚電流密度沿z 向將產生周期性振蕩， 因此 j =j(z，t) 是位置z 的函數(shù)， 進而增長率 γ =γ(z) 也變?yōu)槲恢玫暮瘮?shù).代入計算ΔT1有

假設 γ (z) 對位置z 的偏導不含時間項t，

假設增長率 γ =γ(z) 為z 的周期性方波函數(shù)，并認為其周期特性同步于刻蝕結構， 如圖12 所示，其中ab 為刻蝕區(qū)槽寬， p 為刻蝕周期， n 為周期數(shù)，滿足以下對應關系

圖12 周期性刻蝕結構與對應位置增長率示意圖Fig.12.Periodical structure and the growth rate of the corresponding position.

將(10)式和(11)式代入(9)式計算ΔT1

將(12)式代入(6)式

對于刻蝕結構薄膜， 在非突變區(qū)域上， 增長率仍然滿足式

在凸起部位， 由于形成高阻勢壘， 導致電流密度減弱; 另一方面， 非刻蝕處截面較大， 電流密度也會相應減弱， 從而非刻蝕區(qū)擾動溫度的增長率更小， 反之刻蝕部位的增長率更大.因此導致刻蝕區(qū)更早的熱化形成等離子體態(tài)， 進而向外發(fā)展膨脹， 實驗觀測得到的反轉結構得以解釋.對于連接位置有

忽略虛數(shù)振蕩項(考慮長波近似下， γ 取最大值的情況)可得

從物理上理解表面調制作用源于周期結構對表面電流的調制而造成局部電熱性質差異.對于實驗中薄膜的電爆炸過程， 定性認為電流主要在薄膜內外邊界層的趨膚深度內分布形成雙電流層結構.普通薄膜條件下電流密度在層內沿流向均勻分布，電熱不穩(wěn)定性無差異化發(fā)展.當界面引入人工刻蝕結構時， 未刻蝕凸起部位將形成勢壘， 導致流經初始結構凸起部位金屬層的電流路徑阻性變強， 限制了電流的流入， 致使電流密度降低， 電熱效應減弱，因此凸起處等離子體化過程變緩， 原溝槽處金屬率先等離子體化膨脹噴出.另一方面由于凸起部位處等離子體化放緩， 因此在早期起到了類似有機膜鍍層， 抑制界面不穩(wěn)定性發(fā)展的效果.這使得凸起部位下方的熱化金屬層被壓實， 難以向外膨脹噴出.受阻過程使得壓力向兩側轉移， 在凸起處與溝槽處過渡的臺階部位得以釋放， 因此在該位點形成了細長的等離子體噴流， 導致半波結構的產生.

4 結論與展望

周期性刻蝕結構對平面薄膜電爆炸過程的界面發(fā)展產生了顯著的調制作用.刻蝕區(qū)不穩(wěn)定性結構的波長特征趨同于刻蝕波長， 不穩(wěn)定性的本征波長結構得到抑制， 同時出現(xiàn)了二分之一刻蝕周期的半波結構.薄膜爆炸發(fā)展過程中的界面形態(tài)與初始刻蝕結構形態(tài)相反， 刻蝕區(qū)材料熱化膨脹更為迅速， 刻蝕斷層位置膨脹最為明顯， 形成類噴射狀的形態(tài)結構， 無刻蝕結構側界面也表現(xiàn)出類似特征.理論分析認為， 刻蝕結構對趨膚電流密度調制改變了電熱不穩(wěn)定性分布是導致實驗現(xiàn)象的主要原因.上述結論說明調制結構可以在薄膜電爆炸過程早期， 調控等離子體的電流密度分布及溫度分布等微觀參數(shù)， 進而改變等離子體邊界不穩(wěn)定結構與可見光輻射強度分布等宏觀特征.今后的實驗工作將關注通過改變薄膜刻蝕結構取向或使用刻蝕絲陣的手段， 對調制平面薄膜與平面絲陣負載結構進行對比研究(圖13).另一方面研究不同刻蝕周期、不同金屬材料， 以及制作二維刻蝕結構等因素在調控中的影響.最終實現(xiàn)通過設計調制結構達到特定調控效果的目標.

圖13 不同調制構型實驗對比 (a)薄膜刻蝕取向沿z 軸; (b)刻蝕平面絲陣與刻蝕平面薄膜對比; (c)二維刻蝕結構平面薄膜Fig.13.Different etched structure designed in future: (a) Etched along z axial; (b)planar array using etched wires; (c) two-dimensional etched structure on foil surface.