强光一号装置准球形电磁内爆丝阵负载成形技术

赵学水 杜卫星 陈定阳 周林 叶繁 杨建伦 徐荣昆 许泽平 李正宏

摘 要：准球形电磁内爆能提高Z-pinch等离子体能量加载效率，利用位置调节丝阵负载能够实现Z-pinch准球形电磁内爆。为满足位置调节丝阵负载实现准球形电磁内爆的需求，开展准球形丝阵负载成形技术研究。实验中在柱形丝阵基础上，利用高电压静电力拉展、通过调节和监控系统进行实时调整和测量，获得具有不同初始纵横比的准球形丝阵，已成功应用于强光一号装置准球形电磁内爆物理实验，获得X光15%转换率。

关键词：丝阵；准球形内爆；初始纵横比；Z箍缩

文献标志码：A 文章编号：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箍缩动态黑腔具有能量轉换效率高、结构简单的特点，在惯性约束聚变[1-4]以及聚变能源[5-8]研究方面具有潜在应用价值。当前，实现聚变点火需进一步提高黑腔辐射场温度，除了提高负载驱动电流，使用具有空间三维内爆压缩特性的准球形内爆代替柱形内爆从而提高内爆等离子体能量加载密度也是一项重要技术[9-10]。

为了实现准球形内爆，国外研究人员普遍建议使用质量调制负载，即负载形状为球形，且其质量沿着纬度存在特定分布，以平衡球形负载磁压沿纬度的变化，从而实现不同位置处等离子体能够同时内爆聚心。理论上，这种负载可以使用套筒结构或者丝笼（wires basket）结构[10]，但受制于负载制备技术难题，该设想还未能在实验上真正实现。对国内外的快Z箍缩实验平台而言，其匹配负载质量较低，丝阵仍然是目前最佳的负载类型，使用丝阵形成质量调制的球形负载难度很大。到目前为止，仅英国帝国理工大学和俄罗斯新能源研究所分别利用MAGPIE和Angara-5-1装置进行了探索性实验研究[11-14]。

国内研究团队创新提出了一种基于负载初始位置调节实现准球形内爆的物理思想[15-16]，通过控制负载的初始位型，使等离子体内爆至泡沫转换体表面时形成准球形结构，从而在泡沫转换体表面能量加载密度时提高等离子体内爆，为研究准球形动态黑腔开辟了新技术路径。

强光一号装置是一台峰值电流可达1.5 MA，10%～90%上升沿约80 ns的脉冲强流加速器，研究人员在该实验平台上开展了大量丝阵Z箍缩基础物理研究[17-19]。为了在强光一号装置开展准球形电磁内爆实验对上述想法进行验证，开展了准球形丝阵负载成形技术研究，利用静电力拉伸，通过调节和监控系统进行实时调整和测量，获得了具有不同初始纵横比的准球形丝阵。实验结果显示，在纵横比1∶1附近，观察到了有聚心特征的内爆行为。

1 技术原理

准球形丝阵负载成形技术建立在柱形丝阵负载制备基础上，负载初始形状为柱形[20]。强光一号装置阴阳极之间距离在抽真空后会缩短2～3 mm，利用这一特性，将柱形丝阵成形为准球形丝阵的技术原理如图1所示。将柱形丝阵的金属丝两端分别与阴阳极形成固化接触极且能导电；因为真空状态下阴阳极之间距离缩短使金属丝松弛，通过与金属丝电连接的电极将静电高压加在金属丝两端，静电力拉展使金属丝膨胀为抛物线形状，从而获得具有一定初始纵横比的准球形丝阵负载。

图1为负高压情况下准球形态下丝阵区静电场分布，能够对影响金属丝表面场强的结构因素进行定性分析，为选择一种较优化的设计提供参考。

如图2所示，初始纵横比是指准球形丝阵轴向高度（H）与最大直径（2R）的比值，该数值的好坏与准球形的形成有很大关系，初始纵横比与金属丝长度（与初始状态下丝阵高度相同）、阴阳极位置丝阵半径和阴阳极距离缩短量有关。为了使等离子体在内爆过程中保持良好电流通道，准球形丝阵负载设计采用锥台等形状的电极。

2 负载成形结构设计

根据负载成形技术原理，设计了图3所示的负载成形结构，包括两大关键结构组件：高压加载组件和阴阳极距离调节组件，前者为丝阵成形提供静电高压加载，后者调节控制负载初始纵横比。丝阵负载中心设置高压电极，与阳极紧密接触，高压电源输出的静电高压通过该电极加载至丝阵上，丝阵与回流筒等外围结构之间的电势差产生强电场，丝阵受静电力拉展而膨胀为准球形。

3 负载成形工艺流程

通过实验室工艺流程探索和强光一号装置流程检验，确定了负载成形工艺流程如下。

3.1 大气环境加载静电高压测试

在丝阵负载安装至加速器前，通过高压电极对其进行大气环境下加载静电高压测试。该测试用于检测丝阵装配技术状态，对具有结构损伤或者与电极连接不牢固的金属丝并进行更换，保证丝阵负载与加速器耦合固定后加载高压成形过程顺利。

3.2 丝阵负载与加速器阴极固定

将丝阵负载安装于加速器阴极并固定，丝阵负载外围的3根定位杆将负载阴极与阳极连接并固定，保证柱形丝阵负载的初始高度满足实验设计值，此设计能保证阴阳极的同轴度和平行度。

3.3 安装回流筒

金属回流筒同轴地套在丝阵的外面，其位置需适应已经就位的丝阵位置，使其与丝阵负载同轴，实验时，位置调整合适后用压板将回流筒与装置阳极板压紧固定即可。在柱形丝阵实验中，柱形丝阵阳极片与回流筒之间是紧固连接在一起。球形丝阵与此有所差异，为了满足调节负载纵横比的要求，丝阵阳极在回流筒内可沿Z轴平移，阳极固定在平移台上。

3.4 拆除丝阵定位杆

用钳子夹紧定位杆的杆体，向远离丝阵的方向拔出。由于丝阵中金属丝本身处于拉直状态，同时负载阴、阳极和定位杆是紧密贴合状态，拆除定位杆易造成金属丝受拉力而断裂，为了提高负载安装成功率，实验采取如下工艺措施：1）连接并紧固阳极杆和位移调节平台；2）调节位移平台向阴极方向移动小量位移，使得阳极、阴极和定位杆之间为紧压配合状态；3）安装压板压紧阳极片使得丝阵阳极片保持朝向阴极方向的压紧状态，保证在拔出定位杆过程中阳极无法产生远离阴极的位移；4）拆除定位杆，整个过程中负载阳极与阴极间距保持不变，保证金属丝不受拉力而损坏；5）旋转位移调节平台的轴向调节杆，使负载阳极向阴极靠近约1 mm，此时金属丝为松弛状态，能够避免后续可能的误操作造成对丝阵的拉扯；6）拆除压板，解除对调节平台调节方向的限制。

3.5 连接靶室外调节机构和靶室内阳极调节杆

连接前测量丝阵与加速器间电阻，确认中心丝阵与外围金属电极绝缘良好。将高压电缆与丝阵负载中心的高压电极相连。盖上真空腔盖板，将位于盖板中心的靶室外调节机构与阳极回流罩上调节平台中的轴向调节杆相连。通过该步骤使我们可以在加速器真空腔外通过调节机构来调节负载阴阳极间距。

3.6 加载静电高压，获得满足实验要求的准球形丝阵负载

通过调节机构增大负载阴极与阳极的间距，使丝阵呈有序拉直状态；逐步提高静电高压，同时减小阴极和阳极的间距，该距离可通过负载监测系统实时观察，直至阴极和阳极间距满足物理实验要求。

4 研制结果

图4为准球形丝阵成形不同阶段丝阵负载状态照片，图4（a）初始柱形丝阵状态，支撑杆未拆除，拆除后缩短阴阳极之间距离，丝阵变松弛，见图4（b），图4（c）为加静电高压之后呈抛物线状的丝阵，即为具有准球形的丝阵，通过调整静电高压和阴阳极之间距离即可获得不同形状的丝阵以满足不同实验需求。

与文献[12-14]中使用辅助静电环的方法相比，本方法能够实现初始纵横比可控可调，同时，径向诊断视野完全不受影响，便于实验诊断的综合布局。

图5为强光一号装置丝阵内爆实验典型结果，丝阵由32根直径为4.2 μm钨丝构成，初始半径和高度分别为4.0 mm、15.4 mm，初始纵横比为1∶1，图像显示，等离子体具有较好汇聚特征的内爆行为和聚心状态。

5 结束语

為了在强光一号装置上开展准球形内爆物理实验，开展了准球形丝阵负载成形技术研究，利用静电力拉伸、通过调节和监控系统进行实时调整和测量，获得了具有不同初始纵横比的准球形丝阵，满足了物理实验需求。实验中，电极和回流柱结构会影响丝阵表面的静电场强分布，从而影响金属丝所受的拉力，在静态条件下开展了数值模拟已获得一种较优化的结构。通过工艺流程探索和改进，提高了负载安装和成形的成功率，成功获得了不同初始纵横比的准球形丝阵负载，为物理实验的圆满成功提供了技术保证，实验中已观察到了有聚心特征的内爆行为，说明准球形丝阵是一种具备先进水平的丝阵。

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（编辑：刘杨）