Al丝物理状态调控及对芯晕演化特性的影响

张金海，李 沫，孙铁平，王亮平，李 阳，吴撼宇，丛培天，盛 亮，邱爱慈

(1.西北核技术研究所 强脉冲辐射环境模拟与效应国家重点实验室，陕西 西安 710024；2.清华大学 工程物理系，北京 100084)

在MA级丝阵Z箍缩中，金属丝表面很早即发生电压击穿，丝表现为冷启动，呈典型芯晕结构。丝阵在全局磁场作用下向内消融，消融等离子体沿轴线呈准周期调制分布，调制波长与丝材料密切相关。文献[1-4]根据MAGPIE装置上的不同材料金属丝阵消融过程的图像，获得Al和W的调制波长分别约为0.5 mm和0.25 mm。文献[5-6]在1 MA-ZEBRA装置上研究了预脉冲调制对丝阵早期演化过程的影响，实验发现早期不同状态直接影响丝阵后续的内爆动力学和X射线辐射产额，一定范围内预脉冲电流上升速率越快，辐射产额越高。而在MAGPIE装置上开展的预脉冲(15 kA或35 kA，约500 ns)条件下的Al丝阵实验，辐射功率和产额缩小约30倍，原因是长时间预脉冲加速了磁瑞利-泰勒不稳定性的发展[7]。

为了改变丝芯物理状态，国内外开展了一系列1～5 kA的小电流装置上单丝实验。Sarkisov[8-9]在正极性快脉冲(150 A/ns)条件下实现了Al丝和镀膜W丝的几乎完全气化，大幅提高了丝芯的能量沉积；Wu等[10-11]在负极性快脉冲条件下实现了Al丝和镀膜W丝的几乎完全气化；Shi等[12]在负极性快脉冲条件下，通过增加绝缘闪络开关改变径向电场分布，实现了裸W丝的几乎完全气化。但考虑到丝阵早期消融呈现一定的单丝行为，上述研究中实验电流较小，气化丝芯电离较少，因而未能给出丝芯物理状态改变对芯晕演化特性尤其是晕等离子体不稳定性出现和发展的影响。基于快直线脉冲变压器(FLTD)，本文考虑在数十kA电流下实现Al单丝早期物理状态的调控，并获得其对后续芯晕演化特性的影响。

1 实验布局

FLTD平台包含12个支路，每个支路由两个电容器和1个气体开关组成，充电电压25～100 kV可调，不同电压下电流上升时间(约100 ns)相当，峰值电流随充电电压的增大而增大；输出正负极性可调，充电电压较低时，正负极性均正常工作，提高充电电压，负极性工作时存在电流损失，而正极性工作正常。图1为用于Z箍缩实验的FLTD平台示意图，实验在真空条件下进行，分子泵出口处的真空低于10-3Pa时进行实验。图2a为负载区的结构示意图，采用罗氏线圈测量通过负载的电流，采用同轴型水电阻分压器测量负载电压，图2b为电容器充电±30 kV时正负极性输出的电压电流波形，负载端的电压与电容器充电电压相当。实验用Al丝的直径为15 μm，长度分别为2 cm和0.75 cm。

图1 FLTD平台示意图Fig.1 Schematic diagram of FLTD

图3为FLTD平台等离子体光学诊断系统布局。光路设计为两路阴影图像，一路干涉图像，激光波长532 nm。两幅阴影图像通过延长光路设计延时，时间间隔约15 ns或8 ns，两条光路呈30°；干涉光路则基于Mach-Zehnder光路，成像系统均采用双透镜4f成像方式，采用Canon相机记录图像。选用光电探测器THORLABS-DET10A-M记录激光出光时刻，与电流信号关联用于确定和调整拍照时刻。

图2 基于FLTD平台的Z箍缩负载(a)和不同极性输出的电流、电压波形(b)Fig.2 Z-pinch load based on FLTD (a) and current and voltage in different polarities (b)

图3 FLTD平台等离子体光学诊断系统布局Fig.3 Layout of plasma optical diagnostic system on FLTD

2 实验结果与分析

2.1 Al丝早期物理状态的调控

图4为FLTD平台分别充电±60 kV和±30 kV时Al单丝激光探针图像(横纵比为2)，其中Al丝直径15 μm、丝长2 cm。两种电压下，Al丝均呈典型芯晕结构，±60 kV充电时，电流大且电流上升率快，丝芯膨胀速度更快。15 ns时刻丝芯平均直径为220 μm，对应电流为13 kA(图4a)；95 ns时刻丝芯平均直径为230 μm，对应电流为40 kA(图4c)。图5为图4d黄框处干涉条纹的反演图像和电子面密度分布[13]，峰值电子面密度为7.7×1017cm-2，对图5b中的电子面密度沿径向积分得到电子线密度约为6.0×1016cm-1(两侧)，采用文献[14]中给出的Al原子电离度4～5，则已电离的Al原子数为(1.2～1.5)×1016cm-1，约为初始质量的10%～15%(直径15 μm Al丝的原子线密度为1.06×1017cm-1)，尚有大部分质量仍处于原子状态。

a——±60 kV，15 ns阴影；b——±60 kV，15 ns干涉；c——±30 kV，95 ns阴影；d——±30 kV，95 ns干涉图4 FLTD平台分别充电±60 kV和±30 kV时Al单丝激光探针图像Fig.4 Laser probe image of single aluminum wire with FLTD charging ±60 kV and ±30 kV

图5 图4d中黄框标记处的干涉条纹反演(a)及标记位置电子面密度分布(b)Fig.5 Inversion of laser interference in Fig.4d (a) and area electron density distribution at sign position (b)

为提高Al丝单位长度上的能量沉积，FLTD平台仍充电±30 kV，实验中减小丝的长度(0.75 cm)，其他条件保持不变。图6为FLTD充电±30 kV时0.75 cm Al丝不同时刻激光探针图像，丝芯膨胀速度明显快于图4中2 cm负载的情况，达到部分气化，丝芯可分成致密原子区和气化原子区。5 ns时刻两个区域的直径分别为0.41 mm和0.58 mm，气化部分发生少量电离，密度较低，丝芯仍处于欧姆加热阶段。随电流的增大，气化原子逐渐电离，等离子体的出现和迅速膨胀降低了回路阻抗，电流转移至边界等离子体部分，从而约束了丝芯的进一步膨胀。43 ns时刻(约25 kA)致密原子区和气化原子区的直径分别为0.54 mm和0.94 mm。图7为43 ns时刻激光干涉条纹反演及条纹移动量分布，可判断对应时刻丝芯呈现为等离子体-气化原子-致密原子多维结构，各部分间具有明显的界限。

为了使丝芯接近完全气化，在电极处嵌入绝缘子(图8)，保证输出电极与负载电极间有一定的绝缘长度，以延迟丝表面发生电压击穿的时刻，实验中FLTD充电电压±30 kV和负载长度0.75 cm保持不变。图9a为电极增加闪络开关后Al丝演化的激光探针图像。15 ns时刻Al丝基本实现了完全气化，激光能完全透过丝芯，丝芯直径为0.76 mm；23 ns时刻丝芯直径膨胀至0.94 mm(同发次)，丝芯膨胀速度达11 km/s，较1～5 kA电流下的Al丝膨胀速度还要快[8,14]，原因是由于本实验中FLTD提供的电流上升率(600～700 A/ns)更高所致。根据文献[15]中计算原子分布的方法，得到图9a中干涉条纹的反演图像和原子面密度分布(图9b、c)，15 ns时刻对应的峰值原子面密度约为2.75×1018cm-2(初始原子面密度约为9×1019cm-2)，原子线密度约为1.0×1017cm-1，初始Al原子数超过90%以上，说明Al丝接近完全气化。

图6 FLTD充电±30 kV时0.75 cm Al丝不同时刻激光探针图像Fig.6 Laser probe image of 0.75 cm aluminum wire at different time with FLTD charging ±30 kV

图7 43 ns时刻的激光干涉条纹反演(a)及标记位置条纹移动量分布(b)Fig.7 Inversion of laser interference fringe at 43 ns (a) and fringe shift distribution at sign position (b)

图8 电极输出端增加闪络开关结构示意图Fig.8 Schematic diagram of flashover switch inset at output electrode

2.2 不同丝芯物理状态对Al丝芯晕演化特性的影响

图10a为FLTD平台充电±60 kV时不同时刻Al丝激光阴影图像，丝长2 cm。早期丝芯沿轴向均匀膨胀，不同时刻的丝芯直径如图10b所示，膨胀速度(vcore≈3.3 km/s)在一段时间内保持不变。而Al丝很早即发生电压击穿，图11为2 cm Al丝晕等离子体不稳定性的出现和发展，图11a为15 ns时刻激光探针图像的局部放大，此时Al丝表面已发生电离，丝芯周围形成典型的低密度晕等离子体，且沿轴向具有明显的不均匀性，具体表现为长波和短波两种形式。随丝芯边界处等离子体密度的升高和晕等离子体的膨胀，该部分阻抗迅速降低，电流全部转移到外侧，自磁箍缩则约束了丝芯的进一步膨胀，最大丝芯直径约为0.37 mm；晕等离子体的不稳定性在自磁箍缩作用下迅速发展，后期主要表现为长波模式的腊肠不稳定性(m=0)，晕等离子体轴向平均调制周期约为1.3 mm，不稳定性的持续发展最终导致丝芯断裂。而FLTD充电±30 kV时，Al单丝晕等离子体沿轴向同样表现为典型的调制分布，平均调制周期仍约为1.3 mm，区别是电流小、自磁箍缩作用弱、m=0不稳定性的发展速度减慢。

图9 电极增加闪络开关后Al丝的激光探针图像(a)、干涉条纹反演(b)和标记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

图10 FLTD充电±60 kV时2 cm Al丝的演化过程(a)和丝芯膨胀曲线(b)Fig.10 Evolution of 2 cm aluminum wire with FLTD charging ±60 kV (a) and curve of wire core expansion (b)

图11 2 cm Al丝晕等离子体不稳定性的出现(a)和发展(b)Fig.11 Appearance (a) and development (b) of corona plasma instability of 2 cm aluminum wire

对于完全气化的Al丝负载(±30 kV充电、0.75 cm丝长、增加闪络开关)，随电流的增大，气化Al原子逐渐电离，丝芯呈等离子体和气化Al原子二元分布，二者具有明显的分界线(图12)，35 ns时刻(约23 kA)的干涉条纹在等离子体和气化原子分界处出现明显的反转(图13)，对应时刻等离子体区域沿轴向较为均匀，尚未出现明显的不稳定性，回路阻抗降低，几乎全部电流通过等离子体，而电流的自箍缩效应约束了气化丝芯的进一步膨胀。随气化Al原子的电离，等离子体密度迅速升高，图13a中67 ns时刻(约38 kA)干涉条纹在边界处迅速截止，说明对应位置具有较高的密度梯度，阴影区域直径沿轴向自阴极向阳极逐渐增大，呈现一定的极性效应，即越靠近阴极气化丝芯电离速度越快，分析原因是，阴极发射的初始电子在电磁场综合作用下与气化原子碰撞发生电离并产生二次电子，二次电子导致气化边界接续电离(图13b)。晕等离子体在边界处出现扰动且沿轴向呈准周期调制分布，调制的波长为550～600 μm(图12中67 ns和75 ns激光阴影图像)，受极性效应的影响，靠近阴极丝芯膨胀慢的位置不稳定性出现时间早，发展速度快。晕等离子体沿轴向的扰动在自磁箍缩作用下持续发展(m=0不稳定性)，图12中107 ns和115 ns时刻为同一发次的分幅图像，丝芯已断裂，沿轴向呈典型的块状分布。

图12 FLTD充电±30 kV时电极增加闪络开关后0.75 cm Al丝不同时刻激光阴影图像Fig.12 Laser shadow-image of 0.75 cm aluminum wire after insetting flashover switch with FLTD charging ±30 kV

2.3 极性改变对Al丝芯晕演化特性的影响

大型脉冲功率装置通常为负极性输出，因而需研究负极性条件对Al丝芯晕演化的影响。借鉴前述气化Al丝芯的方法，FLTD负极性输出时仍在电极处增加闪络开关以延迟Al丝的击穿时刻，提高丝芯能量沉积。图14a为充电±30 kV负极性输出时0.75 cm Al丝的激光探针图像，与正极性输出时的结果相似，Al丝芯几乎完全气化，15～23 ns时刻，标记位置的丝芯直径从0.73 mm膨胀至0.96 mm，丝芯膨胀速度达14.4 km/s。图14b、c分别为15 ns时刻激光条纹的反演和标记位置的原子面密度分布，可知气化丝芯的峰值原子面密度为3.2×1018cm-2，积分得到原子线密度约为1.06×1017cm-1。丝芯沿轴向较正极性时呈更明显的极性效应，阴极附近丝芯的电离速度快，靠近阴极处晕等离子体密度高，43 ns时刻的干涉图靠近阴极处的条纹很快截止，说明边界处密度梯度大，沿轴向自阴极向阳极晕等离子体数量和密度梯度逐渐减小。分析原因为：极性改变后阴极作为高压极更易发射电子，因而靠近阴极处的Al丝芯更早发生电离，等离子体密度的急剧升高限制了该部分丝芯的进一步膨胀。与电离速度对应，阴极附近晕等离子体不稳定性出现时间早且发展速度快(图14a中51 ns时刻)。

图13 气化Al丝芯晕演化的干涉图像(a)和极性效应机制分析(b)Fig.13 Laser interference image of vaporized aluminum wire core-corona evolution (a) and analysis of polarity effect (b)

综上，不同早期物理状态决定了芯晕演化特性，根据式(1)角向磁场与电流的关系，当流过丝的电流Iz相同时，丝芯直径a越小，角向磁场强、电流导致的自磁箍缩效应越强，图11中Al丝呈典型芯晕结构时(a=0.37 mm)，晕等离子体不稳定性的发展速度明显快于图12和图14中Al丝芯完全气化的情况(a=1 mm)。而对于图12和图14中的气化丝芯，极性效应导致靠近阴极端丝芯边界处的电流密度高，因而对丝芯约束力强，阴极附近晕等离子体早期扰动出现时刻早，后期m=0不稳定性发展速度快。

(1)

其中：Bθ为丝周围的角向磁场；μ0为真空磁导率；Iz为通过金属丝的电流；a为丝芯直径。

图14 负极性条件下电极增加闪络开关后0.75 cm Al丝的芯晕演化过程(a)、干涉条纹反演(b)和标记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 结论

基于FLTD平台系统研究了Al单丝芯晕演化特性，通过调整充电电压、丝长和增加绝缘闪络开关等方法，获得了不同的Al丝物理状态。Al丝呈典型芯晕演化时，晕等离子体出现时间早、膨胀速度快，回路阻抗迅速降低，导致电流几乎全部转移到等离子体区域，而电流增大引起的自磁箍缩效应限制了丝芯的进一步膨胀；早期晕等离子体兼具有短波和长波不稳定性的特性，初始的长波扰动即为后期m=0不稳定性的主导因素，不稳定性的持续发展最终导致丝芯断裂。Al丝部分气化或完全气化时，丝芯膨胀速度明显变快，完全气化时丝芯膨胀速度达11～14 km/s；丝芯由固态到气化再到初始电离的过程中丝芯边界均较为平滑，晕等离子体沿轴向较为均匀，未发现早期的短波不稳定性；而随晕等离子体密度的升高和驱动电流的增大，等离子体在边界处开始出现扰动，该扰动在自磁箍缩作用下迅速发展为宏观的腊肠不稳定性(m=0模式)。对于MA级装置上的丝阵实验，可采用上述技术手段在预脉冲及主电流开始阶段实现丝芯物理状态调控，改变初始质量分布，通过合理选择丝阵直径和丝数，有望在内爆前形成准壳层质量分布，进而研究其对丝阵内爆动力学过程及辐射特性的影响。