[发明专利]一种兆安级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法

说明书

本发明提供了一种兆安级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法，在不更改脉冲驱动源参数和馈入预脉冲的前提下，仅通过改进负载结构调控金属丝阵的早期物理状态，进而便于深入研究其对内爆动力学和等离子体不稳定性发展过程的影响。本发明在仅有一个电流回路的传统典型丝阵结构的基础上，在Z箍缩实验用装置高压输出端增加反转型丝阵连接其阴、阳极，形成具有两个独立电流回路的二级丝阵结构；通过选取所述反转型丝阵和/或传统典型丝阵结构中负载丝阵的参数，即可实现金属丝阵早期物理状态的调控；所述参数包括丝阵的金属丝长度、直径、线质量和根数。

技术领域

本发明属于等离子体科学领域，涉及一种兆安(MA)级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法。

背景技术

Z箍缩(Z-pinch)是一种依靠Z方向(Z箍缩负载一般为轴对称结构，对称轴即我们常说的Z方向，也是电流流过的方向)电流产生的电磁力使自身箍缩或向轴线内聚运动的等离子体构型，常用的负载为气流、金属丝阵或套筒，其中，金属丝阵Z箍缩等离子体辐射源是一种最有效的实验室软X射线源，可用于开展辐射效应、惯性约束聚变(ICF)、高能量密度物理以及实验室天体物理等相关研究。

在兆安(MA)级电流下，金属丝很早即发生沿面电离形成冕等离子体(一般认为金属丝表面吸附的气体和杂质首先电离)，欧姆加热过程的时间很短，电流初期馈入金属丝阵的能量相对较少，丝核一般呈固态或液态。各金属丝电离产生的冕等离子体在全局磁场作用下从丝核处剥离并向轴向运动，形成预填充的等离子体，我们称之为丝阵的消融过程，消融过程中金属丝沿轴向出现周期性调制结构，直接影响了丝阵后续的内爆动力学特性和等离子体不稳定性的发展。

为了改变金属丝阵的早期物理状态，目前常用的手段为从外部另馈入预脉冲或者给金属丝镀膜，国内外综合利用上述手段在1～10kA快脉冲电流下(前沿10～20ns)实现了单丝及丝阵早期物理状态的改变(汽化)。但是对于现有大型脉冲功率装置而言，从外部引入特定的快脉冲尚有一定工程难度，这影响了兆安(MA)级电流下金属丝阵早期物理状态的调控和后续内爆动力学过程的深入研究。

发明内容

本发明提供了一种兆安级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法，在不更改脉冲驱动源参数和馈入预脉冲的前提下，仅通过改进负载结构调控金属丝阵的早期物理状态，进而便于深入研究其对内爆动力学和等离子体不稳定性发展过程的影响。

本发明的技术解决方案是：

一种兆安级电流下金属丝阵早期物理状态的调控方法，其特殊之处在于：在仅有一个电流回路的传统典型丝阵结构的基础上，在Z箍缩实验用装置高压输出端增加反转型丝阵连接其阴、阳极，形成具有两个独立电流回路的二级丝阵结构；通过选取所述反转型丝阵和/或传统典型丝阵结构中负载丝阵的参数，即可实现金属丝阵早期物理状态的调控；所述参数包括丝阵的金属丝长度、直径、线质量和根数。

进一步地，所述参数选取原则是使得：

所述反转型丝阵的初始回路电感小于所述传统典型丝阵结构中负载丝阵的初始回路电感；

所述反转型丝阵和所述传统典型丝阵结构中负载丝阵的金属丝长度、直径、线质量和根数应保证所述反转型丝阵的关断时间在Z箍缩实验用装置主电流脉冲的前沿。

进一步地，所述反转型丝阵和负载丝阵均由多根沿同一圆周分布的金属丝构成。

进一步地，所述负载丝阵的初始回路电感和反转型丝阵的初始回路电感分别根据下述公式(1)和(2)计算：

上式中，各参数含义：

L_load为负载丝阵的初始回路电感；

L_inv为反转型丝阵的初始回路电感；