研制可靠的数值模拟工具对Z箍缩内爆产生X光辐射过程进行理论研究、实验分析以及负载设计至关重要.介绍了2维三温辐射磁流体力学程序(MARED)的物理方案,给出了MARED程序的1维检验结果,验证表明MARED程序适用不同装置条件、不同负载参数.结合丝阵Z箍缩实验的数值模拟和分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X光辐射功率远大于铝丝阵产生的X光功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到X光功率越低;X光功率随着负载电流增加而增加.
Z箍缩 内爆等离子体 丝阵负载 MARED程序 数值模拟 X光辐射
实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率.为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析.分析表明:双层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性.
Z箍缩 双层丝阵负载 RT不稳定性 Z-pinch Nested-wire array Rayleigh-Taylor instability 强激光与粒子束
2005, 17(10): 1533
在喷气Z-pinch内爆等离子体研究中,雪铲模型是一种常用的、比较简单的物理模型.根据实验中提供的电流波形,负载线质量和初始半径,可以通过雪铲模型来估算内爆到心的时刻.根据一维运动方程和不同构形下的解析解以及部分实验结果相结合,讨论了雪铲模型的适用范围.数值计算的内爆时间和实验(Gamble II,Double-EAGLE,BLACKJACK 5)测量值符合得较好.结果表明,雪铲模型在喷气Z-pinch实验的负载优化设计研究中是很有参考价值的方法.
Z箍缩 雪铲模型 内爆等离子体 喷气 Z-pinch Snowplow model Imploding plasma Gas-puff
以俄罗斯S-300 Z-pinch装置的负载电流波形为基准,利用Z箍缩的质点模型对钨丝阵负载的初始半径和线质量进行了系统的优化计算,得到了不同电流幅值的电流波形所对应的优化丝阵负载参数.发现了负载最大内爆动能与负载电流幅值的平方成正比关系.电流上升时间对最优丝阵负载参数的影响的计算表明,随着负载电流上升时间的增大,负载的最优线质量也要增大.
Z-箍缩 丝阵负载优化 质点模型 丝的间隙 Z-pinch Optimal design of wire-array load 0-D model Inter-wire gap 强激光与粒子束
2003, 15(12): 1200
在拉格朗日坐标系下,建立了描述Z箍缩等离子体内爆动力学过程的一维三温辐射磁流体力学方程组,并编制了相应的拉氏程序.利用该程序对美国Sandia实验室Saturn装置上的铝丝阵列内爆实验进行了数值模拟,得到了内爆等离子体各参量的时空分布.其中内爆到心时刻、X光峰值功率、X光总能量等计算结果与实验结果基本一致.表明所建立的物理模型和编制的程序是合理和可靠的.
Z箍缩 辐射磁流体动力学 内爆等离子体 Zpinch radiation magnetohydrodynamics imploding plasma
对“阳”加速器(1.2MV,1.5MA,120ns)上开展Z箍缩(Z-pinch)内爆等离子体实验产生强X光源的负载设计进行了基本的物理分析,在此基础上给出负载的结构尺寸,气体种类、密度和相关的参数。这些结果对物理问题的分析是有帮助的。
Z箍缩 内爆等离子体 负载 “阳”加速器 快过程 Z-pinch imploding plasma load anode accelerator
1 北京应用物理与计算数学研究所, 北京 100088
2 中国科学院上海光学精密机械研究所, 上海 201800
本文采用基于单粒子理论的CAGFEL程序,对中国科学院上海光学精密机械研究所(简称上海光机所)喇曼自由电子激光器的近期实验结果进行了数值模拟,计算表明,当电子能量Ee=0.5MeV,能散度Δγ/γ=6％和发射度ξ=0.06(π)rad·cm时,器件的峰值功率高达24MW,对应的辐射增长率为120dB/m,效率为6.1％。
喇曼自由电子激光器 数值模拟
