Dense Z-pinch plasmas are powerful and energy-efficient laboratory sources of X-rays, and show the possibility to drive inertial confinement fusion (ICF). Recent advances in wire-array Z-pinch and Z-pinch dynamic hohlraum (ZPDH) researches at the Institute of Applied Physics and Computational Mathematics are presented in this paper. Models are setup to study different physical processes. A full circuit model (FCM) was used to study the coupling between Z-pinch implosion and generator discharge. A mass injection model with azimuthal modulation was setup to simulate the wire-array plasma initiation, and the two-dimensional MHD code MARED was developed to investigate the Z-pinch implosion, MRT instability, stagnation and radiation. Implosions of nested and quasi-spherical wire arrays were also investigated theoretically and numerically. Key processes of ZPDH, such as the arrayefoam interaction, formation of the hohlraum radiation, as well as the following capsule ablation and implosion, were analyzed with different radiation magneto-hydrodynamics (RMHD) codes. An integrated 2D RMHD simulation of dynamic hohlraum driven capsule implosion provides us the physical insights of wire-array plasma acceleration, shock generation and propagation, hohlraum formation, radiation ablation, and fuel compression.

通过一维条纹相机诊断系统对“聚龙一号”(JL-Ⅰ)四类单层丝阵负载进行了轴向X光辐射测量。由于瑞利-泰勒不稳定性的影响, 大部分负载表现出两端发光比中间滞后、阳极端发光比阴极端滞后、阳极端发光总强度弱于阴极端的现象。通过不同类型丝阵对比, 对于20 mm直径的丝阵, JL-Ⅰ驱动器的匹配负载线质量在0.9 mg/cm附近。轴向辐射同步性与辐射功率之间存在相关性。

介绍了“聚龙一号”上使用的一种由金阴极X光二极管(XRD)和具有特殊构型的复合金滤片构成的平响应XRD探测器,测量软X光通量的标定和实验情况。该探测器的灵敏度在北京同步辐射的4B7B束线站和4B7A束线站标定。标定的灵敏度显示,该探测器对0.1~4 keV之间的X光具有近似平坦的响应曲线。根据标定情况和探测器的谱响应特性,给出了目前该探测器在用于Z箍缩产生的软X光通量诊断中的测量不确定度为12%。在单层钨丝阵Z箍缩实验中,平响应XRD探测器测得Z箍缩产生的X光功率峰值达到52 TW,能量达540 kJ。在动态黑腔实验中,布置在径向和轴向的两套平响应XRD探测器被用于建立径向辐射功率波形和轴向辐射功率波形之间的时间关联。在典型的动态黑腔实验中,测得轴向辐射功率峰值出现在径向辐射功率前约1.2 ns。

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局,分析了丝数132~300、丝直径5~10 μm、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明,钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致,内爆轨迹存在偏离,丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主,内爆开始时间约为总内爆时间的67%; 随着负载质量和半径的增大,负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加,X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵,其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵,但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当,能量转换效率约为15%。此外,还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。

基于多质点薄壳模型对准球形丝阵负载参数进行优化, 使得终态等离子体具有预期的内爆特性。通过对丝阵初始位形优化, 可以获得期望的终态等离子体壳纵横比, 并且终态纵横比对负载初始质量变化不敏感。对于固定电流波形(峰值1.2 MA、上升时间80 ns), 优化计算了初始丝长度15.4 mm的丝阵线质量。结果表明, 当丝阵初始线质量约为150 μg/cm时, 赤道半径为2 mm、纵横比为1的终态等离子体壳具有最大动能1.5 kJ。同时, 还针对不同幅度及上升时间的电流进行优化计算, 计算结果表明终态等离子体壳的优化的最高动能与电流峰值平方成正比, 与最高动能相应的线质量与电流上升时间平方成正比。

在“强光一号”装置上研究了表面绝缘对平面钨丝阵早期过程的影响。通过对实验结果的唯象分析，发现相对于标准丝阵，表面绝缘丝阵X射线辐射被强烈延迟，并与丝阵宽度有较强的依赖关系，在X射线辐射之前存在较强的阴极发射; 表面绝缘丝阵X射线辐射副脉冲幅值是标准丝阵两倍，且存在较长的平台期，其单丝等离子体膨胀导致的温度降低效应比标准丝阵强; 在快速内爆开始之前，两者形成了类似的宏观磁流体不稳定性结构。

利用“强光一号”装置开展了排宽度6~24 mm、丝根数10~34、不同参数的单排平面型铝丝阵Z箍缩实验研究,重点研究了不同负载参数下平面型丝阵Z箍缩内爆、辐射特性随负载参数的变化规律。结果表明：平面型丝阵负载内爆过程存在先驱等离子体柱、拖尾质量等,并伴随着R-T不稳定性；在滞止后期等离子体箍缩柱受扭曲不稳定性影响明显；不同参数负载聚爆时间取决于线质量与排宽度平方的乘积值；以辐射能衡量的最优化值应位于200~400 μg·cm之间,在相同值下丝间距应选择在1 mm以下为宜。实验获得的平面型铝丝阵最大X射线辐射能量22 kJ,峰值功率630 GW,最大K层辐射能量3.9 kJ,K层辐射功率158 GW。

基于激光阴影像，研究了直径为8 mm的钨丝阵在滞止阶段的不稳定性发展。实验结果表明，在消融阶段早期，不稳定性扰动的主导波长为0.2 mm。在内爆后期和滞止阶段，不稳定主导波长迅速向长波长方向发展。在功率峰值前后，扭曲不稳定性特征开始出现，在滞止等离子体柱达到最小收缩直径后，辐射功率出现了明显下降。

薄膜量热计是进行Z箍缩辐射总能量测量的主要手段之一，准确可信的总能量参数对Z箍缩研究具有重要意义。对薄膜量热计装置进行技术改进，采用脉冲恒流源代替脉冲恒压源驱动镍薄膜量热计，撤除了回路中的串接电阻，可直接测量薄膜探测器的电阻变化，从而有效提高了辐射总能量测量的精度，拓宽了该设备的适用范围，使其可对目前“强光一号”加速器Z箍缩实验中所有典型负载进行测量。改进后平面型铝丝阵负载实验中总能量测量的相对不确定度由49.0%降低为19.6%。与闪烁探测系统功率测量结果积分值进行了对比，二者比值在0.87~1.04之间。

基于多种诊断设备获得的物理参数和物理图像，分析了8 mm铝丝阵内爆各阶段的辐射特征。 实验结果表明，铝丝阵的先驱等离子体在形成后未出现明显不稳定性特征。在向心箍缩阶段，出现了泡-钉(bubble-spike)结构，并伴有局部热点。结合分析空间分辨能谱图像，表明热点的形成与等离子局部的高温高密状态有关。通过对X光条纹像进行时间和空间的定标，得到透过50 μm Be膜的等离子体热点的空间尺寸约为0.8 mm，持续时间小于10 ns。