本文介绍的工程项目在于研发一种激光技术来清除大面积海域和其他水面存在的油膜污染物。针对海面严重污染问题, 研究了基于喷气发动机的可移动气动CO2激光器(100~250 kW)的设计方案及其在清除水面污染时的工程实现。提出的技术方案意在有效弥补传统的海面油膜处理方法只可处理块状油层而无法消除100 μm厚油膜的弊病。文中介绍了可移动气动CO2激光器的设计机理, 研究了可执行该项工作的不同类型的激光器, 证明了选用可移动气动CO2激光器执行该项工作的合理性。考虑了激光器系统的供气方案, 选择了高质量的喷气发动机作气动CO2激光器的动力设备并设置了该设备工作时需要的容量。最后,描述了该激光系统气动液压设备的设计方案, 给出了相关设备、油箱、和操作控制单元的结构。目前, 作者已经完成了用于处理水面油膜的气动CO2激光器的概念设计, 并制备了相应的激光系统。另外, 研制了气动CO2激光器系统的工作平台,通过用激光束扫描石油膜覆盖的水面, 实验验证了利用该系统收集油膜和令油膜有效燃烧的可行性。

针对波长为0.3~0.5 nm的喷气箍缩等离子体X射线诊断, 研制了一种适用的高空间分辨的晶体谱仪。色散元件采用云母(002)凸面晶体, 布拉格角为37°, 信号采用X射线胶片进行接收, 有效接收面积为30 mm×80 mm。物理实验在“阳”加速器装置上进行, 胶片获得了氩喷气K, L壳层光谱信号, 其光谱范围较宽, 为0.31~0.40 nm。经解谱发现,类氦谱线有明显的基底, 用最小二乘法拟合包络曲线去噪处理后, 得到类氦谱线光谱分辨力为200~300。实验结果表明,该谱仪获得的X射线测量值与理论值相符, 适合喷气箍缩等离子体X射线光谱的诊断。

介绍了一种用于“阳”加速器的超音速单壳层喷气Z箍缩负载。利用快响应压力探针对喷气负载产生的超音速流场进行了测量,获得了流场中各个位置的冲击压力以及超音速喷嘴前端的驻室压力,结合流体力学公式,给出了流场中的压力和密度分布。气流的径向密度剖面显示,气体壳层的位置随轴向位置的变化而存在差异,并且随着到喷嘴距离的增加,轴心处的气流密度不断增加。对密度分布的径向积分结果表明,气流在靠近喷嘴处的线质量密度最大,距喷嘴越远,线质量密度越小。利用单壳层超音速喷气负载,在“阳”加速器上进行了喷气Z箍缩内爆实验,对内爆过程进行了初步分析,并利用雪耙模型计算了等离子体壳层的内爆轨迹,计算结果与实验测量较好地符合。

为了测量喷气箍缩等离子体X射线的空间分辨光谱，利用椭圆聚焦原理，研制了一种椭圆晶体谱仪.分别利用Si(111)、Mica(002)椭圆晶体作色散元件，离心率均为0.948 0，布喇格角为30～67.5°，光谱信号采用半径为50 mm的半圆形胶片接收，从等离子体源经晶体到胶片的光路长为1 430 mm.在“阳”加速器装置上进行摄谱验证实验,成功获取了氩喷气等离子体X射线的光谱.测量光谱波长与理论值相符，其中Si弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝200～300)低于Mica弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝500～700).实验结果表明,该谱仪适合于喷气箍缩等离子体X射线的光谱学研究.

在清华大学喷气Z箍缩平台上进行了对Ne气的箍缩软X射线诊断工作.该喷气装置由4个充电至23 kV的电容器并联组成,总储能4.5 kJ,放电电流峰值210 kA,上升沿2.5 μs.实验中通过观测放电电流微分信号来观测箍缩聚焦点的位置(波形的下凹尖峰点),此尖峰也是X光辐射的时间分辨点.利用响应时间为亚ns量级的光敏半导体探测器(PIN)探头获得了Ne气箍缩时等离子体发出的软X射线信号,X光辐射出现在放电电流微分信号突变点附近.一般来说,多次箍缩会导致多次的X光辐射输出,实验中的X光脉冲实际为多个等离子热点辐射叠加的结果,单次箍缩所产生的X光辐射比多次箍缩所产生的X光辐射要强.对每次箍缩来说,单个X光脉冲信号比多个X光脉冲信号的幅值要大.

介绍了采用外差式记录系统和相位跟踪方法建立的高灵敏度(0.2°)迈克尔逊激光干涉系统对Z-pinch喷气负载质量线密度的测量.通过采用充气隔振光学平台和将干涉仪放置到喷气真空室内等隔振方法,有效地消除了机械振动对测量结果的影响,获得了拉瓦尔喷嘴产生的超音速Ar气喷气负载平均质量线密度随时间的变化曲线,为优化喷嘴理论设计程序提供了实验依据.气流稳态的建立时间可以用于精确控制喷气装置电磁阀门的打开时刻,保证喷气Z-pinch 实验中脉冲功率装置提供的脉冲电流与喷气负载平顶之间的时间同步.

喷气负载是高功率Z箍缩的主要负载之一.应用一维等熵压缩气体动力学,分析了"强光一号"加速器拉瓦尔喷嘴的基本物理过程,获得了拉瓦尔喷嘴出口处气流的马赫数,Ma=4.6,并对其进行了修正,修正值为3.5.利用由雪耙模型导出的Z箍缩聚爆时间表达式,并结合"强光一号"Z箍缩实验结果,修正了由一维等熵气体动力学得到的喷嘴气流线质量表达式.最后根据已知气流的线质量40μg/cm,利用B-T模型初步估算了喷嘴的气流密度分布.估算结果为:在轴向2.5～40 mm,径向0～15 mm的区域内,气体分子密度基本在10¹⁶～10¹⁷/cm³,且在轴向2 cm内基本形成空心的气体壳层结构.

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.

叙述了高速摄影在阳加速器喷气Z-pinch实验中测量等离子体向心运动时的应用,用高速变像管扫描相机首次拍摄到阳加速器喷气负载为氖气状态下产生等离子体压缩过程的扫描像,该扫描像的时间分辨本领很高,可以观察到等离子体内爆压缩阶段整个过程,测得了该过程的直径随时间连续变化曲线.

利用双压力传感器的方法测量了喷气Z箍缩负载的气流马赫数.测量得到的气流马赫数最高可达到4.25,它和定常计算的结果4.8很接近,这表明可以用定常计算来估算喷气Z箍缩中超声速喷嘴产生的气流马赫数.