CN103874312A - 一种面向z箍缩的壳层等离子体柱产生方法及其装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法及其装置。包括：真空等离子体靶室、脉冲电流发生器、环形激光光斑产生装置，以及数字延迟发生器；真空等离子体靶室内安装负载高压极以及与负载高压极相配合的负载地电极，负载地电极上开设开孔，真空等离子体靶室壁上设置透明窗口，负载高压极、负载地电极的开孔、以及透明窗口同轴布置；脉冲电流发生器与环形激光光斑产生装置的输入端均与数字延迟发生器相连；脉冲电流发生器的输出端与负载高压极相连，脉环形激光光斑产生装置的出光口与透明窗口同轴布置。本发明避免冷态固态材料形成壳层等离子体柱过程中产生的先导等离子体等不均匀结构，同时负载结构更加简单，安装便利、参数调节方便。

Description

一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法及其装置

技术领域

本发明属于一种等离子体产生装置，具体涉及一种壳层等离子体柱的产生方法及其装置。

背景技术

Z箍缩是一种高温高密度等离子体辐射源，其基本原理是负载在脉冲大电流下脉冲放电产生等离子体，等离子体由电流自磁场洛仑兹力驱动向轴线加速内爆，脉冲功率装置的电磁能转化为等离子体动能；高速运动的等离子体最终在轴线处碰撞滞止产生高温高密度等离子体辐射，等离子体动能转化为辐射能。Z箍缩在惯性约束聚变(Inertial Confinement Fusion,ICF)、高能量密度物理、实验室天体物理和X射线辐射模拟等领域发挥着重要作用。

目前Z箍缩常用的负载为丝阵Z箍缩负载（数十至数百根微米直径细金属丝组成的阵列）。然而，丝阵Z箍缩的演化过程非常复杂，各金属丝在大电流作用下独立演化，形成高温低密度冕等离子体围绕低温高密度丝核的“核冕”结构等离子体。核冕等离子体在全局磁场作用下向丝阵内部消融，形成先导等离子体；消融速率沿轴向表现出一定的“自然”波长，这种准周期性的调制将成为等离子体内爆时全局磁瑞利-泰勒不稳定性的初始种子，并将引起质量拖尾现象。先导等离子体和质量拖尾现象将影响内爆品质，限制辐射峰值功率的提升。

近年来，研究人员提出了利用Z箍缩内爆动能直接驱动的磁化箔筒惯性约束聚变(Magnetized Liner Inertial Fusion，MagLIF)概念，其负载为数十或数百微米级壁厚的柱形筒，即箔筒负载。箔筒负载具有较高的角向轴向均匀性，但其初始状态仍为冷态固体，融蚀中也将产生先导等离子体。此外Z装置上实验结果表明其内爆等离子体的不稳定性扰动尺度大于丝阵负载。箔筒负载内爆的不均匀性与负载加工缺陷、表面褶皱、安装时电接触的角向均匀性等问题密切相关。

由此可见，目前的丝阵和箔筒负载均从冷态固体材料开始演化，会产生先导等离子体等不均匀结构，不能有效地实现壳层等离子体柱。这就使得产生壳层等离子体柱新方法的研究变得非常重要。

发明内容

针对以上的不足与缺陷，本发明的目的在于提供一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法及其装置，解决产生壳层等离子体柱的问题。

为达到以上目的，本发明的技术方案为：

一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，包括：真空等离子体靶室、脉冲电流发生器、环形激光光斑产生装置，以及数字延迟发生器；

其中，真空等离子体靶室内安装有用于放置金属靶材料的负载高压极以及与负载高压极相配合的负载地电极，负载地电极上开设有开孔，真空等离子体靶室壁上设置有透明窗口，且负载高压极、负载地电极的开孔、以及透明窗口同轴布置；

脉冲电流发生器与环形激光光斑产生装置安装于真空等离子体靶室的外部，且脉冲电流发生器与环形激光光斑产生装置的输入端均与数字延迟发生器相连接；脉冲电流发生器的输出端与负载高压极相连接，脉环形激光光斑产生装置的出光口与透明窗口同轴布置。

所述真空等离子体靶室包括真空腔室，真空腔室的底部安装有真空机组。

所述环形激光光斑产生装置包括与数字延迟发生器相连接的脉冲激光器，脉冲激光器的出光口处安装有将圆形光斑转变成环形光斑的光学器件。

所述光学器件沿着激光方向包括依次排布的平凸透镜、轴锥透镜和平凸透镜。

所述真空等离子体靶室的真空度为10^-2Pa。

所述透明窗口为石英窗口。

一种基于权利要求1所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法，包括以下步骤：

1）调节真空等离子体靶室为真空腔体；

2）利用数字延时发生器触发环形激光光斑产生装置，环形激光光斑产生装置形成环形激光光斑后从出光口发射出，并依次通过真空等离子体靶室透明窗口、负载地电极上的开孔后辐照至负载高压极的金属靶材料上，环形激光光斑烧蚀负载高压极靶后产生环形初始等离子体；

3）待负载高压极上的环形初始等离子体形成后，利用数字延时发生器触发脉冲电流发生器，为负载高压极提供高压电流脉冲，环形初始等离子体在脉冲高压作用下，被拉向负载地电极，形成壳层等离子体柱。

与现有技术比较，本发明的有益效果为：

本发明提供了一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法及其装置，通过激光对放置于负载高压极的金属靶材料进行激光烧蚀后，形成环形初始等离子体，配合脉冲放电的方法，最终形成壳层等离子体柱，由于本发明不是直接由冷态金属材料脉冲放电产生，不形成核冕等离子体结构，从而消除了先导等离子体，另外，本发明中的等离子体由激光烧蚀负载靶产生，不要求负载靶有微米级的特性尺寸，因此制作安装更加方便，且可适用于那些不宜加工成微米级金属细丝或箔筒的负载元素，进一步的，本发明中的等离子体壳层厚度由激光光斑厚度实现，因此较细的光斑厚度可实现较薄的等离子体壳层。这时等离子体集中分布在较窄的区域内，在后续脉冲电流作用下内爆压缩，能实现较高的辐射功率输出。

附图说明

图1是本发明面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置的结构示意图；

图2是本发明实现环形光斑的光路；

图3是本发明壳层等离子体柱形成过程示意图，其中，（a）为初始等离子体，（b）为等离子体真空中自由膨胀，（c）为形成壳层等离子体柱。

图中，1为真空腔室，2为真空机组，3为负载高压极，4为负载地电极，5为脉冲电流发生器，6为脉冲激光器，7为光学器件，8为数字延迟发生器。

具体实施方式

下面结合具体的实施例对本发明做进一步的详细说明，所述是对本发明的解释而不是限定。

参见图1，一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，包括：真空等离子体靶室、脉冲电流发生器5、环形激光光斑产生装置，以及数字延迟发生器8；其中，所述真空等离子体靶室的真空度为10^-2Pa，真空等离子体靶室内安装有用于放置金属靶材料的负载高压极3以及与负载高压极3相配合的负载地电极4，负载地电极4上开设有开孔，真空等离子体靶室壁上设置有透明窗口，且负载高压极3、负载地电极4的开孔、以及透明窗口同轴布置；

脉冲电流发生器5与环形激光光斑产生装置安装于真空等离子体靶室的外部，且脉冲电流发生器5与环形激光光斑产生装置的输入端均与数字延迟发生器8相连接；脉冲电流发生器5的输出端与负载高压极3相连接，脉环形激光光斑产生装置的出光口与透明窗口同轴布置，所述透明窗口可为石英窗口。

具体的，所述真空等离子体靶室包括真空腔室1，真空腔室1的底部安装有真空机组2。

所述环形激光光斑产生装置包括与数字延迟发生器8相连接的脉冲激光器6，脉冲激光器6的出光口处安装有将圆形光斑转变成环形光斑的光学器件7，其中，参见图2，沿着激光方向，所述光学器件7包括依次排布的平凸透镜、轴锥透镜和平凸透镜。

本发明还提供一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法，包括以下步骤：

1）调节真空等离子体靶室为真空腔体；

2）利用数字延时发生器8触发环形激光光斑产生装置，环形激光光斑产生装置形成环形激光光斑后从出光口发射出，并依次通过真空等离子体靶室透明窗口、负载地电极4上的开孔后辐照至负载高压极的金属靶材料上，环形激光光斑烧蚀负载高压极靶后产生环形初始等离子体；

3）待负载高压极上的环形初始等离子体形成后，利用数字延时发生器8触发脉冲电流发生器5，为负载高压极3提供高压电流脉冲，环形初始等离子体在脉冲高压作用下，被拉向负载地电极4，形成壳层等离子体柱。

本发明的工作过程为：

在工作时，负载高压极靶和地电极靶安装于真空腔室内，高压极靶为平板金属电极，与脉冲电流源的输出端连接；地电极靶为轴线处开孔的平板金属电极，与装置地连接。负载靶安装后，打开真空机组，将真空腔室内抽真空，真空度为10^-2Pa。

光学器件参见图2，沿着激光方向依次排布一个平凸透镜、一个轴锥透镜和一个平凸透镜，可将圆形光斑转化为环形光斑。通过调整轴锥透镜与前后透镜的相对位置，可产生不同直径和厚度的环形光斑。

待真空腔室内真空度达到上述要求后，利用数字延时发生器触发脉冲激光器，激光器输出的圆形光斑通过光学器件后可形成环形光斑。环形光斑光束依次通过真空腔室的石英窗口、负载阳极小孔后辐照至负载高压极靶上。环形激光光斑烧蚀负载高压极靶可产生环形初始等离子体。

待负载高压极上的环形初始等离子体形成后，利用数字延时发生器触发脉冲电流发生器，可为高压极提供高压电流脉冲，这时环形初始等离子体在脉冲高压作用下，被拉向负载地电极，形成壳层等离子体柱。

通过下面方法来调节壳层等离子体柱的几何参数。等离子体柱长度等于负载高压极和地电极之间的距离，该距离应与脉冲电压值相匹配。等离子体壳层的直径和厚度主要由环形光斑的诱导的初始等离子体决定，可通过光学器件进行调节。壳层等离子体柱的轴向均匀性可通过调节脉冲激光和脉冲电流的时间间隔进行改善，由数字延时发生器实现。

通过下面方法来调节壳层等离子体柱的等离子体参数。等离子体柱的元素种类为负载靶材料；初始等离子体中的电离度分布可通过脉冲激光强度调节，如图3所示，其中，（a）为初始等离子体，（b）为等离子体真空中自由膨胀，（c）为形成壳层等离子体柱。

如上所述，本方法通过环形激光光斑初始化和脉冲电流激发形成壳层等离子体柱。脉冲激光通过平凸透镜和轴锥透镜构成的光学器件，可形成环形光斑，环形光斑烧蚀负载高压极靶产生环形初始等离子体；该环形等离子体在高压电流脉冲作用下可形成壳层等离子体柱。通过调节高压极靶材料、环形激光光斑直径和厚度、脉冲电流强度等方法，可调节壳层等离子体柱的离子种类、几何参数、等离子体温度密度等参数。本发明通过上述设计方法，可避免冷态固态材料形成壳层等离子体柱过程中产生的先导等离子体等不均匀结构，同时负载结构更加简单，安装便利、参数调节方便。

进一步，本发明中的等离子体元素以金属靶元素为主，采用不同的靶材料可以产生不同元素的等离子体。丝阵和箔筒负载由微米级细丝或箔片构成，其能实现的极限直径或厚度受到加工能力的限制。本发明中的等离子体由激光烧蚀负载靶产生，不要求负载靶有微米级的特性尺寸，因此制作安装更加方便，且可适用于那些不宜加工成微米级金属细丝或箔筒的负载元素。

Claims (7)

1.一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，其特征在于，包括：真空等离子体靶室、脉冲电流发生器（5）、环形激光光斑产生装置，以及数字延迟发生器（8）；

其中，真空等离子体靶室内安装有用于放置金属靶材料的负载高压极（3）以及与负载高压极（3）相配合的负载地电极（4），负载地电极（4）上开设有开孔，真空等离子体靶室壁上设置有透明窗口，且负载高压极（3）、负载地电极（4）的开孔、以及透明窗口同轴布置；

脉冲电流发生器（5）与环形激光光斑产生装置安装于真空等离子体靶室的外部，且脉冲电流发生器（5）与环形激光光斑产生装置的输入端均与数字延迟发生器（8）相连接；脉冲电流发生器（5）的输出端与负载高压极（3）相连接，脉环形激光光斑产生装置的出光口与透明窗口同轴布置。

2.根据权利要求1所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，其特征在于，所述真空等离子体靶室包括真空腔室（1），真空腔室（1）的底部安装有真空机组（2）。

3.根据权利要求1所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，其特征在于，所述环形激光光斑产生装置包括与数字延迟发生器（8）相连接的脉冲激光器（6），脉冲激光器（6）的出光口处安装有将圆形光斑转变成环形光斑的光学器件（7）。

4.根据权利要求3所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，其特征在于，所述光学器件（7）沿着激光方向包括依次排布的平凸透镜、轴锥透镜和平凸透镜。

5.根据权利要求1至4任一项所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，其特征在于，所述真空等离子体靶室的真空度为10^-2Pa。

6.根据权利要求1至4任一项所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生装置，其特征在于，所述透明窗口为石英窗口。

7.一种基于权利要求1所述的面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法，其特征在于，包括以下步骤：

1）调节真空等离子体靶室为真空腔体；

2）利用数字延时发生器（8）触发环形激光光斑产生装置，环形激光光斑产生装置形成环形激光光斑后从出光口发射出，并依次通过真空等离子体靶室透明窗口、负载地电极（4）上的开孔后辐照至负载高压极（3）的金属靶材料上，环形激光光斑烧蚀负载高压极靶后产生环形初始等离子体；

3）待负载高压极（3）上的环形初始等离子体形成后，利用数字延时发生器（8）触发脉冲电流发生器（5），为负载高压极（3）提供高压电流脉冲，环形初始等离子体在脉冲高压作用下，被拉向负载地电极（4），形成壳层等离子体柱。

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