[发明专利]一种面向Z箍缩的壳层等离子体柱产生方法及其装置

说明书

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：