Al絲物理狀態調控及對芯暈演化特性的影響

張金海，李 沫，孫鐵平，王亮平，李 陽，吳撼宇，叢培天，盛 亮，邱愛慈

(1.西北核技術研究所 強脈沖輻射環境模擬與效應國家重點實驗室，陜西 西安 710024；2.清華大學 工程物理系，北京 100084)

在MA級絲陣Z箍縮中，金屬絲表面很早即發生電壓擊穿，絲表現為冷啟動，呈典型芯暈結構。絲陣在全局磁場作用下向內消融，消融等離子體沿軸線呈準周期調制分布，調制波長與絲材料密切相關。文獻[1-4]根據MAGPIE裝置上的不同材料金屬絲陣消融過程的圖像，獲得Al和W的調制波長分別約為0.5 mm和0.25 mm。文獻[5-6]在1 MA-ZEBRA裝置上研究了預脈沖調制對絲陣早期演化過程的影響，實驗發現早期不同狀態直接影響絲陣后續的內爆動力學和X射線輻射產額，一定范圍內預脈沖電流上升速率越快，輻射產額越高。而在MAGPIE裝置上開展的預脈沖(15 kA或35 kA，約500 ns)條件下的Al絲陣實驗，輻射功率和產額縮小約30倍，原因是長時間預脈沖加速了磁瑞利-泰勒不穩定性的發展[7]。

為了改變絲芯物理狀態，國內外開展了一系列1～5 kA的小電流裝置上單絲實驗。Sarkisov[8-9]在正極性快脈沖(150 A/ns)條件下實現了Al絲和鍍膜W絲的幾乎完全氣化，大幅提高了絲芯的能量沉積；Wu等[10-11]在負極性快脈沖條件下實現了Al絲和鍍膜W絲的幾乎完全氣化；Shi等[12]在負極性快脈沖條件下，通過增加絕緣閃絡開關改變徑向電場分布，實現了裸W絲的幾乎完全氣化。但考慮到絲陣早期消融呈現一定的單絲行為，上述研究中實驗電流較小，氣化絲芯電離較少，因而未能給出絲芯物理狀態改變對芯暈演化特性尤其是暈等離子體不穩定性出現和發展的影響。基于快直線脈沖變壓器(FLTD)，本文考慮在數十kA電流下實現Al單絲早期物理狀態的調控，并獲得其對后續芯暈演化特性的影響。

1 實驗布局

FLTD平臺包含12個支路，每個支路由兩個電容器和1個氣體開關組成，充電電壓25～100 kV可調，不同電壓下電流上升時間(約100 ns)相當，峰值電流隨充電電壓的增大而增大；輸出正負極性可調，充電電壓較低時，正負極性均正常工作，提高充電電壓，負極性工作時存在電流損失，而正極性工作正常。圖1為用于Z箍縮實驗的FLTD平臺示意圖，實驗在真空條件下進行，分子泵出口處的真空低于10-3Pa時進行實驗。圖2a為負載區的結構示意圖，采用羅氏線圈測量通過負載的電流，采用同軸型水電阻分壓器測量負載電壓，圖2b為電容器充電±30 kV時正負極性輸出的電壓電流波形，負載端的電壓與電容器充電電壓相當。實驗用Al絲的直徑為15 μm，長度分別為2 cm和0.75 cm。

圖1 FLTD平臺示意圖Fig.1 Schematic diagram of FLTD

圖3為FLTD平臺等離子體光學診斷系統布局。光路設計為兩路陰影圖像，一路干涉圖像，激光波長532 nm。兩幅陰影圖像通過延長光路設計延時，時間間隔約15 ns或8 ns，兩條光路呈30°；干涉光路則基于Mach-Zehnder光路，成像系統均采用雙透鏡4f成像方式，采用Canon相機記錄圖像。選用光電探測器THORLABS-DET10A-M記錄激光出光時刻，與電流信號關聯用于確定和調整拍照時刻。

圖2 基于FLTD平臺的Z箍縮負載(a)和不同極性輸出的電流、電壓波形(b)Fig.2 Z-pinch load based on FLTD (a) and current and voltage in different polarities (b)

圖3 FLTD平臺等離子體光學診斷系統布局Fig.3 Layout of plasma optical diagnostic system on FLTD

2 實驗結果與分析

2.1 Al絲早期物理狀態的調控

圖4為FLTD平臺分別充電±60 kV和±30 kV時Al單絲激光探針圖像(橫縱比為2)，其中Al絲直徑15 μm、絲長2 cm。兩種電壓下，Al絲均呈典型芯暈結構，±60 kV充電時，電流大且電流上升率快，絲芯膨脹速度更快。15 ns時刻絲芯平均直徑為220 μm，對應電流為13 kA(圖4a)；95 ns時刻絲芯平均直徑為230 μm，對應電流為40 kA(圖4c)。圖5為圖4d黃框處干涉條紋的反演圖像和電子面密度分布[13]，峰值電子面密度為7.7×1017cm-2，對圖5b中的電子面密度沿徑向積分得到電子線密度約為6.0×1016cm-1(兩側)，采用文獻[14]中給出的Al原子電離度4～5，則已電離的Al原子數為(1.2～1.5)×1016cm-1，約為初始質量的10%～15%(直徑15 μm Al絲的原子線密度為1.06×1017cm-1)，尚有大部分質量仍處于原子狀態。

a——±60 kV，15 ns陰影；b——±60 kV，15 ns干涉；c——±30 kV，95 ns陰影；d——±30 kV，95 ns干涉圖4 FLTD平臺分別充電±60 kV和±30 kV時Al單絲激光探針圖像Fig.4 Laser probe image of single aluminum wire with FLTD charging ±60 kV and ±30 kV

圖5 圖4d中黃框標記處的干涉條紋反演(a)及標記位置電子面密度分布(b)Fig.5 Inversion of laser interference in Fig.4d (a) and area electron density distribution at sign position (b)

為提高Al絲單位長度上的能量沉積，FLTD平臺仍充電±30 kV，實驗中減小絲的長度(0.75 cm)，其他條件保持不變。圖6為FLTD充電±30 kV時0.75 cm Al絲不同時刻激光探針圖像，絲芯膨脹速度明顯快于圖4中2 cm負載的情況，達到部分氣化，絲芯可分成致密原子區和氣化原子區。5 ns時刻兩個區域的直徑分別為0.41 mm和0.58 mm，氣化部分發生少量電離，密度較低，絲芯仍處于歐姆加熱階段。隨電流的增大，氣化原子逐漸電離，等離子體的出現和迅速膨脹降低了回路阻抗，電流轉移至邊界等離子體部分，從而約束了絲芯的進一步膨脹。43 ns時刻(約25 kA)致密原子區和氣化原子區的直徑分別為0.54 mm和0.94 mm。圖7為43 ns時刻激光干涉條紋反演及條紋移動量分布，可判斷對應時刻絲芯呈現為等離子體-氣化原子-致密原子多維結構，各部分間具有明顯的界限。

為了使絲芯接近完全氣化，在電極處嵌入絕緣子(圖8)，保證輸出電極與負載電極間有一定的絕緣長度，以延遲絲表面發生電壓擊穿的時刻，實驗中FLTD充電電壓±30 kV和負載長度0.75 cm保持不變。圖9a為電極增加閃絡開關后Al絲演化的激光探針圖像。15 ns時刻Al絲基本實現了完全氣化，激光能完全透過絲芯，絲芯直徑為0.76 mm；23 ns時刻絲芯直徑膨脹至0.94 mm(同發次)，絲芯膨脹速度達11 km/s，較1～5 kA電流下的Al絲膨脹速度還要快[8,14]，原因是由于本實驗中FLTD提供的電流上升率(600～700 A/ns)更高所致。根據文獻[15]中計算原子分布的方法，得到圖9a中干涉條紋的反演圖像和原子面密度分布(圖9b、c)，15 ns時刻對應的峰值原子面密度約為2.75×1018cm-2(初始原子面密度約為9×1019cm-2)，原子線密度約為1.0×1017cm-1，初始Al原子數超過90%以上，說明Al絲接近完全氣化。

圖6 FLTD充電±30 kV時0.75 cm Al絲不同時刻激光探針圖像Fig.6 Laser probe image of 0.75 cm aluminum wire at different time with FLTD charging ±30 kV

圖7 43 ns時刻的激光干涉條紋反演(a)及標記位置條紋移動量分布(b)Fig.7 Inversion of laser interference fringe at 43 ns (a) and fringe shift distribution at sign position (b)

圖8 電極輸出端增加閃絡開關結構示意圖Fig.8 Schematic diagram of flashover switch inset at output electrode

2.2 不同絲芯物理狀態對Al絲芯暈演化特性的影響

圖10a為FLTD平臺充電±60 kV時不同時刻Al絲激光陰影圖像，絲長2 cm。早期絲芯沿軸向均勻膨脹，不同時刻的絲芯直徑如圖10b所示，膨脹速度(vcore≈3.3 km/s)在一段時間內保持不變。而Al絲很早即發生電壓擊穿，圖11為2 cm Al絲暈等離子體不穩定性的出現和發展，圖11a為15 ns時刻激光探針圖像的局部放大，此時Al絲表面已發生電離，絲芯周圍形成典型的低密度暈等離子體，且沿軸向具有明顯的不均勻性，具體表現為長波和短波兩種形式。隨絲芯邊界處等離子體密度的升高和暈等離子體的膨脹，該部分阻抗迅速降低，電流全部轉移到外側，自磁箍縮則約束了絲芯的進一步膨脹，最大絲芯直徑約為0.37 mm；暈等離子體的不穩定性在自磁箍縮作用下迅速發展，后期主要表現為長波模式的臘腸不穩定性(m=0)，暈等離子體軸向平均調制周期約為1.3 mm，不穩定性的持續發展最終導致絲芯斷裂。而FLTD充電±30 kV時，Al單絲暈等離子體沿軸向同樣表現為典型的調制分布，平均調制周期仍約為1.3 mm，區別是電流小、自磁箍縮作用弱、m=0不穩定性的發展速度減慢。

圖9 電極增加閃絡開關后Al絲的激光探針圖像(a)、干涉條紋反演(b)和標記位置原子面密度分布(c)Fig.9 Laser probe image of aluminum (a), inversion of laser interference (b) and area electron density distribution at sign position (c) after insetting flashover switch at electrode

圖10 FLTD充電±60 kV時2 cm Al絲的演化過程(a)和絲芯膨脹曲線(b)Fig.10 Evolution of 2 cm aluminum wire with FLTD charging ±60 kV (a) and curve of wire core expansion (b)

圖11 2 cm Al絲暈等離子體不穩定性的出現(a)和發展(b)Fig.11 Appearance (a) and development (b) of corona plasma instability of 2 cm aluminum wire

對于完全氣化的Al絲負載(±30 kV充電、0.75 cm絲長、增加閃絡開關)，隨電流的增大，氣化Al原子逐漸電離，絲芯呈等離子體和氣化Al原子二元分布，二者具有明顯的分界線(圖12)，35 ns時刻(約23 kA)的干涉條紋在等離子體和氣化原子分界處出現明顯的反轉(圖13)，對應時刻等離子體區域沿軸向較為均勻，尚未出現明顯的不穩定性，回路阻抗降低，幾乎全部電流通過等離子體，而電流的自箍縮效應約束了氣化絲芯的進一步膨脹。隨氣化Al原子的電離，等離子體密度迅速升高，圖13a中67 ns時刻(約38 kA)干涉條紋在邊界處迅速截止，說明對應位置具有較高的密度梯度，陰影區域直徑沿軸向自陰極向陽極逐漸增大，呈現一定的極性效應，即越靠近陰極氣化絲芯電離速度越快，分析原因是，陰極發射的初始電子在電磁場綜合作用下與氣化原子碰撞發生電離并產生二次電子，二次電子導致氣化邊界接續電離(圖13b)。暈等離子體在邊界處出現擾動且沿軸向呈準周期調制分布，調制的波長為550～600 μm(圖12中67 ns和75 ns激光陰影圖像)，受極性效應的影響，靠近陰極絲芯膨脹慢的位置不穩定性出現時間早，發展速度快。暈等離子體沿軸向的擾動在自磁箍縮作用下持續發展(m=0不穩定性)，圖12中107 ns和115 ns時刻為同一發次的分幅圖像，絲芯已斷裂，沿軸向呈典型的塊狀分布。

圖12 FLTD充電±30 kV時電極增加閃絡開關后0.75 cm Al絲不同時刻激光陰影圖像Fig.12 Laser shadow-image of 0.75 cm aluminum wire after insetting flashover switch with FLTD charging ±30 kV

2.3 極性改變對Al絲芯暈演化特性的影響

大型脈沖功率裝置通常為負極性輸出，因而需研究負極性條件對Al絲芯暈演化的影響。借鑒前述氣化Al絲芯的方法，FLTD負極性輸出時仍在電極處增加閃絡開關以延遲Al絲的擊穿時刻，提高絲芯能量沉積。圖14a為充電±30 kV負極性輸出時0.75 cm Al絲的激光探針圖像，與正極性輸出時的結果相似，Al絲芯幾乎完全氣化，15～23 ns時刻，標記位置的絲芯直徑從0.73 mm膨脹至0.96 mm，絲芯膨脹速度達14.4 km/s。圖14b、c分別為15 ns時刻激光條紋的反演和標記位置的原子面密度分布，可知氣化絲芯的峰值原子面密度為3.2×1018cm-2，積分得到原子線密度約為1.06×1017cm-1。絲芯沿軸向較正極性時呈更明顯的極性效應，陰極附近絲芯的電離速度快，靠近陰極處暈等離子體密度高，43 ns時刻的干涉圖靠近陰極處的條紋很快截止，說明邊界處密度梯度大，沿軸向自陰極向陽極暈等離子體數量和密度梯度逐漸減小。分析原因為：極性改變后陰極作為高壓極更易發射電子，因而靠近陰極處的Al絲芯更早發生電離，等離子體密度的急劇升高限制了該部分絲芯的進一步膨脹。與電離速度對應，陰極附近暈等離子體不穩定性出現時間早且發展速度快(圖14a中51 ns時刻)。

圖13 氣化Al絲芯暈演化的干涉圖像(a)和極性效應機制分析(b)Fig.13 Laser interference image of vaporized aluminum wire core-corona evolution (a) and analysis of polarity effect (b)

綜上，不同早期物理狀態決定了芯暈演化特性，根據式(1)角向磁場與電流的關系，當流過絲的電流Iz相同時，絲芯直徑a越小，角向磁場強、電流導致的自磁箍縮效應越強，圖11中Al絲呈典型芯暈結構時(a=0.37 mm)，暈等離子體不穩定性的發展速度明顯快于圖12和圖14中Al絲芯完全氣化的情況(a=1 mm)。而對于圖12和圖14中的氣化絲芯，極性效應導致靠近陰極端絲芯邊界處的電流密度高，因而對絲芯約束力強，陰極附近暈等離子體早期擾動出現時刻早，后期m=0不穩定性發展速度快。

(1)

其中：Bθ為絲周圍的角向磁場；μ0為真空磁導率；Iz為通過金屬絲的電流；a為絲芯直徑。

圖14 負極性條件下電極增加閃絡開關后0.75 cm Al絲的芯暈演化過程(a)、干涉條紋反演(b)和標記位置原子面密度分布(c)Fig.14 Core-corona evolution of 0.75 cm aluminum wire (a), inversion of laser interference (b) and area electron density distribution at sign position (c) after insetting flashover switch at negative output of FLTD

3 結論

基于FLTD平臺系統研究了Al單絲芯暈演化特性，通過調整充電電壓、絲長和增加絕緣閃絡開關等方法，獲得了不同的Al絲物理狀態。Al絲呈典型芯暈演化時，暈等離子體出現時間早、膨脹速度快，回路阻抗迅速降低，導致電流幾乎全部轉移到等離子體區域，而電流增大引起的自磁箍縮效應限制了絲芯的進一步膨脹；早期暈等離子體兼具有短波和長波不穩定性的特性，初始的長波擾動即為后期m=0不穩定性的主導因素，不穩定性的持續發展最終導致絲芯斷裂。Al絲部分氣化或完全氣化時，絲芯膨脹速度明顯變快，完全氣化時絲芯膨脹速度達11～14 km/s；絲芯由固態到氣化再到初始電離的過程中絲芯邊界均較為平滑，暈等離子體沿軸向較為均勻，未發現早期的短波不穩定性；而隨暈等離子體密度的升高和驅動電流的增大，等離子體在邊界處開始出現擾動，該擾動在自磁箍縮作用下迅速發展為宏觀的臘腸不穩定性(m=0模式)。對于MA級裝置上的絲陣實驗，可采用上述技術手段在預脈沖及主電流開始階段實現絲芯物理狀態調控，改變初始質量分布，通過合理選擇絲陣直徑和絲數，有望在內爆前形成準殼層質量分布，進而研究其對絲陣內爆動力學過程及輻射特性的影響。