外加轴向磁场对Z箍缩电热不稳定性的影响机制研究

The Z-pinch plasmas which can be used as a high effective x-ray source have shown the potential application to inertial confinement fusion (ICF). Magneto Rayleigh-Taylor (MRT) instability is one of the most important effects on the Z-pinch implosion quality, the level of MRT instability growth is significantly determined by the amplification of seed perturbations. The electrothermal instability (ETI) in the Z-pinch during the early plasma formation can provide the dominant seed for MRT. This program originates from the control of ETI and the improvement of the implosion quality, and focuses on the role of external axial magnetic field on ETI. By the theoretical analysis, the dispersion relation of ETI including the axial magnetic field will be obtained, and the dependence of the perturbation growth on the load parameters and the external axial magnetic field will be studied; by developing the two dimensional code, the plasma formation in the early phase of Z-pinch implosions will be investigated numerically, effects of the strength and direction of the axial magnetic field on ETI parameters including the growth rate, the perturbation amplification and the characteristic wavelength will be also analyzed in detail. Further, the experiment proposals on the Z-pinch plasma formation in the early stage will be given. We hope that this program promotes the understanding of the initial plasma formation process and can be supportive for the relevant experiments.

Z箍缩内爆等离子体作为一种高效的X光辐射源，在驱动惯性约束聚变方面具有重要应用前景。磁瑞利-泰勒（MRT）不稳定性是影响Z箍缩内爆品质的重要因素，其发展水平极大地取决于初始扰动种子幅度。Z箍缩早期等离子体形成过程中的电热不稳定性是产生MRT初始扰动种子的主导机制。本项目从控制电热不稳定性发展、改善Z箍缩内爆品质的关键问题出发，探索外加轴向磁场影响电热不稳定性发展的物理机制。通过开展理论分析，获得包含轴向磁场效应的电热不稳定性色散关系，认识扰动增长率随负载参数和外加磁场的变化规律；通过发展二维数值模拟程序，研究Z箍缩早期等离子体形成过程，细致分析外加轴向磁场强度、方向对电热不稳定性增长率、扰动幅度、特征波长等参量的影响。在此基础上，提出开展Z箍缩电热不稳定性相关实验的物理设计。希望通过开展本项目研究，提升对Z箍缩早期等离子体形成过程的物理认识，为改善Z箍缩内爆品质相关实验研究提供理论支持。

Z箍缩内爆能够产生实验室等离子体中最强的X射线辐射源，在驱动惯性约束聚变方面有着重要应用。影响Z箍缩内爆品质的重要因素之一是磁瑞利-泰勒（MRT）不稳定性，其发展水平极大地依赖于初始扰动幅度。MRT不稳定性的初始扰动种子并不是直接来源于负载表面粗糙度，而是由Z箍缩内爆早期电热不稳定性发展来提供。本项目从降低初始扰动幅度、改善Z箍缩内爆品质出发，通过发展二维模拟程序，首先研究了薄套筒早期等离子体形成过程，由于其趋肤时间远小于电流上升时间，电流很快均匀地流过负载截面，随着加热膨胀电流峰值逐步沿径向向外转移，直到趋肤现象重新出现；然后研究了电热不稳定性发生机制和增长规律，从密度和温度等高图可以看到明显的、波矢为轴向的横条纹结构，经过波谱分析发现其波长介于8.33 μm-20.0 μm之间，与电热不稳定性的理论预测定性一致。接下来基于电阻MHD理论并利用线性稳定性分析方法构造了描述Z箍缩早期不稳定性扰动模式的理论模型，在同时考虑外加轴向磁场和电热效应条件下推导了不稳定性色散关系，发现在低于某一波长阈值时，不稳定性表现为电热不稳定性，该阈值随轴向磁场增长而增加。大于该波长阈值时，不稳定性则与理想MHD不稳定性类似，其增长率随波长快速增加并逐步接近最大值，该最大值依赖于角向磁场的梯度标长。如果轴向磁场足够高，m=1模的增长将快于m=0模。在上述理论与模拟研究的基础上，针对国内7-8 MA脉冲功率装置开展了铝套筒内爆早期不稳定性实验理论设计与分析，激光阴影像显示随着时间推移在套筒表面逐渐形成横条纹状结构，其波矢方向为轴向，此时套筒还处于初始位置且未出现明显的向内加速运动，可推断MRT不稳定性还未发展，通过与模拟结果比较发现电热不稳定性导致了此横条纹结构，实验中扰动波长与模拟预期基本一致。经过本项目的实施，提升了对Z箍缩内爆早期不稳定性发展规律的物理认识，揭示了外加轴向磁场对早期不稳定性的作用机制，为提高Z箍缩内爆品质相关实验提供了理论支持。