丝阵Z箍缩内爆早期动力学过程的物理特性及二维（r,θ）数值模拟研究

丝阵Z箍缩过程大致分成三个阶段：丝等离子体形成和丝阵消融阶段、内爆和MRT不稳定性发展阶段、停滞和辐射阶段。快Z箍缩状态的不可控性，使得等离子体在停滞、辐射前的Z箍缩早期动力学过程对X光辐射产额极为重要。项目从研究多少丝阵质量参与内爆、负载电流是否全部通过内爆等离子体、以及Z箍缩中磁场如何分布和演化等物理问题出发，分析丝消融的芯-晕结构和先驱等离子体形成的物理特性，给出依赖于消融阶段的内爆初始状态，包括等离子体密度剖面、质量以及电流在内爆主体和先驱等离子体中的分配，考虑先驱等离子体和拖尾质量对主体等离子体内爆的影响，研制二维MHD程序，模拟丝阵Z箍缩早期动力学过程。研究丝阵内部的磁场和电流分布及其对消融动力学的影响；研究角向均匀性与丝根数的关系；研究拖尾质量、主体等离子体质量以及先驱等离子体柱所占的份额与初始丝阵参数的关系。本研究将有利于Z箍缩的X光功率定标律研究及丝阵负载参数的优化设计。

丝阵Z箍缩过程包括三个主要阶段：丝等离子体形成和丝阵消融、内爆和MRT不稳定性发展、停滞和辐射，其过程的复杂性及状态的不可控性使等离子体在停滞、辐射前的动力学过程对X光辐射产额极为重要。本项目针对几个关键物理问题，如，多少丝阵质量参与内爆、负载电流是否全部通过内爆等离子体、以及磁场如何演化等，分析了丝阵消融和先驱等离子体形成的物理特性，给出了依赖于消融阶段的内爆初始状态，包括等离子体密度剖面、质量以及电流在内爆主体和先驱等离子体中的分配，考虑先驱等离子体对内爆的影响，成功研制了二维MHD程序，模拟了丝阵Z箍缩消融及内爆过程；研究了丝阵内部的磁场和电流分布及其对消融过程的影响；研究了角向均匀性与丝根数的关系；研究了先驱和主体等离子体的质量份额及其与初始丝阵参数的关系。将理论和模拟研究与“强光一号”Z箍缩实验结合，部分结论得到了实验验证，表明本项目的开展有利于Z箍缩X光功率定标律研究及丝阵负载参数的优化设计。.针对丝阵消融阶段的物理特征，通过对丝阵质量消融率乘以角向调制因子，建立了描述丝阵消融的二维(r,θ)质量注入MHD模型，研制了相应的模拟程序。研究了丝阵Z箍缩早期等离子体动力学行为，给出了消融等离子体特征量与负载参数的关系。结果表明，消融速度对丝阵半径的变化不敏感，与丝间隙和丝芯直径之比正相关；先驱等离子体质量份额随丝间隙的增大而增大，随丝阵半径的增大而减小；获得了磁场的演化与结构，以及能与“强光一号”Z箍缩实验相比较的电流分布，先驱电流份额随丝间隙的增大而增大，随丝阵半径的增大而减小。采用一维MHD模型分析了消融对内爆动力学的影响，发现在驱动条件不变的情况下，消融过程导致主等离子体内爆速度大于纯等离子体壳内爆速度。研制了二维(r,θ)电阻MHD程序，开展了丝阵Z箍缩消融-内爆过程的二维模拟研究，获得了消融-内爆过程的整体二维图像。假定初始时刻丝已膨胀至直径d0，研究表明，d0越大内爆启动时间越早，主等离子体电流份额近似正比于d0；最大内爆速度随d0的增大而增大。值得注意的是，丝间隙的减小导致丝阵更易发生角向融合，先驱等离子体份额相应减小。当丝间隙小于某一阈值，轴附近内爆动能总通量的峰值随丝间隙的下降迅速提高，内爆品质大大改善。基于上述研究工作，我们为“强光一号”Z箍缩实验制定了物理方案，实验已圆满完成。为PTS装置丝阵负载优化设计提供了合理的参考。