磁化靶聚变中反场构形等离子体的研究

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磁化靶聚变方案(MTF)是磁惯性约束聚变(MIF)概念中发展时间最长、技术最成熟的重要类别，其核心思想都是采用预先加热并磁化等离子体靶，并对其进行惯性压缩以实现聚变点火。MTF包括三个主要物理过程：反场构形(FRC)预加热磁化等离子体靶形成、等离子体靶的传输与捕获、固体套筒对等离子体靶的惯性压缩。通过多年的发展，国外MTF关键技术已取得突破，目前攻关方向为技术集成及原理实验验证。美国洛斯阿拉莫斯实验室研制的FRX-L装置已用于MTF固体套筒压缩技术集成实验验证，俄罗斯实验物理研究院(VNIIEF)科学家利用爆磁压缩发生器驱动已经实现了单个脉冲的预加热D-T等离子体中子产额10¹³。

“荧光-1”实验装置是一套分时放电脉冲功率装置，主要用于磁化靶聚变中反场构形预加热磁化等离子体靶形成过程及等离子体靶约束性质研究。除此之外，“荧光-1”形成的FRC等离子体靶还可以用于高β等离子体、无碰撞冲击波、磁重联、强磁场环境下感应耦合放电等方面的特性研究。装置于2014年10月建成后开展的首轮物理实验初步得到了FRC等离子体靶放电、形成的物理特性，并为深入研究FRC放电过程、加深FRC等离子体理解、后续开展靶物理特性实验提供了数据基础。

1  初始磁场强度对感应耦合气体放电影响研究

感应耦合放电初期会在电极附近首先产生等离子体，在震荡放电过程中等离子体随着电流周期运动扩散并将腔室中中性气体继续电离，对于角向箍缩感应耦合放电，初始等离子体会产生在腔室内壁附近并在放电过程中向内收缩扩散。但轴向磁场的存在会抑制初始等离子体的向内收缩过程，从而对电离过程进行抑制。实验中较为明显地观察到抑制效应，图1中每行为每发实验中八分幅图像，由上至下分别为初始能源系统充电0.5，2.3，4.7，7 kV时，对应初始磁场强度0.2，1，2，3 T。初始磁场越强，等离子体径向收缩过程越难，相同时间电离得到的等离子体发光越弱，即电离程度越低。

2  靶形成过程

使用欠采样方式利用八分幅相机得到了较细致的形成过程图像，如图2所示，观察到了从电离结束、主场开始触发后等离子体由外向内收缩形成靶到最终靶消散的完整过程。由图中可以看出，主场触发后，随着磁场先减小，经过零点后持续上升，等离子体外缘出现发光区域并持续收缩至轴。收缩过程中发光环宽度逐渐增加，至中心时成为完整圆形、边界清晰的亮斑，形成FRC靶。同时，收缩过程中，亮度多次持续增加。磁场越过峰值后，随着磁场下降，靶外缘逐渐模糊，到磁场接近零值时等离子体靶最终消散。

3  角向箍缩实验

“荧光-1”装置也可以开展角向箍缩放电的相关研究。即无初始磁场条件下，主场直接对电离后的等离子体进行压缩。可以看到，在主场触发的初始阶段，已经发生角向的不均匀性(图3中相机照片第1张)，在0.5μs内(图3中相机图像第4~6张)径向发生剧烈的喷射。这说明，对于参数为密度约10¹⁵~10¹⁶ cm^-3、温度约100 eV的等离子体，在外加1~2 T磁场作用下，q箍缩不稳定性发展时间不大于500 ns。同时，该结果也说明，同样参数条件下，等离子体自身的反场结构有利于抑制不稳定性的发展。图3中预电离阶段电流在0周围震荡证明初始磁场为0。电离放电后主场放电直接压缩等离子体。

4  H等离子体靶参数

通过实验验证，在初始场充电5 kV、预电离充电55 kV、主场充电45 kV、初始H₂气压8.87Pa的实验条件下，“荧光-1”产生H₂等离子体靶的参数为密度3.3×10¹⁶ cm^-3、温度212 eV。各参量随时间变化如图4所示。其中572.4 μs时刻磁场为1.6 T，等离子体分界线半径为4 cm，干涉仪测得等离子体弦密度积分为2.8×10¹⁷ cm^-2，磁探针及通量探针阵列得到等离子体密度为3.25×10¹⁶ cm^-3，温度212 eV。其中，根据干涉仪得到的弦密度积分及半径值4 cm得到的等离子体体平均密度为3.5×10¹⁶ cm^-3，与探针阵列得到的结果符合较好，说明结果基本可信。