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文|鲸探所

编辑|鲸探所

前言

冲击是天体物理学和高能密度物理学 (HEDP) 中常见的现象。

它们在恒星诞生时表现为巨大的弓形激波，在恒星死亡时表现为引人注目的超新星遗迹。

值得注意的是，与地球上超音速航空遇到的冲击相比，天体物理冲击发生的条件截然不同。

在天体物理学中，物质以极高的速度移动，达到每秒数百公里，并被强烈加热到数千度的温度，从而形成等离子体。

在这种极端环境中，冲击后热材料发出的辐射起着至关重要的作用，并显著改变冲击的结构，这种改进的冲击通常称为“辐射冲击”。

尽管辐射冲击在天体物理系统中普遍存在，但它却是人们最不了解的现象之一，因为冲击流体动力学和辐射传输的结合使得他们的研究异常复杂。

MAGPIE设施概述

MAGPIE（用于等离子体内爆实验的兆安发生器）设施是位于英国伦敦帝国理工学院的高功率脉冲动力机器。

它专为进行高能量密度物理（HEDP）领域的实验而设计，该设施在短时间内产生极高的电流，产生强磁场和高能等离子体。

MAGPIE 作为脉冲功率发生器运行，能够提供峰值约为 1.4 兆安 (MA) 和上升时间约为 240 纳秒的高电流脉冲。

MAGPIE 设施由四个Marx 电容器组组成，这些电容器组最初是根据美国桑迪亚国家实验室 Hermes III 设施中使用的电容器组设计的。

每个 Marx 组包含 24 个电容器，每个电容器的电容为 C = 1.3 µF，电容器采用双极性配置，它们分为四列，每列包含六个电容器。

在充电过程中，一组电容器被充电到+65kV的正电压，而另一组被充电到-65kV的负电压。

为了实现这一点，我们还使用了两个 Glassman 高电压 pb/pk 100N040 装置，这些充电装置通过 RG218 高压电缆连接到一系列二极管，以防止任何放电回充电装置。

而这些二极管放置在充满变压器油的桶内，以防止电气击穿，另一个变压器充油桶装有 4 路分路器，这允许将正负高压电缆发送到每个 Marx 组。

当充电时，对于V = ±65 kV的标称充电电压，每个电容器存储E = 2.7 kJ，那么：

MAGPIE 设施中的电容器充电在大约 5 分钟内并行进行，每个 Marx 组的总电容是通过对各个电容求和得出的，每组为 31.2 µF，MAGPIE 中所有四个组的总电容为 124.8 µF。

这使得每个 Marx 组的总能量存储容量为 66 kJ，所有四个组总共可以存储 264 kJ 的能量。

为了促进充电过程并防止启动 MAGPIE 时电容器之间发生任何放电，电容器通过 20 kΩ 电阻器充电，这些电阻用于隔离充电电路并保持充电过程中系统的稳定性。

鉴于 MAGPIE 充电系统涉及高功率，所以研究人员构建了特殊电阻器来处理负载，这些电阻器由充满硫酸铜溶液的聚乙烯管制成，仔细控制溶液的浓度以达到所需的电阻。

不得不说，这种设计确保了电容器的高效、安全充电，使设备在实验过程中有效运行。

实验装置

在过去涉及衬里产生辐射冲击的实验中，诊断访问和辐射效应方面存在某些限制。

这些限制源于这样一个事实，即辐射效应发生在比实验本身更大的空间尺度上，这使得详细研究辐射前体变得困难，并且不可能使用干涉测量诊断来确定绝对电子密度。

为了解决这些挑战，我们设计了一种称为“反向线性 z 箍缩”的新实验配置，专门用于产生径向扩展的辐射冲击。

在“反向内衬 z 收缩”中，内衬被气体填充物包围，而内衬的内部保持在真空下，这种设置可以改进诊断访问并更好地了解辐射前体，因为内衬周围的气体填充有利于产生辐射冲击，同时减少空间限制。

通过采用这种“反向线性 z 箍缩”配置，研究人员能够克服之前的限制，从而能够对辐射冲击进行更全面的研究，并使用干涉测量诊断准确确定电子密度。

在实验装置中，MAGPIE 发生器的 ∼1 MA 输出直接通过衬管，然后电流沿着轴向返回柱返回，在内衬内产生强环形磁场。

这种配置导致形成圆柱形对称、径向膨胀的辐射冲击，并传播到周围的气体填充物中。

不仅如此，实验还揭示了二次冲击的发射源自衬里与实验硬件其余部分的连接处，这些二次冲击也以与一次辐射冲击相似的速度扩展。

使用径向扩展激波的实验配置比会聚激波几何形状具有多个优点：

首先，在径向膨胀配置中，动力学发生在内衬外部，允许从侧面和端部的角度探索实验，这消除了纹影效应。

当通过长等离子体区域成像并将探测光束折射出收集光学器件时可能会出现纹影效应，它还避免了探测边缘效应的需要，例如从衬里和周围硬件之间的连接处发出的冲击，这可能会被误认为是额外的径向冲击。

其次，径向扩展的激波允许在相当长的距离和时间段内不间断的进化。

在考虑辐射效应时，这一点尤其重要，因为光子的路径长度可以与衬里的直径处于同一数量级。

通过密度为 0.04 mg/cm3（在这些实验中使用）的 1 mm 气体的辐射传输，使用的在线工具计算得出，这些传输图用于估计吸收 90% 辐射所需的大致距离，使用方程：1.24。

结果表明，在这些密度下，需要几厘米的气体才能完全吸收辐射并观察辐射前体的完整范围。

技术说明

在之前关于会聚冲击的研究中，我们发现薄壁不锈钢衬里可以向气体填充物发射单个磁驱动冲击。

然而在当前的研究中，研究人员需要容纳一个直径为 5 毫米的中央返回柱，以便将 M3 螺栓拧入其末端，所以也就需要更大直径的衬里。

而我们所选的不锈钢内胆内径为 11 毫米，在内胆和返回柱之间留有 3 毫米的真空间隙，该间隙足以防止衬里内部发生电击穿，衬里的壁厚保持在 100 µm，以保持所需的特性。

在这些实验中，衬里由 AISI 321 不锈钢制成，除了铁之外，还含有 17-19% 的铬和 9-12% 的镍，这种材料的选择确保了有效地将辐射冲击发射到气体填充物中所需的机械和磁性特性。

最初，衬里的长度被选择为 16 毫米，类似于会聚冲击实验中使用的衬里，然而在实验过程中，我们观察到冲击是从衬里的端部发射的，这样被称为“边缘冲击”，但是干扰了原本期望的圆柱形膨胀主冲击。

尽管研究人员努力将其最小化，但这些边缘冲击仍然存在。

为了减轻它们的影响并确保成像时主要冲击不受干扰，大多数实验的衬管长度增加到 20 毫米。

通过增加衬管长度，主激波区域保持不受干扰，从而可以更清晰地观察和分析主激波行为，这种调整稍微增加了负载的电感和电阻，但 MAGPIE 发生器的高阻抗导致通过衬里放电的电流变化最小，这使得实验能够维持有效生成和研究辐射冲击所需的电流条件。

事实证明，增加衬管长度是解决边缘冲击问题的实用解决方案，并确保了实验的成功执行。

由于硬件底部存在黄铜结构（称为“电流返回”）而增加了额外的高度，其战略性设计是为了使等离子体与同期进行的其他实验所使用的诊断保持一致，这种安排允许从不同的实验中有效地同时收集数据，使设置更加高效和通用。

“电流返回”结构经过精心设计，旨在模仿 MAGPIE 设施的 MITL（磁化线性惯性聚变）电流馈送，以最大限度地减少硬件电感的任何潜在增加。

然而，“电流返回”正上方的区域径向向外延伸，这也就导致硬件电感显着增加。

为了防止电击穿并保持所需的真空条件，所以就需要负责向衬管输送电流的 MAGPIE 传输线 (MITL) 保持在真空下，然而，对于涉及辐射冲击的实验，有必要将气体引入腔室而不使其扩散到 MITL 中。

在之前 MAGPIE 设施的实验中，在发射前使用超音速气体喷嘴沉积气体，确保了气体没有足够的时间扩散到 MITL 中，然而这种方法导致气体密度分布不均匀，使得准确确定气体条件具有挑战性。

为了解决这个问题并实现更受控和均匀的气体密度，研究人员们在更大的 MAGPIE 真空室内安装了气室。

该气室提供了可以注入气体的有限空间，从而可以更好地控制气体密度和分布，通过使用气室，研究人员能够创造更加一致和可重复的实验条件，这对于以受控方式研究辐射冲击的行为和特性至关重要。

可以说，气室的安装为大家提供了一种可行的解决方案，而且可以在不影响 MITL 的情况下将气体引入实验装置，并有助于确保在 MAGPIE 设施上进行的辐射冲击实验的成功和可靠性。

虽然这两个实验都使用了氩气填充，但这项工作采用了更高的气体填充压力来增强自发射和干涉测量诊断中冲击的可见性，特别是在从侧面探测时，这种更高的气体填充压力可以更清晰地观察和分析辐射冲击。

总结

这些实验建立在先前工作的基础上，这些实验面临与有限的诊断访问和在比实验更大的空间尺度上发生的辐射效应相关的挑战。

而这些限制阻碍了对辐射前体的观察以及使用干涉测量诊断法确定电子密度，为了克服这些问题，研究人员设计了一种新的实验配置，称为“反向线性 z 箍缩”，专门用于产生径向扩展的辐射冲击。

实验是在英国伦敦帝国理工学院的 MAGPIE 脉冲功率设备上进行的，在这些实验中，大约 1 兆安 (MA) 的电流被引导通过 100 µm 厚、内径为 11 mm 的衬里，然后电流通过中央阴极返回，从而产生圆柱形扩展的辐射冲击。

这些冲击波传播到周围的气体填充物中，该气体填充物由氖气、氩气、氪气或氙气组成，初始质量密度约为 ρ0 ∼ 0.04 mg/cm3。

观察到辐射冲击以大约 10 km/s 的恒定速度传播超过 500 纳秒，为了表征和分析这些实验，采用了多种诊断技术，包括多帧自发射成像、激光干涉测量、光谱学和磁探针。

这些诊断使研究人员能够详细了解辐射冲击的行为和特性，从而有助于更好地理解实验室环境中的这些动态现象。

参考文献：

【1】《光学薄等离子体中辐射凝聚的非线性动力学》。

【2】《辐射冲击的理论和实验研究。天体物理学和空间科学》。

【3】《用于光纤z捏缩实验的高阻抗兆安发生器》。

【4】《经典T金牛座恒星中的辐射吸积沿非均匀恒星磁场冲击》。

【5】《使用高强度短脉冲激光的高能射线照相》。