[论文解读] Seeding the m = 0 instability in dense plasma focus Z-pinches with a hollow anode

J. X. Liu, J. Sears+8 more|arXiv (Cornell University)|Oct 28, 2016

Laser-Plasma Interactions and Diagnostics参考文献 21被引用 3

一句话总结

本文提出在密集等离子体聚焦（DPF）装置中使用空心阳极来激发 m = 0 不稳定性，从而提高中子产额。通过阳极的空心结构产生低密度电浆扰动，该方法促进 m = 0 模式的优先增长，减少低产额脉冲，通过动力学模拟和雪犁模型提升聚变性能。

ABSTRACT

The dense plasma focus (DPF) is a classic Z-pinch plasma device that has been studied for decades as a radiation source. The formation of the m = 0 plasma instability during the compression phase is linked to the generation of high-energy charged particle beams, which, when operated in deuterium, lead to beam-target fusion reactions and the generation of neutron yield. In this paper, we present a technique of seeding the m = 0 instability by employing a hollow in the anode. As the plasma sheath moves along the anode's hollow structure, a low density perturbation is formed and this creates a non-uniform plasma column which is highly unstable. Dynamics of the low density perturbation and preferential seeding of the m = 0 instability were studied in detail with fully kinetic plasma simulations performed in the Large Scale Plasma particle-in-cell code as well as with a simple snowplow model. The simulations showed that by employing an anode geometry with appropriate inner hollow radius, the neutron yield of the DPF is significantly improved and low-yield shots are eliminated.

研究动机与目标

• 为解决密集等离子体聚焦（DPF）装置中中子产额不一致的问题，通过稳定 m = 0 不稳定性的形成。
• 减少与等离子体压缩不完全或不稳定相关的低产额 DPF 脉冲的发生。
• 通过定制化的阳极几何结构实现对 m = 0 不稳定性的可控激发，从而提升聚变性能。
• 通过动力学模拟与解析建模验证空心阳极在促进 m = 0 模式优先增长方面的有效性。

提出的方法

• 采用空心阳极结构，使电浆鞘沿其内表面移动时产生低密度电浆扰动。
• 使用大规模等离子体粒子-网格（LSP-PIC）代码对压缩过程中的电浆动力学进行全动力学模拟。
• 应用简化的雪犁模型，解析描述低密度扰动的形成与演化过程。
• 在模拟中改变阳极内空腔半径，以识别最优化的不稳定性质激发几何结构。
• 分析由此产生的电浆柱非均匀性及其对 m = 0 模式增长与中子产额的影响。
• 将模拟结果与实验趋势进行比较，评估空心阳极设计的可行性与性能提升效果。

实验结果

研究问题

• RQ1 空心阳极结构如何影响 DPF 电浆柱中低密度扰动的形成？
• RQ2 通过空心阳极几何结构，m = 0 不稳定性能在多大程度上被优先激发？
• RQ3 为最大化中子产额并最小化低产额脉冲，空心阳极的最优内半径是多少？
• RQ4 动力学模拟与雪犁模型在预测激发不稳定性的动力学行为方面有何异同？
• RQ5 空心阳极技术能否显著减少低产额 DPF 放电的发生？

主要发现

• 空心阳极成功生成了低密度电浆扰动，该扰动在电浆压缩过程中作为 m = 0 不稳定性的种子。
• 动力学模拟表明，在阳极诱导扰动存在下，m = 0 模式优先增长，从而实现更一致的电浆动力学行为。
• 通过优化内空腔半径，与标准实心阳极相比，DPF 的中子产额显著提升。
• 以往在标准 DPF 运行中常见的低产额脉冲，由于更可靠且可重复的不稳定性质激发而被有效消除。
• 雪犁模型对扰动形成与增长过程提供了定性准确的描述，验证了模拟结果。
• LSP-PIC 模拟与解析建模的结合证实了空心阳极方法的可行性及其性能优势。