角向箍缩等离子体位形研究取得重要突破：中国科大团队提出“可变磁通耦合模型”革新经典理论

该研究成果以 “Inward implosion dynamics of a capsule theta pinch: experiments and a variable magnetic flux coupling model”为题，正式发表于国际权威期刊《Plasma Physics and Controlled Fusion》。 论文链接： https://doi.org/10.1088/1361-6587/ae5557

1. 角向箍缩等离子体位形研究：连接基础科学与未来技术的桥梁 角向箍缩是一种利用快速变化的轴向磁场，高效感应并驱动等离子体向心 箍缩( 内爆 ) 的经典物理过程。其研究价值在当代科技前沿正被重新定义： (1)聚变能源的新探索方向：在紧凑型聚变和磁惯性约束聚变等新兴路径中，角向箍缩的快速、高效压缩特性是模拟和实现聚变点火的关键物理过程之一。对其内爆动力学的精确理解，直接关系到聚变靶丸的设计优化和能量增益。 (2)高端产业的核心技术基石：其原理衍生的无电极电感耦合高密度等离子体源及超高亮度极紫外光源，已成为半导体芯片制造、先进材料处理等高端工业领域的核心技术。该技术实现高密度、低杂质等离子体的能力，根源在于对磁场与等离子体复杂相互作用的深刻掌握。 (3)极端物理现象的天然实验室：角向箍缩内爆能在极短时间内创造高温、高密度、强磁场的极端状态，是研究天体物理、高能量密度物理中激波、不稳定性等基础问题的理 想平台。

   

图1：角向箍缩位形原理图

2.核心突破：从挑战经典假设到建立动态新理论 长期以来，描述角向箍缩内爆的经典理论模型 建立在 “等离子体质量固定” 和“等离子体电流与线圈电流比例固定”两大核心假设之上。这些简化假设虽曾推动早期研究，但其在真实、快速、动态内爆过程中的适用性一直缺乏严格的实验检验与理论发展。 本研究通过  “实验创新 – 现象发现 – 理论重构” 的完整闭环，实现了对该领域认知的重要推进。

1. 实验装置与诊断方法的创新

团队成功研制了结构独特的胶囊形角向箍缩装置，并创新性地集成了五通道 激光 光纤干涉仪、八通道磁探针阵列及 超 高速成像系统。特别是利用 激光 光纤干涉仪结合自主研发的分层反演算法，在国际上首次于角向箍缩实验中实时、定量地获取了内爆过程等离子体质量 和电流 持续演化的直接证据，从根本上动摇了固定质量假设。

2. 颠覆性实验现象的发现

精密磁诊断数据清晰显示，在一个内爆周期内，等离子体环电流呈现显著的  “先快速上升、后逐渐下降” 的非单调演化规律。这一关键现象与经典模型所预设的简单、 外部电流和等离子体电流 固定比例关系截然不同，揭示了物理过程的复杂性。

3. 原创理论模型的构建

直面实验与经典理论的矛盾，研究团队提出了革命性的  “可变磁通耦合模型”。该模型将等离子体环等效为一个与外部线圈磁通耦合强度随时间动态变化的单匝次级线圈，同时纳入可变的等离子体质量。模型的核心创新在于引入了 时变耦合系数， 首次定量刻画了内爆过程中等离子体与驱动源之间 的动态耦合过程 。

4. 模型验证与物理机制揭示

新模型不仅成功复现了实验中观测到的等离子体电流“先增后减”的独特行为，还精确预测了等离子体运动轨迹。这深刻阐明：内爆初期，紧密的磁耦合使等离子体电流被有效驱动增强；随着等离子体高速飞向中心，其与线圈的几何距离增大导致磁通耦合效率显著下降，从而引起电流衰减。这一动态解耦过程是理解内爆能量传输效率的关键。

研究成果的深远意义

• 理论物理的重要修正：本研究用坚实的实验数据和自洽的理论模型，完成了对角向箍缩基础动力学模型的重要升级与修正，将描述维度从静态、固定参数提升到动态、演化关联的新层次，为该领域的理论研究提供了更精确、更符合物理实际的新范式。

• 对聚变研究的实质性推动：对内爆过程中质量增加机制和磁耦合动态演化规律的揭示，为磁惯性约束聚变等途径的靶物理设计提供了至关重要的新约束和新思路，有助于优化压缩对称性、提高能量耦合效率，加速聚变能源的探索进程。

• 赋能工业等离子体技术：对电感耦合系统中“磁场-等离子体”动态相互作用机理的深化理解，能够直接指导下一代高性能、高稳定性工业等离子体源的研发，推动半导体制造、材料加工等相关产业的技术革新与性能提升。

• 展示完整科研创新能力：该项研究从原创实验平台搭建、精密诊断技术开发、到核心理论模型构建，全过程体现了高度的自主创新能力，彰显了我国在等离子体物理前沿 基础研究方面扎实的积累和蓬勃的活力。

致谢与资助

胶囊形角向箍缩装置建造获得核科学技术学院实验中心支持。本工作得到了以下项目的资助：

• 国家磁约束核聚变能发展研究专项（项目编号：2024YFE03130003、2022YFE03100004、2022YFE03060003）
• 国家自然科学基金（项目编号：12375226、12405268、12175227、11875255）
• 中国博士后科学基金（项目编号：2022M723066）
• 中央高校基本科研业务费（项目编号：wk34200000022）