The paper reports observations of a sub-millimetre diameter Z-pinch discharge initiated in hydrogen gas at high pressure (0.33-2 bar) and powered by a fast rising current (dI/dt ≈ 1 kA·ns−1). The conditions for heating the pinch ohmically under pressure balance are established by using a small preheat current of short duration (5 kA, 70 ns). Measurements of the radial density profiles of the electrons in the pinch and the surrounding neutral gas are presented. The peak electron temperature in the pinch is estimated from the soft X-ray emission. The observations show that during the preheat phase, when there is no equilibrium, the plasma column expands radially and drives a shock into the neutral gas. This results in an increase of the neutral gas density in a thin layer surrounding the pinch. When the main current is applied, a pinch in radial equilibrium, with a radius of about 400 μm and peak electron density on axis (2.5 × 1024 m−3 at 0.33 bar), is observed. The estimated peak electron temperature on axis (69 eV at 0.33 bar) is about twice the Bennett temperature. An increase of the line density is observed during the equilibrium. This is ascribed to a flow of neutral particles from the high density layer surrounding the pinch column. The equilibrium is destroyed by an m = 1 instability which grows from a helical perturbation on axis. The experimental results are compared with calculations based on ideal MHD stability theory, and it is shown that the existence of a centrally peaked current density profile can be inferred from the nature of the observed instabilities. An explanation is offered for the absence of the m = 0 mode, on the basis of cooling of the outer region of the plasma.
本論文は、高圧(0.33-2 bar)の水素ガス中で開始され、急峻に立ち上がる電流(dI/dt ≈ 1 kA·ns−1)によって駆動される、直径がサブミリメートルのZピンチ放電の観測結果を報告する。圧力平衡下でピンチをオーム加熱するための条件は、短時間の小さな予熱電流(5 kA, 70 ns)を用いることによって確立される。ピンチ内の電子および周囲の中性ガスの動径密度分布の測定結果を示す。ピンチ内のピーク電子温度は、軟X線放射から推定される。観測結果は、平衡が存在しない予熱段階の間、プラズマ柱が径方向に膨張し、中性ガス中に衝撃波を駆動することを示している。これにより、ピンチを取り囲む薄い層内で中性ガス密度が増加する。主電流が印加されると、半径約400 μm、軸上のピーク電子密度(0.33 barで2.5 × 10^24 m^-3)を持つ径方向平衡状態のピンチが観測される。軸上の推定ピーク電子温度(0.33 barで69 eV)は、ベネット温度の約2倍である。平衡状態の間、線密度の増加が観測される。これは、ピンチ柱を取り囲む高密度層からの中性粒子の流れに帰せられる。平衡は、軸上のらせん摂動から成長するm = 1不安定性によって破壊される。実験結果は、理想MHD安定性理論に基づく計算と比較され、観測された不安定性の性質から、中心でピークを持つ電流密度分布の存在が推論され得ることが示される。m = 0モードが存在しないことに対して、プラズマ外部領域の冷却に基づく説明が提示される。