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清华大学优秀博士学位论文丛书（以下简称优博丛书）精选自2014年以来入选的清华大学校级优秀博士学位论文（Top 5%）。每篇论文经作者进一步修改、充实并增加导师序言后，以专著形式呈现在读者面前。优博丛书选题范围涉及自然科学和人文社会科学各主要领域，覆盖清华大学开设的全部一级学科，代表了清华大学各学科*秀的博士学位论文的水平，反映了相关领域*的科研进展，具有较强的前沿性、系统性和可读性，是广大博硕士研究生开题及撰写学位论文的必备参考，也是科研人员快速和系统了解某一细分领域发展概况、*进展以及创新思路的有效途径。
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| 內容簡介： |
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金属丝电爆炸一般指金属丝在脉冲大电流加热下发生的剧烈温升、相变过程，是脉冲功率技术与放电等离子体领域的重要研究对象，其典型应用包括金属材料温密状态下状态方程和输运参数研究、介质中丝爆产生冲击波以及电爆炸法制备纳米颗粒等。本书研究背景为利用丝爆等离子体的Z箍缩获得高功率软X射线源，围绕电爆炸过程中金属丝能量沉积这一关键问题，系统研究了负载参数、表面状态、驱动电流极性、电极结构等因素的影响。此外，本书详细介绍了小型脉冲功率实验系统的搭建过程，包括机械设计、光学、电学测量系统的建立和数据分析。可为从事脉冲放电等离子体研究特别是金属丝电爆炸相关应用研究的科技人员提供参考。
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| 目錄：
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目录
第1章引言
1.1研究背景和现状
1.1.1Z箍缩简介
1.1.2Z箍缩的发展历程
1.1.3丝阵Z箍缩过程
1.1.4Z箍缩装置中的预脉冲
1.1.5预脉冲驱动的金属丝电爆炸
1.1.6爆炸丝表面沿面击穿
1.1.7影响沿面击穿的因素
1.2预脉冲丝爆的研究意义和本书主要工作
第2章实验平台
2.1脉冲电源
2.1.1主电路
2.1.2激光触发的气体间隙开关
2.1.3触发激光器
2.2放电腔
2.2.1电容分压器和Rogowski线圈
2.2.2分流器
2.2.3电测量系统的标定和自洽
2.3光学诊断系统
2.3.1马赫增德尔MZ干涉和激光阴影成像
2.3.2光学诊断与放电的时序控制
2.3.3丝爆自辐射的测量
2.4小结
第3章单丝电爆炸的实验研究
3.1沉积能量的计算
3.2不同条件下单丝电爆炸实验结果与分析
3.2.1样品预处理和爆炸丝长度的确定
3.2.2不同丝直径下的电爆炸结果与分析
3.2.3不同丝长度下的电爆炸结果与分析
3.2.4极性效应和径向电场对丝爆的影响
3.2.5电流上升率对丝爆的影响
3.3镀膜丝电爆炸实验结果与分析
3.3.1电信号波形
3.3.2正极性丝爆干涉照片和数据处理
3.3.3负极性丝爆实验结果与分析
3.3.4镀膜丝电爆炸小结
3.4沿面击穿发展过程的直接诊断
3.4.1时间校准
3.4.2正极性丝爆弧光发展过程
3.5小结
第4章提高真空中丝爆沉积能量的方法
4.1利用串联的闪络开关提高沉积能量
4.2小结
第5章结论
附录A根据阴影照片计算金属丝直径
附录B根据干涉照片计算气态原子密度
参考文献
在学期间发表的学术论文
致谢
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一流博士生教育
体现一流大学人才培养的高度（代丛书序）本文首发于《光明日报》，2017年12月5日。
人才培养是大学的根本任务。只有培养出一流人才的高校，才能够成为世界一流大学。本科教育是培养一流人才最重要的基础，是一流大学的底色，体现了学校的传统和特色。博士生教育是学历教育的最高层次，体现出一所大学人才培养的高度，代表着一个国家的人才培养水平。清华大学正在全面推进综合改革，深化教育教学改革，探索建立完善的博士生选拔培养机制，不断提升博士生培养质量。
学术精神的培养是博士生教育的根本
学术精神是大学精神的重要组成部分，是学者与学术群体在学术活动中坚守的价值准则。大学对学术精神的追求，反映了一所大学对学术的重视、对真理的热爱和对功利性目标的摒弃。博士生教育要培养有志于追求学术的人，其根本在于学术精神的培养。
无论古今中外，博士这一称号都是和学问、学术紧密联系在一起，和知识探索密切相关。我国的博士一词起源于2000多年前的战国时期，是一种学官名。博士任职者负责保管文献档案、编撰著述，须知识渊博并负有传授学问的职责。东汉学者应劭在《汉官仪》中写道： 博者，通博古今； 士者，辩于然否。后来，人们逐渐把精通某种职业的专门人才称为博士。博士作为一种学位，最早产生于12世纪，最初它是加入教师行会的一种资格证书。19世纪初，德国柏林大学成立，其哲学院取代了以往神学院在大学中的地位，在大学发展的历史上首次产生了由哲学院授予的哲学博士学位，并赋予了哲学博士深层次的教育内涵，即推崇学术自由、创造新知识。哲学博士的设立标志着现代博士生教育的开端，博士则被定义为独立从事学术研究、具备创造新知识能力的人，是学术精神的传承者和光大者。
博士生学习期间是培养学术精神最重要的阶段。博士生需要接受严谨的学术训练，开展深入的学术研究，并通过发表学术论文、参与学术活动及博士论文答辩等环节，证明自身的学术能力。更重要的是，博士生要培养学术志趣，把对学术的热爱融入生命之中，把捍卫真理作为毕生的追求。博士生更要学会如何面对干扰和诱惑，远离功利，保持安静、从容的心态。学术精神特别是其中所蕴含的科学理性精神、学术奉献精神不仅对博士生未来的学术事业至关重要，对博士生一生的发展都大有裨益。
独创性和批判性思维是博士生最重要的素质
博士生需要具备很多素质，包括逻辑推理、言语表达、沟通协作等，但是最重要的素质是独创性和批判性思维。
学术重视传承，但更看重突破和创新。博士生作为学术事业的后备力量，要立志于追求独创性。独创意味着独立和创造，没有独立精神，往往很难产生创造性的成果。1929年6月3日，在清华大学国学院导师王国维逝世二周年之际，国学院师生为纪念这位杰出的学者，募款修造海宁王静安先生纪念碑，同为国学院导师的陈寅恪先生撰写了碑铭，其中写道： 先生之著述，或有时而不章； 先生之学说，或有时而可商； 惟此独立之精神，自由之思想，历千万祀，与天壤而同久，共三光而永光。这是对于一位学者的极高评价。中国著名的史学家、文学家司马迁所讲的究天人之际，通古今之变，成一家之言也是强调要在古今贯通中形成自己独立的见解，并努力达到新的高度。博士生应该以独立之精神、自由之思想来要求自己，不断创造新的学术成果。
诺贝尔物理学奖获得者杨振宁先生曾在20世纪80年代初对到访纽约州立大学石溪分校的90多名中国学生、学者提出： 独创性是科学工作者最重要的素质。杨先生主张做研究的人一定要有独创的精神、独到的见解和独立研究的能力。在科技如此发达的今天，学术上的独创性变得越来越难，也愈加珍贵和重要。博士生要树立敢为天下先的志向，在独创性上下功夫，勇于挑战最前沿的科学问题。
批判性思维是一种遵循逻辑规则、不断质疑和反省的思维方式，具有批判性思维的人勇于挑战自己、敢于挑战权威。批判性思维的缺乏往往被认为是中国学生特有的弱项，也是我们在博士生培养方面存在的一个普遍问题。2001年，美国卡内基基金会开展了一项卡内基博士生教育创新计划，针对博士生教育进行调研，并发布了研究报告。该报告指出： 在美国和欧洲，培养学生保持批判而质疑的眼光看待自己、同行和导师的观点同样非常不容易，批判性思维的培养必须要成为博士生培养项目的组成部分。
对于博士生而言，批判性思维的养成要从如何面对权威开始。为了鼓励学生质疑学术权威、挑战现有学术范式，培养学生的挑战精神和创新能力，清华大学在2013年发起巅峰对话，由学生自主邀请各学科领域具有国际影响力的学术大师与清华学生同台对话。该活动迄今已经举办了21期，先后邀请17位诺贝尔奖、3位图灵奖、1位菲尔兹奖获得者参与对话。诺贝尔化学奖得主巴里夏普莱斯（Barry Sharpless）在2013年11月来清华参加巅峰对话时，对于清华学生的质疑精神印象深刻。他在接受媒体采访时谈道： 清华的学生无所畏惧，请原谅我的措辞，但他们真的很有胆量。这是我听到的对清华学生的最高评价，博士生就应该具备这样的勇气和能力。培养批判性思维更难的一层是要有勇气不断否定自己，有一种不断超越自己的精神。爱因斯坦说： 在真理的认识方面，任何以权威自居的人，必将在上帝的嬉笑中垮台。这句名言应该成为每一位从事学术研究的博士生的箴言。
提高博士生培养质量有赖于构建全方位的博士生教育体系
一流的博士生教育要有一流的教育理念，需要构建全方位的教育体系，把教育理念落实到博士生培养的各个环节中。
在博士生选拔方面，不能简单按考分录取，而是要侧重评价学术志趣和创新潜力。知识结构固然重要，但学术志趣和创新潜力更关键，考分不能完全反映学生的学术潜质。清华大学在经过多年试点探索的基础上，于2016年开始全面实行博士生招生申请审核制，从原来的按照考试分数招收博士生转变为按科研创新能力、专业学术潜质招收，并给予院系、学科、导师更大的自主权。《清华大学申请审核制实施办法》明晰了导师和院系在考核、遴选和推荐上的权力和职责，同时确定了规范的流程及监管要求。
在博士生指导教师资格确认方面，不能论资排辈，要更看重教师的学术活力及研究工作的前沿性。博士生教育质量的提升关键在于教师，要让更多、更优秀的教师参与到博士生教育中来。清华大学从2009年开始探索将博士生导师评定权下放到各学位评定分委员会，允许评聘一部分优秀副教授担任博士生导师。近年来学校在推进教师人事制度改革过程中，明确教研系列助理教授可以独立指导博士生，让富有创造活力的青年教师指导优秀的青年学生，师生相互促进、共同成长。
在促进博士生交流方面，要努力突破学科领域的界限，注重搭建跨学科的平台。跨学科交流是激发博士生学术创造力的重要途径，博士生要努力提升在交叉学科领域开展科研工作的能力。清华大学于2014年创办了微沙龙平台，同学们可以通过微信平台随时发布学术话题、寻觅学术伙伴。3年来，博士生参与和发起微沙龙12000多场，参与博士生达38000多人次。微沙龙促进了不同学科学生之间的思想碰撞，激发了同学们的学术志趣。清华于2002年创办了博士生论坛，论坛由同学自己组织，师生共同参与。博士生论坛持续举办了500期，开展了18000多场学术报告，切实起到了师生互动、教学相长、学科交融、促进交流的作用。学校积极资助博士生到世界一流大学开展交流与合作研究，超过60%的博士生有海外访学经历。清华于2011年设立了发展中国家博士生项目，鼓励学生到发展中国家亲身体验和调研，在全球化背景下研究发展中国家的各类问题。
在博士学位评定方面，权力要进一步下放，学术判断应该由各领域的学者来负责。院系二级学术单位应该在评定博士论文水平上拥有更多的权力，也应担负更多的责任。清华大学从2015年开始把学位论文的评审职责授权给各学位评定分委员会，学位论文质量和学位评审过程主要由各学位分委员会进行把关，校学位委员会负责学位管理整体工作，负责制度建设和争议事项处理。
全面提高人才培养能力是建设世界一流大学的核心。博士生培养质量的提升是大学办学质量提升的重要标志。我们要高度重视、充分发挥博士生教育的战略性、引领性作用，面向世界、勇于进取，树立自信、保持特色，不断推动一流大学的人才培养迈向新的高度。
清华大学校长
2017年12月5日
丛书序二
以学术型人才培养为主的博士生教育，肩负着培养具有国际竞争力的高层次学术创新人才的重任，是国家发展战略的重要组成部分，是清华大学人才培养的重中之重。
作为首批设立研究生院的高校，清华大学自20世纪80年代初开始，立足国家和社会需要，结合校内实际情况，不断推动博士生教育改革。为了提供适宜博士生成长的学术环境，我校一方面不断地营造浓厚的学术氛围，一方面大力推动培养模式创新探索。我校已多年运行一系列博士生培养专项基金和特色项目，激励博士生潜心学术、锐意创新，提升博士生的国际视野，倡导跨学科研究与交流，不断提升博士生培养质量。
博士生是最具创造力的学术研究新生力量，思维活跃，求真求实。他们在导师的指导下进入本领域研究前沿，吸取本领域最新的研究成果，拓宽人类的认知边界，不断取得创新性成果。这套优秀博士学位论文丛书，不仅是我校博士生研究工作前沿成果的体现，也是我校博士生学术精神传承和光大的体现。
这套丛书的每一篇论文均来自学校新近每年评选的校级优秀博士学位论文。为了鼓励创新，激励优秀的博士生脱颖而出，同时激励导师悉心指导，我校评选校级优秀博士学位论文已有20多年。评选出的优秀博士学位论文代表了我校各学科最优秀的博士学位论文的水平。为了传播优秀的博士学位论文成果，更好地推动学术交流与学科建设，促进博士生未来发展和成长，清华大学研究生院与清华大学出版社合作出版这些优秀的博士学位论文。
感谢清华大学出版社，悉心地为每位作者提供专业、细致的写作和出版指导，使这些博士论文以专著方式呈现在读者面前，促进了这些最新的优秀研究成果的快速广泛传播。相信本套丛书的出版可以为国内外各相关领域或交叉领域的在读研究生和科研人员提供有益的参考，为相关学科领域的发展和优秀科研成果的转化起到积极的推动作用。
感谢丛书作者的导师们。这些优秀的博士学位论文，从选题、研究到成文，离不开导师的精心指导。我校优秀的师生导学传统，成就了一项项优秀的研究成果，成就了一大批青年学者，也成就了清华的学术研究。感谢导师们为每篇论文精心撰写序言，帮助读者更好地理解论文。
感谢丛书的作者们。他们优秀的学术成果，连同鲜活的思想、创新的精神、严谨的学风，都为致力于学术研究的后来者树立了榜样。他们本着精益求精的精神，对论文进行了细致的修改完善，使之在具备科学性、前沿性的同时，更具系统性和可读性。
这套丛书涵盖清华众多学科，从论文的选题能够感受到作者们积极参与国家重大战略、社会发展问题、新兴产业创新等的研究热情，能够感受到作者们的国际视野和人文情怀。相信这些年轻作者们勇于承担学术创新重任的社会责任感能够感染和带动越来越多的博士生，将论文书写在祖国的大地上。
祝愿丛书的作者们、读者们和所有从事学术研究的同行们在未来的道路上坚持梦想，百折不挠！在服务国家、奉献社会和造福人类的事业中不断创新，做新时代的引领者。
相信每一位读者在阅读这一本本学术著作的时候，在吸取学术创新成果、享受学术之美的同时，能够将其中所蕴含的科学理性精神和学术奉献精神传播和发扬出去。
清华大学研究生院院长
2018年1月5日
导师序言
Z箍缩是指载流等离子体在自磁压作用下向轴线（Z轴）收缩的物理过程，利用脉冲大电流驱动不同Z箍缩负载可获得高温、高密、高压、高速和强辐射等极端物理环境。金属丝阵是常用的Z箍缩负载，具有极高的电能到X射线能量转换效率，是目前最强的实验室软X射线源，在核爆辐射效应模拟中有着不可替代的作用； 另外基于其产生高温X射线辐射场的能力和高效的电能到内爆动能的转换能力，丝阵Z箍缩也被认为是驱动惯性约束受控核聚变的可能途径。
以提高X射线辐射能量和功率为目标的高效负载设计是Z箍缩领域的重要研究课题。对丝阵负载而言，内爆阶段指向轴线的加速度将导致严重的磁瑞利泰勒（MRT）不稳定性，极大降低负载在内爆阶段获得的总动能，减少参与内爆的有效质量，缩短箍缩等离子体的寿命，最终降低X射线辐射能量和功率。因此抑制内爆MRT不稳定性是提高Z箍缩X射线辐射能力的关键。
改善负载均匀性是减小MRT不稳定性的重要思路，而丝阵Z箍缩初始阶段的金属丝电爆炸过程对负载均匀性有重要影响。丝阵中的各金属单丝在脉冲电流作用下并不能完全汽化并形成均匀等离子体柱，而是形成外层等离子体包裹内层高密度丝核的核冕结构。高电导率的冕等离子体在全局磁场作用下优先向轴心运动形成消融质量流，并成为加剧内爆MRT不稳定性发展的扰动种子。因此抑制核冕结构的形成是改善负载均匀性的可行途径。
基于上述思路，本书围绕单丝电爆炸过程中导致核冕结构形成的关键物理过程沿面击穿开展工作。主要通过实验的方式研究金属丝尺寸、表面状态、驱动电流极性、上升率等因素对金属丝电爆炸沿面击穿的影响规律，并探索抑制或推迟沿面击穿的有效方式，以期向金属丝中注入更多能量，提高爆炸产物的均匀性。值得一提的是，本书基于对沿面击穿机理的研究提出了一种阴极串联闪络开关构造正向径向电场法，可有效提高爆炸丝沉积能量； 并利用这种方法在真空中获得了钨丝（常用的熔点最高的丝阵材料）裸丝均匀汽化的结果。
对单丝电爆炸物理过程的认识和单丝均匀汽化技术的突破为继续研究丝阵整体均匀汽化提供了有利条件； 同时也为抑制丝阵Z箍缩MRT不稳定性提供了新的思路，如通过特殊的丝阵构型设计和适当参数的预脉冲使丝阵形成某种特殊的（径向）质量分布，从而利用雪耙致稳效应等实现对MRT不稳定性的直接抑制。但毋庸置疑，单丝相关结果应用到丝阵中时必然存在新的问题，如单丝不一致性和相互屏蔽对丝阵整体电爆炸行为的影响等，因此丝阵整体特别是高熔点丝阵的均匀汽化将是下一个需要攻克的技术难题。
目前我国正处于Z箍缩发展的黄金时期，不仅凝聚了以中国工程物理研究院、西北核技术研究所、清华大学、西安交通大学等科研院所和高校为代表的一批研究团队，同时大型驱动源建设也得到了政府有关部门的大力支持。2017年12月，自然科学基金重大项目直接驱动型超高功率电脉冲产生与调制的基础研究立项通过； 12月4日Z箍缩军民融合研究中心成立； 12月67日在北京召开了以快Z箍缩科学前沿问题及关键技术为主题的香山会议，并向国务院提交关于加快建设Z箍缩重大科技基础设施、促进前沿科技创新的院士建议； 2018年1月Z箍缩基础研究设施被列为教育部十四五首批重大科技基础设施。
驱动源和负载是Z箍缩发展的两条主线，大型驱动源的建设也将带动对负载物理过程及高效负载设计方法的进一步研究和探索。
邹晓兵
2019年2月
摘要
丝阵Z箍缩以其超强的X射线辐射能力和极高的能量转化效率被视为实现惯性约束受控核聚变的可能途径。金属丝电爆炸EEW，简称为丝爆为丝阵Z箍缩的初始阶段，该阶段各单丝的电能注入决定了爆炸产物的密度分布，对后续内爆动力学过程具有决定性影响。电能注入主要受金属丝表面沿面击穿限制，能量不足以汽化金属丝时爆炸产物具有核冕结构，由此产生的质量消融过程将在丝阵内部形成不均匀质量分布，加剧主体内爆过程中磁瑞利泰勒不稳定性的发展，大大降低内爆动能及滞止持续时间，最终降低X射线辐射功率和能量。
初步实验和数值计算结果表明： 若在大电流主脉冲达到负载之前，使用具有特殊波形的预脉冲实现丝阵的完全汽化，消除核冕结构，并利用预脉冲与主脉冲之间的时间间隔使快速膨胀的各汽化单丝充分融合，则有望抑制后续内爆过程的不稳定性发展，极大地提高X射线的辐射功率和产额。因此本书开展预脉冲作用下的EEW研究，探索抑制爆炸丝沿面击穿以提高金属丝中沉积能量的有效方法，以实现真空中的完全汽化EEW。本书完成的工作及结论如下：
（1 研制了小型脉冲功率实验平台PPG3： 开路输出电压0~120kV，短路输出电流0~2kA，电流上升时间约20ns，输出电阻50。
（2 基于电学、光学诊断研究了各种影响因素丝直径、长度，驱动电流极性、上升率、电极结构，以及丝表面绝缘镀层等对EEW性能特别是沿面击穿的影响规律，发现以下现象： 负载阻抗与电源参数存在匹配关系，造成正、负极性下都存在能量沉积的最佳直径，提出此直径可通过钨丝沸点处的比功率加以确定； 屏蔽阴极可在爆炸丝表面构造正向径向场，从而改善EEW效果。
（3 设计了光纤阵列探头，实现了对爆炸丝沿面击穿弧光的时间、空间分辨测量。实验结果表明： 正极性电流驱动下沿面击穿起始于阴极，并向阳极发展，测量得到的发展速度约为8.2mmns。
（4 提出阴极串联闪络开关构造正向径向电场法，极大地提高了正、负极性下爆炸丝比能量实验中钨丝比能量分别提高到2倍和3.5倍、能量沉积均匀性以及丝芯膨胀速度，且激光干涉照片表明爆炸产物中不存在高密度丝芯，即实现了无核丝爆。
关键词： 金属丝电爆炸； Z箍缩； 沿面击穿； 比能量
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