In this paper, we describe the operation of a two-stage wire array z-pinch driven by the 1.4 MA, 240 ns rise-time Magpie pulsed-power device at Imperial College London. In this setup, an inverse wire array acts as a fast current switch, delivering a current pre-pulse into a cylindrical load wire array, before rapidly switching the majority of the generator current into the load after a 100–150 ns dwell time. A detailed analysis of the evolution of the load array during the pre-pulse is presented. Measurements of the load resistivity and energy deposition suggest significant bulk heating of the array mass occurs. The ∼5 kA pre-pulse delivers ∼0.8 J of energy to the load, leaving it in a mixed, predominantly liquid-vapour state. The main current switch occurs as the inverse array begins to explode and plasma expands into the load region. Electrical and imaging diagnostics indicate that the main current switch may evolve in part as a plasma flow switch, driven by the expansion of a magnetic cavity and plasma bubble along the length of the load array. Analysis of implosion trajectories suggests that approximately 1 MA switches into the load in 100 ns, corresponding to a doubling of the generator dI/dt. Potential scaling of the device to higher current machines is discussed.

1.
M. E.
Cuneo
,
D. B.
Sinars
,
E. M.
Waisman
,
D. E.
Bliss
,
W. A.
Stygar
,
R. A.
Vesey
,
R. W.
Lemke
,
I. C.
Smith
,
P. K.
Rambo
,
J. L.
Porter
,
G. A.
Chandler
,
T. J.
Nash
,
M. G.
Mazarakis
,
R. G.
Adams
,
E. P.
Yu
,
K. W.
Struve
,
T. A.
Mehlhorn
,
S. V.
Lebedev
,
J. P.
Chittenden
, and
C. A.
Jennings
,
Phys. Plasmas
13
(
5
),
056318
(
2006
).
2.
D. J.
Ampleford
,
B.
Jones
,
C. A.
Jennings
,
S. B.
Hansen
,
M. E.
Cuneo
,
A. J.
Harvey-Thompson
,
G. A.
Rochau
,
C. A.
Coverdale
,
A. R.
Laspe
,
T. M.
Flanagan
,
N. W.
Moore
,
D. B.
Sinars
,
D. C.
Lamppa
,
E. C.
Harding
,
J. W.
Thornhill
,
J. L.
Giuliani
,
Y.-K.
Chong
,
J. P.
Apruzese
,
A. L.
Velikovich
,
A.
Dasgupta
,
N.
Ouart
,
W. A.
Sygar
,
M. E.
Savage
,
J. K.
Moore
,
R.
Focia
,
T. C.
Wagoner
,
K. L.
Killebrew
,
A. D.
Edens
,
G. S.
Dunham
,
M. C.
Jones
,
P. W.
Lake
,
D. S.
Nielsen
,
M.
Wu
,
A. L.
Carlson
,
M. D.
Kernahan
,
C. R.
Ball
,
R. D.
Scharberg
,
T. D.
Mulville
,
E. W.
Breden
,
C. S.
Speas
,
G.
Olivas
,
M. A.
Sullivan
,
A. J.
York
,
D. W.
Justus
,
J. C.
Cisneros
,
T.
Strizic
,
J.
Reneker
,
M.
Cleveland
,
M. P.
Vigil
,
G.
Robertson
,
D.
Sandoval
,
C.
Cox
,
A. J.
Maurer
,
D. A.
Graham
,
N. B.
Huynh
,
S.
Toledo
,
L. P.
Molina
,
M. R.
Lopez
,
F. W.
Long
,
G. R.
McKee
,
J. L.
Porter
, and
M. C.
Herrmann
,
Phys. Plasmas
21
(
5
),
056708
(
2014
).
3.
M. E.
Cuneo
,
R. A.
Vesey
,
D. B.
Sinars
,
J. P.
Chittenden
,
E. M.
Waisman
,
R. W.
Lemke
,
S. V.
Lebedev
,
D. E.
Bliss
,
W. A.
Stygar
,
J. L.
Porter
,
D. G.
Schroen
,
M. G.
Mazarakis
,
G. A.
Chandler
, and
T. A.
Mehlhorn
,
Phys. Rev. Lett.
95
,
185001
(
2005
).
4.
W. A.
Stygar
,
M. E.
Cuneo
,
R. A.
Vesey
,
H. C.
Ives
,
M. G.
Mazarakis
,
G. A.
Chandler
,
D. L.
Fehl
,
R. J.
Leeper
,
M. K.
Matzen
,
D. H.
McDaniel
,
J. S.
McGurn
,
J. L.
McKenney
,
D. J.
Muron
,
C. L.
Olson
,
J. L.
Porter
,
J. J.
Ramirez
,
J. F.
Seamen
,
C. S.
Speas
,
R. B.
Spielman
,
K. W.
Struve
,
J. A.
Torres
,
E. M.
Waisman
,
T. C.
Wagoner
, and
T. L.
Gilliland
,
Phys. Rev. E
72
,
026404
(
2005
).
5.
S. A.
Chaikovsky
,
V. A.
Kokshenev
,
A. G.
Rousskikh
,
A. V.
Shishlov
,
A. V.
Fedunin
,
A.
Yu. Labetsky
,
N. E.
Kurmaev
, and
F. I.
Fursov
,
AIP Conf. Proc.
808
(
1
),
41
(
2006
).
6.
A.
Kingsep
,
Yu.
Bakshaev
,
A.
Bartov
,
P.
Blinov
,
A.
Chernenko
,
R.
Chikin
,
K.
Chukbar
,
S.
Danko
,
L.
Dubas
,
Yu.
Kalinin
,
I.
Kovalenko
,
A.
Lobanov
,
V.
Mizhiritsky
,
V.
Shchagin
, and
V.
Smirnov
, in
Proceedings of 14th IEEE International Pulsed Power Conference
(
2003
), Vol.
1
, p.
689
.
7.
F. S.
Felber
,
E. M.
Waisman
, and
M. G.
Mazarakis
,
Phys. Rev. Lett.
104
,
185001
(
2010
).
8.
P. J.
Turchi
,
M. L.
Alme
,
G.
Bird
,
C. N.
Boyer
,
S. K.
Coffey
,
D.
Conte
,
J. F.
Davis
, and
S. W.
Seiler
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
15
(
6
),
747
(
1987
).
9.
P. F.
Ottinger
,
S. A.
Goldstein
, and
R. A.
Meger
,
J. Appl. Phys.
56
(
3
),
774
(
1984
).
10.
B. V.
Weber
,
R. J.
Commisso
,
P. J.
Goodrich
,
J. M.
Grossmann
,
D. D.
Hinshelwood
,
J. C.
Kellogg
, and
P. F.
Ottinger
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
19
(
5
),
757
(
1991
).
11.
C. W.
Mendel
and
S. A.
Goldstein
,
J. Appl. Phys.
48
(
3
),
1004
(
1977
).
12.
B. V.
Weber
,
R. J.
Commisso
,
G.
Cooperstein
,
J. M.
Grossmann
,
D. D.
Hinshelwood
,
D.
Mosher
,
J. M.
Neri
,
P. F.
Ottinger
, and
S. J.
Stephanakis
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
15
(
6
),
635
(
1987
).
13.
J. R.
Thompson
,
P. L.
Coleman
,
R. J.
Crumley
,
P. J.
Goodrich
,
J. R.
Goyer
,
J. E.
Rauch
,
J. J.
Moschella
, and
E. J.
Yadlowsky
, in
Proceedings of the 12th International Conference on High-Power Particle Beams
(
1998
), Vol.
1
, p.
338
.
14.
P.
Coleman
,
J.
Rauch
,
W.
Rix
,
J.
Thompson
, and
R.
Wilson
,
AIP Conf. Proc.
409
,
119
(
1997
).
15.
J.
Thompson
,
P.
Coleman
,
D.
Parks
,
E.
Waisman
,
W.
Rix
,
M.
Babineau
,
V.
Kenyon
,
G. L.
Whitehead
,
P.
Corcoran
,
R.
Crumley
,
M.
Danforth
,
J.
Douglas
,
P.
Spence
,
P.
Steen
,
T.
Tucker
,
P.
Kurucz
, and
K.
Ware
, in
Proceedings of IEEE Pulsed Power Plasma Science Conference
(
2001
), Vol.
1
, p.
657
.
16.
S. V.
Lebedev
,
F. N.
Beg
,
S. N.
Bland
,
J. P.
Chittenden
,
A. E.
Dangor
,
M. G.
Haines
,
K. H.
Kwek
,
S. A.
Pikuz
, and
T. A.
Shelkovenko
,
Phys. Plasmas
8
,
3734
(
2001
).
17.
V. V.
Alexandrov
,
I. N.
Frolov
,
M. V.
Fedulov
,
E. V.
Grabovsky
,
K. N.
Mitrofanov
,
S. L.
Nedoseev
,
G. M.
Oleinik
,
I.
Yu. Porofeev
,
A. A.
Samokhin
,
P. V.
Sasorov
,
V. P.
Smirnov
,
G. S.
Volkov
,
M. M.
Zurin
, and
G. G.
Zukakischvili
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
30
(
2
),
559
(
2002
).
18.
M. E.
Cuneo
,
E. M.
Waisman
,
S. V.
Lebedev
,
J. P.
Chittenden
,
W. A.
Stygar
,
G. A.
Chandler
,
R. A.
Vesey
,
E. P.
Yu
,
T. J.
Nash
,
D. E.
Bliss
,
G. S.
Sarkisov
,
T. C.
Wagoner
,
G. R.
Bennett
,
D. B.
Sinars
,
J. L.
Porter
,
W. W.
Simpson
,
L. E.
Ruggles
,
D. F.
Wenger
,
C. J.
Garasi
,
B. V.
Oliver
,
R A.
Aragon
,
W. E.
Fowler
,
M. C.
Hettrick
,
G. C.
Idzorek
,
D.
Johnson
,
K.
Keller
,
S. E.
Lazier
,
J. S.
McGurn
,
T. A.
Mehlhorn
,
T.
Moore
,
D. S.
Nielsen
,
J.
Pyle
,
S.
Speas
,
K. W.
Struve
, and
J. A.
Torres
,
Phys. Rev. E
71
,
046406
(
2005
).
19.
I.
Blesener
,
B.
Kusse
,
K.
Blesener
,
J.
Greenly
, and
D.
Hammer
,
IEEE Trans. Plasma Sci.
40
(
12
),
3313
(
2012
).
20.
G. F.
Swadling
,
S. V.
Lebedev
,
N.
Niasse
,
J. P.
Chittenden
,
G. N.
Hall
,
F.
Suzuki-Vidal
,
G.
Burdiak
,
A. J.
Harvey-Thompson
,
S. N.
Bland
,
P.
De Grouchy
,
E.
Khoory
,
L.
Pickworth
,
J.
Skidmore
, and
L.
Suttle
,
Phys. Plasmas
20
(
2
),
022705
(
2013
).
21.
G. F.
Swadling
,
S. V.
Lebedev
,
G. N.
Hall
,
F.
Suzuki-Vidal
,
G.
Burdiak
,
A. J.
Harvey-Thompson
,
S. N.
Bland
,
P.
De Grouchy
,
E.
Khoory
,
L.
Pickworth
,
J.
Skidmore
, and
L.
Suttle
,
Phys. Plasmas
20
(
6
),
062706
(
2013
).
22.
S. V.
Lebedev
,
F. N.
Beg
,
S. N.
Bland
,
J. P.
Chittenden
,
A. E.
Dangor
, and
M. G.
Haines
,
Phys. Plasmas
9
(
5
),
2293
(
2002
).
23.
A. J.
Harvey-Thompson
,
S. V.
Lebedev
,
G.
Burdiak
,
E. M.
Waisman
,
G. N.
Hall
,
F.
Suzuki-Vidal
,
S. N.
Bland
,
J. P.
Chittenden
,
P.
De Grouchy
,
E.
Khoory
,
L.
Pickworth
,
J.
Skidmore
, and
G.
Swadling
,
Phys. Rev. Lett.
106
,
205002
(
2011
).
24.
I. H.
Mitchell
,
J. M.
Bayley
,
J. P.
Chittenden
,
J. F.
Worley
,
A. E.
Dangor
,
M. G.
Haines
, and
P.
Choi
,
Rev. Sci. Instrum.
67
(
4
),
1533
(
1996
).
25.
A. J.
Harvey-Thompson
,
S. V.
Lebedev
,
S. N.
Bland
,
J. P.
Chittenden
,
G. N.
Hall
,
A.
Marocchino
,
F.
Suzuki-Vidal
,
S. C.
Bott
,
J. B. A.
Palmer
, and
C.
Ning
,
Phys. Plasmas
16
(
2
),
022701
(
2009
).
26.
G. N.
Hall
,
S. V.
Lebedev
,
F.
Suzuki-Vidal
,
G.
Swadling
,
J. P.
Chittenden
,
S. N.
Bland
,
A.
Harvey-Thompson
,
P. F.
Knapp
,
I. C.
Blesener
,
R. D.
McBride
,
D. A.
Chalenski
,
K. S.
Blesener
,
J. B.
Greenly
,
S. A.
Pikuz
,
T. A.
Shelkovenko
,
D. A.
Hammer
, and
B. R.
Kusse
,
Phys. Plasmas
20
(
2
),
022703
(
2013
).
27.
G. C.
Burdiak
,
S. V.
Lebedev
,
G. N.
Hall
,
A. J.
Harvey-Thompson
,
F.
Suzuki-Vidal
,
G. F.
Swadling
,
E.
Khoory
,
L.
Pickworth
,
S. N.
Bland
,
P.
de Grouchy
, and
J.
Skidmore
,
Phys. Plasmas
20
(
3
),
032705
(
2013
).
28.
V. V.
Aleksandrov
,
A. G.
Alekseev
,
V. N.
Amosov
,
M. M.
Basko
,
G. S.
Volkov
,
E. V.
Grabovskii
,
A. V.
Krasil'nikov
,
G. M.
Oleinik
,
I. N.
Rastyagaev
,
P. V.
Sasorov
,
A. A.
Samokhin
,
V. P.
Smirnov
, and
I. N.
Frolov
,
Plasma Phys. Rep.
29
,
1034
(
2003
).
29.
G. F.
Swadling
, “
An experimental investigation of the azimuthal structures formed during the ablation phase of wire array z-pinches
,” Ph.D. thesis,
Imperial College London
,
2012
.
30.
D. D.
Ryutov
,
M. S.
Derzon
, and
M. K.
Matzen
,
Rev. Mod. Phys.
72
,
167
(
2000
).
31.
A. L.
Velikovich
,
I. V.
Sokolov
, and
A. A.
Esaulov
,
Phys. Plasmas
9
(
4
),
1366
(
2002
).
32.
E. M.
Waisman
,
M. E.
Cuneo
,
W. A.
Stygar
,
R. W.
Lemke
,
K. W.
Struve
, and
T. C.
Wagoner
,
Phys. Plasmas
11
(
5
),
2009
(
2004
).
33.
J.
Davis
,
N. A.
Gondarenko
, and
A. L.
Velikovich
,
Appl. Phys. Lett.
70
,
170
(
1997
).
34.
D. B.
Sinars
,
R. W.
Lemke
,
M. E.
Cuneo
,
S. V.
Lebedev
,
E. M.
Waisman
,
W. A.
Stygar
,
B.
Jones
,
M. C.
Jones
,
E. P.
Yu
,
J. L.
Porter
, and
D. F.
Wenger
,
Phys. Rev. Lett.
100
,
145002
(
2008
).
You do not currently have access to this content.