强脉冲软X光辐照薄塑料闪烁体发光特性研究

介绍了Z-pinch实验用软X光功率仪的测量原理,利用“强光一号”产生的强脉冲软X光对薄塑料闪烁体(40 mm×0.1 mm)进行了辐照。实验中,采用两套软X光功率仪并安装在同一个大法兰面上,其中一套作为标准系统,参数保持不变,另一套系统的狭缝宽度逐渐增加,以改变软X光辐照到闪烁体上的能量通量密度。测量了软X光的辐射功率,由此计算得到在强脉冲软X光辐照下发光线性输出时能量通量密度下限,为1.47×105W/cm2,为以后在Z-pinch物理诊断中合理安排探测系统提供了实验依据,使诊断结果更加合理和准确。

双层钨丝阵的软X射线辐射参数

在俄罗斯新能源研究所的Angara-5-1装置上对双层钨丝阵的辐射参数进行了实验研究,将不同结构的双层钨丝阵的实验结果及双层钨丝阵与单层钨丝阵的实验结果进行了比较。根据理论模拟提出的4种双层丝阵内爆动力学模式对3次中俄联合实验双层丝阵辐射功率结果进行了分析。双层丝阵的外层与内层同步内爆后,内层相对均匀等离子的分布将有效改善外层等离子体时空分布的均匀性,与单层丝阵相比,X射线辐射功率增加了32%。

软X射线功率谱仪测量系统在“强光一号”的丝阵实验

闪烁体和光电管组成的软X射线功率谱测量系统,在西北核技术研究所的“强光一号”加速器上,测量得到了各种丝阵靶的X射线辐射功率波形,并对测量结果进行了分析。

Z-pinch内爆等离子体时空分辨诊断技术

为了深入认识和理解Z-pinch物理机制并对物理实验进行优化设计，需要研究内爆等离子体及其辐射的时空分布特性诊断技术，建立诊断装置与设备，通过实验研究等离子体内爆时间过程及其空间分布特性，利用所获得的实验诊断数据校核数值模拟程序。简要介绍近几年开展的X光空间积分功率谱测量、X光时间积分针孔照相、X光时分幅针孔照相、X光时间分辨1维空同分布、紫外探针阴影照相等时空分辨诊断技术研究工作，并给出在1～3MA电流驱动装置上进行的喷气和丝阵内爆实验中获得的部分时空分辨诊断结果，包括辐射功率、拉链速度、内爆速度、收缩比等。

基于虚拟仪器技术和网络的综合实验控制系统设计

为实现大型物理实验现场复杂多样的仪器控制,分析了物理实验的特点、过程、环境及仪器控制功能需求,利用虚拟仪器技术、计算机网络技术和数据库技术,建立了一套集成硬件和软件的综合控制管理信息系统,实现记录系统中示波器状态远程批量设置及波形数据自动采集、控制探测系统的高压电源并发加压或退压、保障各测试项目间测试仪器之间时间关联、监控UPS电量和远端现场图片或视频状态;给出了系统的关键的设计思路,列举了某型示波器控制的通用控制代码;结果表明,系统达到了一人总控或多人分权控制实验过程中多种多台仪器的目标,方便快捷地实现不同品牌不同类型示波器的相同功能。

软X射线光导纤维传输特性

为优化设计软X射线聚束透镜，使之与软X射线源配合能最大限度地获得高强度软X射线束，在北京同步辐射装置软X光站3W1B束线上，对不同能量软X射线（50～1500eV）在不同规格毛细管光导纤维中的传输特性进行研究。研究结果表明：玻璃毛细管对软X光有较高的传输效率，毛细管内径越小，曲率越小，光子能量越小，则传输效率越大；使用含硼（B）量高的DM308型号玻璃材料拉制成内直径为0．45mm、外直径为0．6mm的毛细管组成的软X光聚束透镜有较高的传输效率，该规格毛细管可以将能量为250eV的X射线传播方向改变26°后，其出射能量是入射能量的12％；使用由该规格毛细管设计的软X射线聚束透镜同软X射线点光源组合，收光角可以达到30°，透镜焦点处的功率密度是不使用透镜时的10^4倍。

丝阵Z箍缩可见光辐射区径向变化过程

在“强光一号”上进行的Z箍缩实验中，利用1维可见光成像系统获取了丝阵内爆可见光辐射区径向变化过程图像。采用的负载包括单层钨丝阵、单层铝丝阵，驱动电流为1．3～1．5MA，上升时间89～140ns。实验结果表明：丝阵内爆产生轴向先驱等离子体柱，尺寸为0．3～0．5mm；丝阵在内爆和内爆到芯及冷却飞散阶段，外围区域始终存在较弱的可见光辐射；获得的可见光条纹像提供了丝阵等离子体内爆可见光轨迹，内爆径向压缩比为2．84～7．84，丝阵内爆速度为4．60×10^6～1．73×10^7cm／s。

丝阵Z箍缩实验1维X光辐射功率分布

在Angara-5-1联合实验中,利用条纹像机和光纤阵列实现时间分辨和1维空间分辨,得到了丝阵条纹像,观察到丝阵负载箍缩区X光辐射的1维轴向空间分布信息随时间的演化过程,考察了内爆的同步性和均匀性。通过对比不同结构负载内爆等离子体X光1维时空分布信息,发现由于内层等离子体对磁流体瑞利-泰勒不稳定性的抑制作用,(40+20)根双层钨丝阵比60根单层钨丝阵的内爆轴向同步性好,产生的X光辐射功率高;由于负载存在弯曲、断丝、扭曲等现象,(60+30)根双层钨丝阵比90根单层钨丝阵的轴向同步优势不明显;轴向同步性好与辐射功率高之间存在相关性;辐射波形前沿较快时,X光功率较高。

铝丝阵Z箍缩辐射形成特征实验研究

基于多种诊断设备获得的物理参数和物理图像,分析了8mm铝丝阵内爆各阶段的辐射特征。实验结果表明,铝丝阵的先驱等离子体在形成后未出现明显不稳定性特征。在向心箍缩阶段,出现了泡-钉(bubble-spike)结构,并伴有局部热点。结合分析空间分辨能谱图像,表明热点的形成与等离子局部的高温高密状态有关。通过对X光条纹像进行时间和空间的定标,得到透过50μm Be膜的等离子体热点的空间尺寸约为0.8mm,持续时间小于10ns。

1维时空分辨X光辐射功率图像的处理方法

在Z-pinch实验物理诊断中使用底片记录1维时空分辨X光功率图像,利用模拟底片能量响应曲线对实验获得的X光功率图像进行了变换,以闪烁体X光功率谱仪获得的X光波形为参考,将变换后的图像沿空间轴积分,并将所得波形与参考波形相比较,两条曲线基本一致,表明所使用的模拟能量响应曲线具有较好的近似效果。

单层钨丝阵Z箍缩内爆不稳定性特征实验研究

基于激光阴影像,研究了直径为8mm的钨丝阵在滞止阶段的不稳定性发展。实验结果表明,在消融阶段早期,不稳定性扰动的主导波长为0.2mm。在内爆后期和滞止阶段,不稳定主导波长迅速向长波长方向发展。在功率峰值前后,扭曲不稳定性特征开始出现,在滞止等离子体柱达到最小收缩直径后,辐射功率出现了明显下降。

高功率密度软X射线在X光导管中传输效率测量

为优化软X射线聚束透镜设计参数，使之与等离子体辐射源组合来获得洁净的高功率密度宽能带的软X光束，在西北核技术研究所的强光一号加速器装置上，对高功率密度的软X射线（6×10^6～1．5×10^7W／cm^2）在X光导管中的传输特性进行研究。研究结果表明：对于DM308型号玻璃材料拉制成的X光导管，在该功率密度范围内，软X射线在X光导管中的传输没有出现非线性效应，随着入射软X射线功率密度的提高，出射软X射线功率密度基本成线性增大；当入射软X射线的功率密度为1．2×10^7W／cm^2时，实验中获得X光导管的平均传输效率达到了16．3％。在强光一号加速器装置上，使用由该规格X光导管制作的软X射线聚柬透镜与钨丝阵Z-pinch等离子体辐射源组合，获得了功率密度达2．1×10^9W／cm^2的宽能带的软X光源。

“阳”加速器钼丝X-pinch初步实验研究

在“阳”加速器上进行了直径分别为10,15,20μm,交叉角为32°,45°,60°的钼(Mo)丝X-pinch实验。“阳”加速器产生的电流峰值约520 kA,上升时间80 ns。实验中通过X射线功率谱仪和纳秒分幅相机等仪器对Mo丝X-pinch辐射特性进行了诊断。实验表明:Mo丝X-pinch过程中会出现多次X射线爆发,箍缩过程中产生的热点辐射出能量超过3 keV的X射线,探测到的最小热点直径小于30μm。

强光一号装置单氘丝中子发射实验研究

介绍了利用飞行时间技术测量Z箍缩装置单氘丝中子发射。实验发现,Z箍缩中子发射过程中,伴随产生很强的硬X射线,利用铝丝阵产生硬X射线的实验,建立较好的硬X射线屏蔽,大大减弱了它的辐射强度。所采用的双闪烁探测器中子探测系统,进行了3个发次的单氘丝负载实验,确认产生了聚变氘氘中子。4172发次实验测量结果表明,中子产额1.5×109,中子能量为(2.45±0.26)MeV。实验结合分幅照相数据分析认为,峰电流和负载未能很好匹配,等离子体存在不稳定现象。

丝阵Z箍缩1维X射线辐射功率分布的数据处理

在丝阵Z箍缩实验中利用CCD记录X射线辐射功率的1维时空分布图像,对光纤传输效率、图像聚焦、MCP与CCD的耦合效率等因素造成的图像失真进行了处理,利用实验实测的单光纤点扩展图像和光传输效率曲线对辐射功率分布图像进行处理,并修正光纤传输效率以及MCP和CCD间耦合效率不均匀性的影响以还原X射线辐射功率的1维空间分布信息。处理后将图像沿空间积分获得了与X射线功率谱仪相吻合的X射线辐射功率脉冲波形,同时不同发次由两系统得到的X射线波形的前沿之间也表现出了良好的一致性。

罗斯滤片法测量激光打靶X射线辐射通量

利用一套罗斯滤片系统测量激光轰击固体金属Ti平面靶产生的X射线辐射通量,系统包括两个相同的X射线探测器及相应滤膜.罗斯滤片法的优点在于利用相邻核素对X射线相似的阻止率,可滤出一个窄的能带并去除高能部分的干扰,获得了Ti平面靶K壳层X光辐射产额.实验结果表明：硬X射线能段在4.5～4.9 keV之间的K壳特征辐射占优,连续谱所占份额较低（与晶体谱仪一致）;随着激光能量的增加,特征辐射增加;激光强度接近2×10^15 W/cm^2时,能量转换效率出现峰值.

一种多路信号时间关联系统

多路信号时间关联系统根据脉冲辐射场辐射脉冲时间特征和测量目的,选用不同或相对／绝对时间关联,并使用具有定位触发功能的数字示波器。其时标时刻即为触发时刻,可通过波形判读。系统应用利用TDS684C数字示波器的时间定位触发功能,通过系统操作设置及典型测量波形照片,建立了无需时标注入电路的时间关联新系统。

一维时空分辨诊断技术在Z-pinch实验中的应用

在Angara-5-1装置上进行的丝阵Z-pinch实验中,红光塑料闪烁体薄膜将X光转换为可见光,通过光纤阵列、光纤传像束传输至可见光条纹像机(OSC),紧贴于像机屏幕的光纤锥将信号耦合至CCD进行记录,提供丝阵一维条纹像,观察丝阵负载Pinch区X射线辐射空间分布信息随时间的演化过程。实验中系统时间分辨4.3ns,空间分辨0.3mm。负载采用单层丝阵与双层丝阵。研究结果表明,X光辐射波形前沿上升时间越快,功率峰值越高;双层丝阵构形改善了内爆同步性;等离子体的内爆动能与电流成正比,电流愈大,等离子体的动能也愈大,X光辐射能量与电流成正比。

Z箍缩等离子体内爆X光辐射功率角分布

在Z箍缩实验中，利用ST1432红光闪烁体、多模石英光纤探头和大电流光电倍增管探测器等研究了丝阵等离子体内爆过程中沿轴向与径向不同方位角的X光辐射功率分布。采用的负载为单层钨丝阵和单层铝丝阵，驱动电流1．5～1．8MA，上升时间60-90ns。实验结果表明：Z箍缩等离子体X光辐射强度有轴向和径向分布不均匀性；单层钨丝阵轴向X光辐射强度大于径向辐射强度；单层铝丝阵径向X光辐射强度大于轴向辐射强度。

Z箍缩动态黑腔冲击波辐射图像诊断

在"聚龙一号"装置上开展了单层钨丝阵加载重泡沫的动态黑腔实验,初步研究了Z箍缩动态黑腔中冲击波传播和黑腔形成的物理过程.获得了冲击波辐射环的演化图像,分析了丝阵等离子体与泡沫的作用过程及动态黑腔内的辐射特性.测得冲击波的向心传播速度为(14.2±1.7)cm/μs,冲击波平均宽度为0.8—0.9 mm.冲击波辐射环的发光强度沿角向分布的标准偏差约为±10%,中心黑腔区的标准偏差约为±4.2%.