基于Z箍缩X射线源的热-力学效应实验

材料或结构对强脉冲X射线的响应如热激波的传播和喷射冲量等,统称为X射线热-力学效应,在抗辐射加固研究、天体物理、行星科学等领域具有重要应用。利用驱动电流近10 MA脉冲功率装置上的丝阵Z箍缩X射线源开展了初步的热-力学效应实验。采用20 mm直径的双层铝丝阵产生了约230 kJ的X射线总辐射能,其中铝的K壳层产额约为30 kJ,距离源中心5 cm处的样品上的X射线能注量为732 J/cm^(2)。受辐照样品为厚度2 mm、直径10 mm的铝制圆盘,其背面设置有铝衬套,样品与衬套的总质量为585 mg。采用全光纤光子多普勒测速(PDV)系统来测量受辐照样品后表面的运动过程。PDV测量的样品后表面速度历程显示,当热激波到达后表面时的自由面速度为2.12 km/s,样品最终的整体运动速度为180 m/s。根据冲击波关系式以及动量守恒原理,推导出X射线在样品中产生的热激波应力为19.2 GPa,单位面积上的喷射冲量为1341 Pa·s,进而由喷射冲量和X射线能注量测量结果可以推出冲量耦合系数为1.83 Pa·s·cm^(2)/J。同时,对实验测量结果的可靠性和不确定度进行了讨论和分析。这些实验结果初步验证了将PDV技术应用于热-力学效应研究的可行性。