Rod-pinch二极管箍缩特性的数值模拟

采用UNIPIC程序模拟Rod-pinch二极管(RPD)的工作过程,重点研究阳极等离子体和二极管结构参数对电子束箍缩的影响。模拟结果表明,在不考虑阳极离子流作用情况下,RPD无法在较低电压下(<2MV)实现箍缩;当阳极离子流达到一定值后,进一步增加阳极表面发射离子流密度对二极管总电流和阳极杆尖端电流密度影响很小;阴极不同表面发射电子束的箍缩效果不同,各表面同时发射电子时,后表面发射的电子束箍缩效果最好,其次是中间表面,前表面最差;增大阴极厚度不能显著缩短电子束实现箍缩的时间。给出了阳极杆伸出阴极平面距离和阴阳极半径比等参数的选取范围,对模拟计算与实验结果间的偏差作出了解释。

离子对rod-pinch二极管工作特性的影响

利用PIC粒子模拟方法,结合对同轴结构二极管工作模式的半解析描述,研究了离子存在与否对rod-pinch二极管(RPD)工作特性的影响。模拟给出了二极管的伏安特性、不同时刻电子和离子的相空间分布以及空间电流分布等。结果表明随着电流逐渐增大,其工作模式从空间电荷限制流依次向弱箍缩流和磁绝缘流转变。只有存在离子的情况下,电子才能沿着阳极杆表面运动并在其末端发生箍缩,表明RPD中离子电流的存在对于RPD工作是必需的。

Rod-pinch二极管理论及数值模拟

介绍了Rod-pinch二极管的基本结构和工作原理,采用Laminar模型分析了Rod-pinch二极管中的粒子运动过程及其阻抗特性。考虑背景空间离子电荷的影响,用1维Laminar方程分析Rod-pinch二极管中电子的自箍缩过程,并且利用Magic程序对其中的粒子运动进行数值模拟,求解二极管中的电压和电流,最终得出二极管的阻抗特性,在较低电压下,负极性RPD的性能明显不如正极性RPD。根据临界电流经验公式,初步验证Laminar理论模型的可行性。

Characterization of the Rod-Pinch Diode at 1MV as a Radiography Source

The rod-pinch diode(RPD)is a kind of new X-ray source for flash radiographic apphcations,especially in the small-scale hydrodynamic experiments.According to theoretical analysis and the generator parameters,the 1MV rod pinch diode has been designed and studied experimentally.As a result,1.21 to 1.45rads at 1m in the forward direction (0°)are achieved in 18.1 to 27.5ns FWHM pulses,the spot sizes are 0.8 to 1.1mm with 1-mm-diameter tungsten rods. This suggests that the rod-pinch diode is a perfect X-ray source used in the small-scale hydrodynamic experiments.

Rod-pinch二极管综述

简要介绍了Rod-pinch二极管的基本工作原理及国外的应用研究现状，重点介绍了对二极管性能的影响因素及其结构的改进。针对目前Rod-pinch二极管在闪光照相领域的应用，提出了以后的发展方向和应用前景。

0.45~4MV杆箍缩二极管阳极等离子体研究

为提升对杆箍缩二极管物理机制的认识,提升模拟算法的准确性,使用相空间文件作为信息传递媒介,将PIC与蒙特卡罗计算方法相结合,实现了杆箍缩二极管从加载电压到剂量计算全过程模拟。本工作给出了PIC模拟计算中的阳极等离子体生成函数,使得数值计算模型能在0.45~4 MV的电压范围内,对杆箍缩二极管的电流、剂量进行准确的计算,与实验结果相比,计算结果相对误差控制在20%以内。利用获得验证的PIC模型,以加载电压为1 MV为例,用模拟手段对等离子体生成速率与电子运动状态之间的关系进行了研究,总结了电子箍缩的物理特性。相较于先前模拟工作仅能给出趋势性的预测结果,该模型的准确性与通用性均获得提升,同时等离子体对电子运动状态影响的研究结果为新型强流X射线二极管的研发提供了基础。

西马克夹送辊双唇密封冷却方式改进

西马克高速线材轧机夹送辊双唇密封冷却方式不当,生产过程中双唇密封损坏严重,使用周期缩短。易造成夹送辊进水,润滑站油品乳化,影响设备稳定使用周期。结合现场实际运行情况对夹送辊八字板进行改进,增加了冷却环,引入压缩空气进行高效冷却,能起到密封作用,双唇密封的寿命由改进前的3 d延长到15 d,满足生产现场使用要求。

感应电压叠加器驱动阳极杆箍缩二极管型脉冲X射线源

介绍了自行研制的用于闪光照相且基于感应电压叠加器和阳极杆箍缩二极管的X射线源的组成、结构和主要参数。输出电压3 MV的Marx发生器给阻抗7.8Ω水介质脉冲形成线充电,产生脉宽约70ns,电压约1 MV的高功率脉冲,经过峰化开关和预脉冲开关后分成3路馈入三级感应电压叠加器感应腔进行电压叠加,感应电压叠加器次级采用真空绝缘传输线,阻抗从40Ω变成60Ω,驱动阳极杆箍缩二极管,二极管阴极为石墨,阳极为直径1.2 mm的钨杆,石墨阴极产生的电子束在电流自磁场作用下发生箍缩,轰击阳极,产生小焦斑脉冲X射线。该装置在Marx充电电压为±35 kV时,二极管电压约2.0 MV,二极管电流约为50kA,半高宽约80 ns;X射线半高宽约为40 ns,剂量约为28 mGy,焦斑约为0.95 mm。利用该X射线源拍摄到了炸药爆炸产生的层裂碎片不同飞行时间的图像。

杆箍缩二极管X射线焦斑的成像法测量

X射线源的焦斑尺寸是反映杆箍缩二极管射线源成像性能的重要参数。利用针孔成像法对MeV级脉冲X射线源的焦斑进行了2维图像测量。厚针孔采用直孔段加单锥体结构,直孔段孔径为0.2 mm。对于0.5 MeV的X射线,5倍成像倍率下调制传递函数值为0.5时空间分辨达到2.0 lp.mm-1。图像采集系统由闪烁体、物镜和CCD相机组成,物镜的成像倍率约0.34。实验结果经过模糊校正后,得到了焦斑的图像和调制传递函数。根据调制传递函数值为0.5时对应的空间频率值,给出X射线源焦斑的尺寸。阳极杆直径为1.2 mm时,X射线源焦斑的高斯分布等效直径为0.86 mm。

X射线闪光照相杆箍缩二极管技术最新进展

综合介绍了杆箍缩二极管的应用背景、工作原理和目前的研究概况,并阐述了目前较为典型的两种二极管,即真空杆箍缩二极管和等离子体填充杆箍缩二极管的性能。详细介绍了已经用于地下实验的Cygnus装置的运行参数和实验结果。最后分析了杆箍缩二极管在X射线闪光照相领域的发展前景。

强脉冲γ射线能谱测量仪研制

研制出了一种用于强脉冲γ射线能谱测量的能谱仪,在感应电压叠加器实验平台上,测量了阳极杆箍缩二极管产生的强脉冲γ射线能谱。选择适合强脉冲γ射线测量的Si-PIN探测器阵列和铅过滤片作为测量系统,通过在能谱仪的前部放置不同厚度的铅衰减片,测量了感应电压叠加器的强脉冲γ射线的强度。理论计算了不同能量的光子经过不同厚度的铅衰减片以后在探测器阵列上的能量沉积,得到了探测器的灵敏度曲线。利用探测器上的理论计算的电荷量和实验波形的对应关系,求解了该加速器的能谱。光子的最高能量约为1.44 MeV,平均能量为0.68 MeV,其中能量在0.4-0.8 MeV范围内的光子数最多,占74.3%。

1.2MV“天蝎”X光机杆箍缩二极管性能模拟

为了深入研究杆箍缩二极管的物理性能,采用蒙特卡罗方法对中国工程物理研究院流体物理研究所1.2 MV"天蝎"X光机的杆箍缩二极管进行模拟研究,包括PIC模拟和光电子输运模拟。着重分析了杆箍缩二极管结构参数与阻抗及出光剂量等的关系,发现阻抗和出光剂量与阴阳极半径比正相关,而出光剂量和杆探出长度正相关。提出一种阻止阴极盘后表面发射电子的设想,有望显著提高X射线辐射剂量。

X-ray CCD相机在杆箍缩二极管X射线焦斑诊断中的应用

针孔成像法是诊断杆箍缩二极管X射线焦斑的常用方法。本文建立基于增感屏、光锥耦合、CCD相机的X-ray CCD相机系统,取代针孔成像法中基于闪烁体、物镜、CCD相机的图像获取系统,提高了诊断系统的紧凑性。对所建立的X-ray CCD相机系统的空间分辨能力进行了测试,系统的空间分辨能力受增感屏限制,使用铅制分辨卡测得系统的空间分辨率为5lp/mm,使用刀口法测得调制传递函数为0.5时的频率为1.5lp/mm。测试结果表明,在针孔成像倍率为0.5时,可满足1.5 mm左右的X射线焦斑诊断的需要。并开展了杆箍缩二极管侧面焦斑诊断实验,获得了侧面焦斑图像,且进行了图像复原处理。

影响阳极杆箍缩二极管窗口前向辐射剂量的因素

简介了杆箍缩二极管(RPD)基本物理过程,从轫致辐射方向性、二极管能量耦合、电子箍缩效率、二极管构型等方面综述了国内外对RPD窗口前向辐射剂量影响因素的研究进展,报道了相比于石墨阴极,采用LaB6爆炸发射阴极RPD在相同实验条件下使得距离光源1m处辐射剂量提高12%以上的实验结果,并进一步讨论提高RPD辐射剂量的可能技术途径。

1MV杆箍缩二极管辐射特性实验研究

依据现有的实验室驱动源能力建立杆箍缩二极管(RPD)粒子模拟计算模型,获得了工作电压为1 MV的RPD电参数特性及电子、离子时空分布特性,并设计了RPD实验装置。在1 MV驱动源平台上开展了实验研究,实验中采用B-dot、D-dot、热释光剂量片和SiPin二极管测试了RPD电流、电压、辐射剂量和光脉冲信号,分析了RPD电参数及X射线辐射特性。结果表明,阳极采用1.5 mm钨时,1 MV电压下1 m处辐射剂量约1 R,并得出剂量与电压Ud、电流Id的关系式D(R=1m)=120U1.55d∫Iddt;二极管阻抗范围为26.4~36.7Ω,空间电荷限制阶段平均阻抗下降率大于2Ω/ns,磁绝缘阶段平均阻抗下降率小于0.5Ω/ns;光脉冲宽度较电压脉冲宽度约缩短20%~30%,与电压、电流的关系为∝IdU1.55d。实验测试的剂量和光脉冲信号结果与拟合计算式计算结果符合较好。

预充等离子体密度对杆箍缩二极管特性的影响

在杆箍缩二极管工作前预先填充一定密度的等离子体,可以改善二极管特性,从而提高二极管出射X射线的剂量率。建立了预充等离子体的杆箍缩二极管的粒子模拟模型,通过收集轰击到阳极上的电子,诊断其轴向分布,可以给出不同时刻的束流箍缩特性。利用"剑光一号"加速器低阻抗状态(1 MV/9Ω/40ns)开展了预充等离子体的杆箍缩二极管实验研究。预充适当密度的等离子体后,二极管阻抗降低到10Ω,X射线辐射剂量从0.76mGy提高到3.19mGy,侧向焦斑从9mm降到4mm。模拟结果和实验基本符合。

两种典型结构强流自箍缩二极管技术研究

主要介绍了箍缩聚焦二极管和自箍缩离子束二极管的研究进展。重点介绍了近几年发展的阳极杆箍缩聚焦二极管的理论模拟和实验结果，在“闪光二号”加速器和2MV脉冲功率驱动源上进行了阳极杆箍缩二极管实验，二极管输出电压1．8—2．1MV，电流40—60kA，脉宽（FWHM）50～60n8，1m处的脉冲X剂量约20～30mGy，焦斑直径约Imm，X射线最高能量1．8MeV。在“闪光二号”加速器上开展了高功率离子束的产生和应用研究，给出了自箍缩反射离子束二极管的结构和工作原理，实验获得的离子束峰值电流～160kA，离子的峰值能量-500keV，开展了利用高功率质子束轰击19F靶产生6～7MeV准单能脉冲γ射线，模拟x射线热一力学效应等应用基础研究。

同心度对杆箍缩二极管物理特性的影响

闪光X射线照相是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管是X射线源的重要组成部分之一,其设计直接影响X射线源稳定性。由于受装置结构及真空等因素的影响,使得阴阳极几何中心同心存在一定的困难。因此,评估同心偏差对二极管物理特性的影响,对提高闪光X射线源稳定性具有重要的意义。针对阴阳极几何中心同心偏差问题开展实验研究,分别取三种同心偏差度(小于1%,15.02%和22.92%)状态。在1MV电压下获得了不同同心偏差度下二极管电参数特性,并在此基础上结合理论模型分析了同心偏差度对二极管物理特性及电极等离子体扩散速度的影响。研究结果表明,随着同心偏差度增加,磁绝缘阶段阻抗下降率及等离子体扩散速度呈非线性增加,同时造成该阶段二极管阻抗与脉冲驱动源输出阻抗失配严重,降低了二极管与脉冲驱动源的能量耦合效率。

阳极杆箍缩二极管的理论模型及物理特性

闪光X射线源是获得高凝聚态物质内部物理图像的重要手段,阳极杆箍缩二极管(RPD)作为其重要组成部分之一,直接影响闪光X射线源照相质量。研究RPD物理特性对二极管物理结构优化设计及实验调试具有重要意义。分析了RPD空间电荷限制、弱箍缩和磁绝缘阶段物理模型。基于PIC模拟技术,编写了计算程序,研究了RPD不同阶段的电子电流、离子电流及电子束箍缩物理特性。通过理论分析,获得了特定几何结构RPD物理模型修正系数及各个阶段离子电流与电子电流比,验证了粒子模拟代码的有效性。模拟结果表明:空间电荷限制阶段,粒子模拟结果与双极性流计算结果一致;在弱箍缩和磁绝缘阶段,粒子模拟得到的总电流与磁绝缘模型计算结果一致,且与文献给出的经验拟合表达式计算结果一致;磁绝缘阶段离子电流与电子电流之比与电压和二极管几何结构相关,给出了离子电子电流比增大系数η与电压和阴阳极半径比的关系,该系数受电子、离子在不同结构二极管渡越时间的影响,随电压和阴阳极半径比增加而逼近恒定值。

杆箍缩二极管X射线源焦斑的刀口法测量

辐射成像中,射线源尺寸与形状是影响图像分辨率的主要因素之一。柱面刀口法是焦斑尺寸测量最常用的方法之一。对刀口法空间分辨与视场进行了分析。实验测量了杆箍缩二极管X射线源焦斑尺寸,给出了初步结果。