紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60kV时,输出电流峰值117kA,脉宽60ns,上升沿22ns,该装置已经成功箍缩出X射线。

X箍缩三维数值模拟

利用FOI-PERFECT程序对X箍缩进行了3D数值模拟研究,给出了X箍缩的物理图像和动力学过程,探讨了Z箍缩中出现磁重联的可能性,并指出如果双丝Z箍缩中能够出现磁重联,那么X箍缩是更有利于磁重联出现的位形,并且,X箍缩中出现多重X射线暴的一个可能原因是z轴上多个位置出现磁重联。

X箍缩放电等离子体及其应用

为了拓展读者对高电压新技术及放电等离子体的视野,根据作者近期的实验结果,并结合一些他人的研究成果,对X箍缩放电等离子体及其应用进行了综述。X箍缩是以两根金属细丝作为脉冲大电流的放电负载,由于脉冲大电流磁场对等离子体的箍缩作用,在叉丝交点处将产生高温度高密度等离子体,并形成高亮度的亚ns脉冲X射线μm级点源。鉴于这两根细丝交叉并接触于一点呈"X"形状,故称之为X箍缩。X箍缩可以作为X射线源,应用于高能量密度物理领域,例如对丝阵负载Z箍缩等离子体进行背光照相,也可以应用于生物医学领域,例如对X射线弱吸收的生物体进行相衬照相。文中首先简单介绍了X箍缩工作原理及其放电发展过程;然后描述了X箍缩装置构成、驱动电流参数及其和叉丝负载质量的匹配要求;紧接着重点并详细介绍了X箍缩的X射线辐射特性;最后给出了X箍缩在X射线背光照相和相衬成像方面应用实例。

X箍缩背光照相

利用PPG-Ⅰ脉冲功率装置(500 kV,400 kA,100 ns)驱动X箍缩负载,得到了μm量级的亚纳秒脉冲X射线辐射点源。在阴阳极轴线和回流柱上同时安装X箍缩负载,前者可作为背光照相的X射线点源;后者可作为被拍照的目标X箍缩。获得了X箍缩发展过程不同时刻的时间序列图像,在背光照相的图像中可以清晰观察到X箍缩交叉点处等离子体的外爆、箍缩以及最终的崩溃阶段。将阴阳极轴线上的X箍缩负载用Z箍缩丝阵负载代替,实现了对丝阵负载Z箍缩放电起始阶段的X射线背光照相,观察到了最初的各单丝电爆炸、等离子体膨胀及融合过程,同时观察到了双丝Z箍缩发展过程中的等离子体不稳定性。实验结果有助于深入理解Z箍缩发展的物理过程,同时可为有效的模拟建模分析提供基本的实验数据。

小型X箍缩的初步实验研究

基于一台紧凑型脉冲电流发生器,对小型X箍缩进行了初步的实验研究。当改变X箍缩双细丝的直径和材料时,流过负载的总电流几乎不变,这表明双细丝阻抗远小于负载的总阻抗。使用这些细丝,X箍缩均能辐射X射线,但随着细丝质量的增大,X射线辐射时刻相对于电流起始时刻的延迟逐渐增大,X射线脉冲通常为亚纳秒脉宽的单峰或几乎重叠的双峰。对于小质量的细丝负载,若驱动电流足够大,时常观察到时间间隔较长的两个X射线脉冲,并被确认为二次箍缩所致。

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负载内部结构进行背光照相,在"阳"加速器(电流峰值为500—800 kA,上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°)X箍缩光源辐射特性的初步实验研究.通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右,辐射能量约为1 J,光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1—4 keV能段,点光源尺寸小于15μ.tm,其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps.对光源特征信息进行了初步分析,同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.

单丝及多丝Z箍缩的X射线背光成像

基于X箍缩软X射线辐射点源对单丝及多丝Z箍缩发展过程进行了背光成像研究,实验平台为清华大学电机系研制的脉冲功率装置PPG-Ⅰ(500kV/400kA/100ns)。成像光路安排为:作为X射线源的X箍缩和作为目标物的单丝或多丝(双丝)Z箍缩分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间或回流导电杆处,成像胶片采用高分辨力、高灵敏度的X射线胶片。利用自行设计的电流传感器和罗氏线圈对目标物实际流过的电流进行监测。为了测定目标物金属细丝的质量消融率,设计了μm级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了Z箍缩等离子体融合、先驱等离子体形成及不稳定性发展等过程的相关物理图像以及质量消融率、丝芯膨胀率等重要定量参数。

利用喷气式Z箍缩等离子体装置进行X射线光刻

喷气式Ｚ箍缩等离子体装置可以产生较强的软Ｘ射线，能量大约在２—６ｋｅＶ之间。利用此装置产生的软Ｘ射线，用ＣＳＭ作光刻胶，进行了Ｘ射线光刻的初步研究，得到了较为清晰的光刻图形。

强光一号兆安电流钨丝X箍缩实验研究

为了获得更高亮度的X射线点源,在"强光一号"装置上开展钨丝X箍缩实验研究.基于能量平衡方程,估算了1 MA电流热斑等离子体平衡半径为1—10μm.实验中,测试钨丝直径为25—100μm,丝根数为2—48,负载线质量为0.18—6.9 mg/cm;负载电流峰值为1—1.4 MA,10%—90%前沿为60—70 ns."强光一号"装置上匹配的X箍缩负载为30或32根25μm钨丝X箍缩,这种负载一定概率产生单个脉冲X射线辐射,辐射时刻位于电流峰值附近,典型参数为keV X射线脉宽1 ns,辐射功率35 GW,产额40 J,热斑尺寸～30μm.然而,兆安电流X箍缩通常产生多个热斑及多个脉冲X射线辐射.keV能段首个脉冲X射线辐射时刻与负载线质量正相关,并受到负载丝直径的影响.多个X射线脉冲可能由二次箍缩和局部箍缩产生,多个热斑可能由交叉点处微Z箍缩的长波长扰动和短波长扰动引起.与百千安电流X箍缩相比,兆安电流X箍缩热斑亮度更高,但X射线辐射脉冲的单一稳定性还有待于进一步改善.

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。

以X箍缩为基础用于光泵X射线激光器的光源

引言大电流二极管快速Z箍缩不仅是有意义的物理课题——至今关于它的形成细节尚未知晓,而且是极有应用前景的多电荷离子源和X射线辐射源。为利用等离子体Z箍缩作为短波激光激活介质和强X射线源,并通过共振光抽运或光电离获得粒子数反转。

提高“强光一号”驱动Z箍缩负载电流的研究

“强光一号”加速器是目前国内输出功率最大的一台组合式多用途高功率强流脉冲电子束加速器。在该加速器上开展高功率Z箍缩产生X射线的技术研究时,需要调整提高“强光一号”驱动电流。主要介绍提高“强光一号”加速器输出电流的理论与实验研究。建立了计算模拟加速器工作过程的电路模拟程序,并在模拟计算的指导下开展了大量的实验研究,在短路电感15nH真空负载上获得了脉冲前沿小于100ns,峰值约3.0MA的脉冲电流,在优化设计的Z箍缩负载上得到了脉冲前沿小于100ns,峰值约2.2MA的脉冲电流。

小型X-pinch装置的设计

X—pinch等离子体是一种高辐射强度的亚纳秒脉冲x射线点源，非常适合作为x射线相位差衬托照相的光源，因而在临床医学、生物科学上具有重要的应用前景。通常用于驱动的X—pinch装置的脉冲功率源体积庞大、造价较昂贵，难以满足方便使用的要求。为此，介绍了一台桌面型Xpinch装置的结构设计、参数计算及仿真。装置由Marx发生器、脉冲形成线、主开关和负载4部分构成。Marx发生器结构采用4台67nF／80kV电容器及2个三电极火化间隙开关构成的正负充电线路。电容器充电电压为60kV，初始储能480kJ，通过电缆将能量传到脉冲形成线。形成线选用以去离子水作为介质的同轴结构，长84cm，输出阻抗1．5Ω，预计装置的输出脉冲50ns，通过充以Nz气体的自击穿火花开关，将能量释放给负载。设计装置输出电流〉50kA，上升时间～50ns，输出功率约5Mw，适合驱动直径几pm的金属丝负载。整个装置可以放在1．8m×0．8m的带轮子的工作平台上，方便移动到各处进行X射线光相位差衬托照相。

利用凸晶摄谱仪获取Z箍缩等离子体X辐射单色图像

考虑晶体摇摆曲线的影响,用光线追迹方法讨论了凸晶摄谱仪的能谱分辨率、单色图像径向空间分辨本领以及晶体与X射线源之间的距离对它们的影响.根据讨论建立了云母凸晶摄谱仪,在"强光一号"装置上对系统进行了成功地测试,获得铝丝阵负载Z箍缩等离子体X辐射单色图像.时间积分图像表明,Z箍缩Al等离子体K壳层Lyα和Heβ线辐射来自等离子体核心直径约2.3mm的区域.

电爆金属丝质量密度分布的演变过程

基于X-pinch软X射线辐射点源对直径10μm钨丝单丝以及8μm钨丝双丝电爆发展过程进行了背光成像研究,实验平台为清华大学电机系研制的脉冲功率装置PPG-1(500kV/400kA/100ns)。成像光路安排为:作为X射线源的X-pinch和作为目标物的钨丝分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间和回流导电杆处,成像胶片采用高分辨率、高灵敏度的X光胶片。利用自行设计的电流传感器和罗氏线圈对目标物实际流过的电流进行监测,从而计算得8μm钨丝丝爆过程中电导随时间变化的曲线。为了观测电爆金属丝质量密度分布的演变过程,设计了μm级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了丝芯膨胀、晕层等离子体形成及其向外扩张等过程的相关物理图像以及基于原始胶片绘制的质量密度分布图。

0.1TW级脉冲功率发生器的初步实验

为了驱动X箍缩和Z箍缩负载,构建了由Marx发生器、脉冲形成线、V/N开关、脉冲传输线、负载组成的0.1TW级脉冲功率发生器(PPG-I)并在Marx发生器充电电压为75kV时,对PPG-I进行了调试实验。实验发现:当V/N开关主间隙中SF6气压固定为0.466MPa时,改变辅助间隙中SF6气压将显著影响开关的放电及输出特性;若辅助间隙气压为0.274MPa,当脉冲形成线(PFL)充电电压接近峰值(1.1MV)时,辅助间隙首先击穿,引起主间隙中多弧道放电,1.25Ω匹配负载上电压为较理想的矩形波;若辅助间隙气压上升到0.344MPa,辅助间隙难以击穿,主间隙在PFL充电电压接近峰值时先击穿,主间隙中只有一条放电弧道,负载上电压波形缓慢上升到440kV,且无平顶部分。由此得出:V/N开关多弧道放电时,该脉冲功率发生器的输出参数满足驱动X箍缩和Z箍缩的要求。