Z-pinch实验X光辐射过程一维空间分布诊断技术

在Z-piirch实验中，研制了由闪烁体薄膜、光纤阵列、条纹相机等组成的同时具有时间分辨和一维空间分辨能力的Z-pinch等离子体X光辐射过程空间分布诊断装置，诊断装置沿垂直于负载轴向的方向观测等离子体X光辐射的时空分布。利用狭缝实现X光辐射区域的一维空间分辨成像，通过选择狭缝方向可选择测量X光辐射过程沿负载轴向或径向空间分布。     

氩气Z箍缩内爆动力学过程实验研究

在太瓦级脉冲功率装置“阳”加速器上开展了一系列氩气Z箍缩内爆实验研究.利用了高时空分辨的X射线纳秒分幅相机、可见光高速扫描相机、激光剪切差分干涉系统、X射线针孔相机和软X射线功率谱仪对内爆动力学过程进行了诊断.观测到了内爆中的“拉链”效应、“颈缩”效应、腊肠不稳定性等现象，获得了等离子体温度变化和内爆速度变化等典型结果，并分析了电流上升时间等因素对等离子体内爆过程的影响，给出了相关结论. 关键词： Z箍缩 等离子体 “拉链"效应 腊肠不稳定性     

X光编码相机

一、引 言 在激光等离子体物理实验中,人们应用X光针孔照相,拍得了激光等离子体X光空间分布的直观图象。为解决针孔相机的分辨率和收集面积之间的固有矛盾,我们研制了具有三维空间分辨的菲涅耳环带板编码相机。 在X光波段,找不到哪一种材料能通过折射使入射光聚焦成像,只能把类似普通相机的     

“阳”加速器上的Z箍缩诊断技术

概述了为开展Z箍缩实验物理研究而建立的一些诊断技术和方法。这些诊断技术已成功应用于"阳"加速器(负载电流1.2 MA,上升时间85 ns)喷气和丝阵Z箍缩物理研究中,其中软X光8通道Dante谱仪和软X光闪烁体功率计主要用于软X光能段的辐射功率、能量和低能辐射能谱测量;椭圆弯晶谱仪、凸圆柱晶体谱仪和透射光栅谱主要用于X光辐射线谱和连续谱的测量,以获取等离子体密度、电子和离子温度等信息;X光八分幅针孔相机、分能段6通道X光掠入射针孔积分相机和激光差分干涉测量系统主要用于研究Z箍缩内爆动力学过程及等离子体参数等,并给出了这些诊断系统获取的典型实验结果,包括X光辐射功率、辐射能谱、等离子体内爆图像和密度分布等。     

X射线真空光二极管

激光等离子体辐射的X射线时间空间积分测量已有报道。为了更好地了解光和等离子体的相互作用,进行时间空间的分辨测量是必要的。靶球的空间分辨测量已用X射线针孔相机进行了大量的实验工作。由于一般的闪烁体/光电倍增管或半导体二极管X射线探测器的时间分辨只有几个毫微秒,对于辐射时间在0.1—1ns的X射线,其响应时间显得太慢。X射线真空光二极管的时间分辨为几百微微秒,它可用于X射线激光器、激光产生X射线实验和激光聚变实验诊断。     

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。     

高时间分辨的二维空间成象技术研究

对惯性约束聚变靶丸芯部诊断的测量仪器要求具有10ps的时间分辨,为了满足此要求,采用多针孔线阵配X光条纹相机,由多个针孔的一维条纹图象的数据,利用图象处理技术重建出二维图象,由此获得一项高时间分辨的二维空间成象技术(MIXS).此技术利用现有的设备获得比X光分幅相机高得多的时间分辨的二维图象.利用此技术可获得研究激光聚变内爆过程所需的时空图象,并可以对压缩过程的对称性进行研究.     

丝阵内爆可见光辐射区径向变化过程实验

在Z-pinch实验中，为了研究丝阵内爆过程，给出内爆轨迹、内爆速度和收缩比等诊断数据，已经研制了激光探针、X光分幅相机、时间分辨X光一维成像等诊断系统，并取得了大量实验数据。激光探针和X光分幅相机仅能给出有限的几个时刻等离子体或X光辐射区的径向尺寸，难以获得内爆辐射区随时间变化过程的全貌；利用狭缝成像的X光一维成像系统和利用球面透镜成像的可见光成像系统由于均采用条纹相机进行记录，具有时间分辨能力且能给出内爆辐射区随时间的连续变化过程。     

等离子体喷射X光时空分辨测量

在“神光”强激光装置上对０．５３μｍ激光产生的等离子体喷射进行了Ｘ光时空分辨诊断。首次利用多针孔阵列成像技术结合软Ｘ光扫描相机观察激光加热区和Ｘ光加热区等离子体的运动，获得了初级和次级等离子体膨胀速度等结果．     

神光Ⅱ升级装置激光加速质子照相初步实验研究

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化,获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20 m的高空间分辨网格图像,为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验,获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束,证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低,分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。     

Experimental study on imploding characteristics of wire-array Z pinches on Qiangguang-1 facility

To investigate the imploding characteristics of cylindrical wire array, experiments with load current varying from 1.5\,MA to 1.7\,MA were carried out on the Qiangguang-1 facility. The complicated temporal-spatial distribution of x-ray radiation was measured by the one-dimensional (1D) x-ray imaging system. Other diagnostic equipments including the x-ray power meter (XRPM) and the time-integrated pinhole camera were used to record time-resolved x-ray power pulse and pinhole x-ray images. Analysis shows that the fast leading edge of the local x-ray radiation pulse is of primary importance in sharpening x-ray power pulse rather than the temporal synchrony and the spatial uniformity of implosion. Experimental results indicated that the better axial imploding synchrony, the faster the increase of x-ray power for an array consisting of 32 tungsten wires of 5\mum diameter than for the others, and the higher the x-ray radiation power with maximal convergence ratio (r_0/r_1) of 10.5. A `zipper-like' effect of x-ray radiation extending from the anode to the cathode was also observed.     

强光一号Z箍缩实验研究

 在强光一号装置驱动电流峰值1.4~2.1 MA、上升时间80~100 ns条件下,研究了喷Kr气、喷Ne气、W丝阵和Al丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性和聚爆过程。实验研究中,用分压器和两个罗戈夫斯基线圈分别测量二极管的电压和流过负载的电流波形,用过滤型X射线二极管和100~1 400 eV平能谱响应闪烁探测器测量X射线时间谱,用镍薄膜量热计测量X射线总能量,用纳秒时间分辨软X射线图像诊断系统记录了Z箍缩的聚爆过程,用时空分辨的椭圆弯晶谱仪诊断了Z箍缩等离子体产生的keV级特征X射线的能谱分布。其中,喷Kr气负载的X射线辐射总能量大于60 kJ,峰值功率约1.7 TW,总能量转换效率可达23%;W丝阵负载的辐射总能量大于30 kJ,峰值功率约1.30 TW,总能量转换效率约为12.5%;喷Ne气负载的keV级辐射总能量5.6 kJ,峰值功率约256 GW,能量转换效率可达2%; Al丝阵负载的keV级辐射总能量2.3 kJ,峰值功率约94 GW,能量转换效率可达0.8%。喷气负载在Z箍缩聚爆过程中存在“拉链”现象,丝阵负载在Z箍缩聚爆过程中存在先驱现象。     

丝阵负载Z箍缩内爆动力学研究

丝阵负载内爆动力学行为基本可以分为以下四个过程:1)丝的烧蚀;2)壳层的形成;3)内爆;4)滞止.利用所研制的可见光分幅相机和X射线分幅相机在"强光一号"加速器上对多种型号的丝阵负载Z箍缩内爆动力学行为进行了实验研究,获得了从早期单丝烧蚀到等离子体柱崩毁全过程图像,并对实验结果进行了分析,主要研究成果如下:1)发现存在较长时间的丝烧蚀过程,且单丝烧蚀在轴向上并不均匀;实验得到的内爆轨迹与唯像模型计算结果较为一致.2)不论早期的可见光图像还是中后期的软X射线图像都存在明显的阴极发射,内爆后期在阴极附近存在明 关键词： 丝阵 内爆动力学 Z箍缩 脉冲功率技术     

强光一号Z箍缩产生keV级特征X射线初步研究

 分析了高功率Z箍缩产生keV级特征X射线辐射的物理机理和用于计算等离子体K层辐射二能级模型，给出了采用二能级模型进行数值模拟的结果，描述了强光一号装置驱动Z箍缩负载的脉冲功率源特性参数，介绍了所设计研制的双层喷Ne气和双层铝丝阵两类Z箍缩负载的结构与参数，并对下一步拟开展的实验研究工作进行了说明。利用特制真空X射线二极管测量了强光一号双层喷氖气Z箍缩实验产生的X射线波形，实验结果表明，当气室内初始气压在0.8 MPa时，喷Ne气Z箍缩可获得较好的keV量级的X射线辐射。     

单层丝阵负载Z箍缩内爆辐射特性研究

在电流3—4MA的Angara-5-1脉冲装置上进行了单层钨丝阵Z箍缩实验,利用具有坪响应的X射线功率谱仪获得X射线功率,利用X射线纳秒分幅相机获得等离子体内爆辐射区图像.在丝阵直径相同时,实验得到较细的丝直径使得内爆较早,收缩比较大;较大的丝间隙使得内爆早期丝间等离子体不能有效的融合,而是较孤立的等离子体簇向内箍缩;较大的丝直径和丝间隙导致不稳定性波长较大.在丝阵直径不同,丝直径相当时,实验得到较大的丝阵直径内爆启动较早,具有较大的内爆速度,但等离子体在内爆过程中较分散.另外,较大的丝直径和丝阵直径使X射线辐射脉冲时间较宽.     

丝阵靶箍缩等离子体软X射线辐射能谱研究

 在S—300装置上研究了丝阵靶Z箍缩等离子体的软X射线辐射的动态过程。利用多通道X射线谱仪在50～2 000 eV范围内测量了丝阵靶内爆等离子体X射线辐射谱,辐射主要位于60~220 eV谱段。辐射谱可用温度为40~50 eV的Planck黑体谱近似描述。在能量高于500 eV的谱段,辐射谱与Planck黑体谱有较大的偏离。这主要是因为等离子体热斑的出现、在1.5~2 keV范围内线谱的存在和加速电子轫致辐射的结果。     

X光照相技术应用于果冻内爆实验的研究

果冻内爆实验是一种研究柱形汇聚条件下Rayleigh-Taylor不稳定性的实验方法,由于高速摄影图像不能分辨反弹阶段果冻内界面的扰动,因此采用中低能X光照相CCD相机接收技术开展果冻与气体混合区域的实验研究,获得了果冻环在不同时刻压缩、反弹的发展状况及其内外边界,并观测到果冻质量分数降低时果冻与气体混合界面的变化。实验结果表明:X光照相可作为测量湍流混合区域的半定量测试技术,有助于研究果冻内爆中的气液界面Rayleigh-Taylor不稳定性现象。     

The X-1 Z-pinch driver

X-1 is a program initiative to develop the next-generation laboratory X-ray source using fast Z-pinch drivers. X-1 will provide unique applications utility to high-energy density physics, inertial confinement fusion, and radiation effects simulation research. The advent in the 1980's of pulsed power accelerators capable of delivering tens of terawatts to imploding plasma loads led to a quantum improvement in Z-pinch performance by reducing the implosion time to less than 100 ns. Further progress in Z-pinch performance capabilities was achieved in 1996, using a cylindrical wire-array load, and led to the production of 85 TW, 350-500 kJ of X-rays using the Saturn accelerator at Sandia. The PBFA-II accelerator has been converted to drive Z-pinch loads (PBFA-Z), and will provide a factor of 2 increase in current, and 4 in energy, over that provided by Saturn. X-1 is the next step beyond PBFA-Z and, as presently envisioned, represents a factor of 8 increase in energy. It will require a ~360 TW, ~100 ns pulsed power generator to impart ~16 MJ kinetic energy to the reference imploding plasma load. A baseline concept for X-1 has been developed. It utilizes a highly modular, robust architecture with demonstrated performance reliability     

超强激光脉冲作用下的Au等离子体L-X射线辐射测量

基于SILEX-Ⅰ激光器,利用单光子计数型电荷耦合器件,在超强超短脉冲激光与高纯度Au靶相互作用中,通过改变入射激光的能量,测量了不同激光功率密度下的Au等离子体L-X射线发射谱。实验结果表明:在超强超短脉冲激光作用下,Au等离子体L-X射线发射过程中由于高速电子存在,会诱发很强的热辐射和轫致辐射,并且Au等离子体特征L-X射线发射强度、热辐射和轫致辐射随激光功率密度增加而增强。