“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。     

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针对实验室等离子体的辐射物理条件和等离子体箍缩三温的数值模型,提出一种定量计算Z箍缩等离子体辐射能谱的近似方法。在给出计算能谱结构的理论方法之后,再将这种近似计算方法编入到Kr喷气Z箍缩等离子体X射线辐射的二维三温辐射磁流体力学模型中,得出典型Kr喷气Z箍缩X射线辐射的能谱分布。对照"强光一号"加速器Kr喷气箍缩实验测量得到的辐射能谱分布,分析了理论与实测结果之间存在的偏差。     

皮秒分幅相机在Z箍缩实验光谱测量中的应用

 在Angara-5-1装置进行的中俄联合Z箍缩实验中,通过在皮秒分幅相机针孔上粘贴不同种类和厚度的滤片,并利用皮秒分幅相机的光谱响应特性,对丝阵靶实验中产生的强脉冲软X光进行拍照,获得了各种负载不同能段的X光分幅像。通过对皮秒分幅相机和2.3 mm厚formvar膜滤片的光谱响应特性分析,以及对同一时刻粘贴2.3 mm厚formvar膜滤片和未粘贴2.3 mm厚formvar膜滤片两幅图像径向辐射强度波形的对比,确定出获取的X光辐射图像的能谱范围:不加formvar膜滤片的X光辐射图像光子能量大于70 eV,加formvar膜滤片的X光辐射图像光子能量大于150 eV,同时还确定出图像各部分的光子能量分布。     

多通道软X射线Dante谱仪标定及实验

介绍了用于阳加速器上Z箍缩内爆实验诊断的Dante谱仪的结构和通道配置,详细讨论了X射线二极管、掠入射平面反射镜和滤片等主要元器件的标定结果,分析了标定结果与理论计算发生偏差的原因,给出了喷气Z箍缩等离子体辐射的测量结果,X光辐射功率30～40 GW,能量约0.8 kJ,并与闪烁体光电管测量结果进行了比较,差异约20%。     

用X-pinch对双丝Z箍缩进行轴向X射线背光照相

利用PPG-1脉冲电流源(400 kA, 100 ns), 同时驱动X-pinch和双丝Z箍缩负载. 用X-pinch作为X射线源, 对双丝Z箍缩进行了轴向背光照相的初步实验. 得到了双丝Z箍缩在r-θ 平面上随时间演化的图像, 观察到了丝阵Z箍缩所有早期过程, 包括丝芯膨胀、冕层等离子体产生、等离子体向丝阵中心的运动、先驱等离子体形成. 利用阶跃光楔滤片, 对上述背光图像进行了等离子体质量面密度的标定, 首次得到了在r-θ平面上双丝Z箍缩等离子体质量面密度的时空分布图像.     

多通道软X射线Dante谱仪标定及实验

 介绍了用于阳加速器上Z箍缩内爆实验诊断的Dante谱仪的结构和通道配置,详细讨论了X射线二极管、掠入射平面反射镜和滤片等主要元器件的标定结果,分析了标定结果与理论计算发生偏差的原因,给出了喷气Z箍缩等离子体辐射的测量结果,X光辐射功率30～40 GW,能量约0.8 kJ,并与闪烁体光电管测量结果进行了比较,差异约20%。     

“聚龙一号”装置不同光子能段X射线积分成像系统研制

成功研制了用于"聚龙一号"装置上Z箍缩实验中等离子体图像诊断的三通道不同光子能段的X射线积分成像系统。该系统主要由针孔阵列调节组件、X射线真空飞行管道、X射线分光器件及成像板组成,各通道的光谱响应分别为277eV,小于700eV和大于800eV,其对应的成像针孔直径为100,100和50μm,成像放大倍率2倍,成像空间分辨率均优于0.2mm。在"聚龙一号"装置上完成了该成像系统的性能考核,获取了不同光子能段的等离子体时间积分图像。结果表明,该成像系统满足"聚龙一号"装置上Z箍缩实验的诊断需求,在提升了单台相机光谱响应范围的同时提高了低能段图像的空间分辨率。     

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（500 kV/400 kA/100 ns）。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m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。     

双通道共轴聚焦型X射线晶体光谱仪

研制了一种用于Z箍缩等离子体X射线光谱诊断的双通道共轴聚焦型晶体光谱仪。谱仪采用均匀色散(即线色散率为常数)和球面云母晶体作为两个通道的X射线色散元件,位于中轴线上的双胶片盒作为探测器,在大致相同的光谱范围内同时获取Z箍缩等离子体的时间积分光谱。在中国工程物理研究院"阳"加速器上开展了Z箍缩内爆摄谱实验,两通道分别获得了Z箍缩铝丝阵等离子体的类氢和类氦光谱谱线。实验结果表明:均匀色散通道光谱分布遵循均匀色散条件,实验得到的线色散率和设计值吻合很好,最大相对误差仅为3.48%,和球面晶体通道相比,它能更容易、更准确识别和处理光谱,在识别和分析陌生复杂光谱成分时具有优势。     

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     

Soft X-ray spectroscopic study of a gas-puff Z-pinch argon plasma

X-ray radiation characteristics of argon plasma produced by a gas-puff Z-pinch device were investigated using an X-ray crystal spectrometer, an X-ray diode, and an extreme ultraviolet (XUV) spectrometer. Using a germanium crystal we have observed spectral emission from Ar XVII produced by hot spots at the pinched stage. With the help of a 2-m grazing incidence XUV spectrometer, the spectrum of 30 to 250 Å were obtained. Strong lines from Ar VIII to Ar XIII were observed with a continuum whose peak is around 120 Å. The radiation energy in the spectral range is estimated to be about 23 joule which is about 0.6% of the electrical energy stored in capacitors     

Z箍缩诊断中椭圆晶体谱仪测量数据的处理

以氖气喷气Z箍缩的实验结果为例,详细讨论了椭圆晶体谱仪测量数据的处理方法,包括使用标定结果将胶片黑密度转换为X光强度,根据已知谱线的能量和扫描点序号对测量能谱的能点进行定标,以及使用Henke给出的考虑谱仪非均匀色散效应、晶体积分反射率和X光滤片透过率后的公式对测量能谱的强度进行修正,给出了最终的解谱结果。并使用Lorentz线型函数拟合谱线轮廓,求出了Hα,Heα和Heβ等K壳层谱线的相对强度,对处理后能谱强度的误差进行了简单分析。     

Temperature Diagnostics of a Z-Pinch Plasma Using Calculations of the Spectral Brightness of X-Ray Radiation in a Large Interval of Radiation Energies

We elaborate a modern approach to the temperature diagnostics of a Z-pinch plasma. The approach is based on quantum-mechanical calculations of spectral brightness for X-ray radiation performed in a large interval of the photon energy for several temperatures and densities. In a large interval of the photon energy, a range can be found where the spectral brightness is highly sensitive to the temperature variation. This fact enables temperature diagnostics without complicated analysis of the spectral-line shape used in traditional diagnostic methods. In our calculations of the spectral brightness of X-ray radiation, we use a theoretical model known as the ion model of a plasma. We discuss important features of this model along with the other theoretical models used for calculating the radiative properties of the plasma. We calculate the spectral brightness of X-ray radiation for molybdenum plasma at temperatures of 1 and 1.2 keV and plasma densities of 1 and 2 g/cm³ and find the range of X-ray radiation energies that can be used for the temperature diagnostics.     

Z箍缩等离子体X射线凸晶谱仪

 针对波长为0.3~0.5 nm的喷气箍缩等离子体X射线诊断,研制了一种适用的高空间分辨的晶体谱仪。色散元件采用云母（002）凸面晶体,布拉格角为37°,信号采用X射线胶片进行接收,有效接收面积为30 mm×80 mm。物理实验在“阳”加速器装置上进行,胶片获得了氩喷气K,L壳层光谱信号,其光谱范围较宽,为0.31~0.40 nm。经解谱发现,类氦谱线有明显的基底,用最小二乘法拟合包络曲线去噪处理后,得到类氦谱线光谱分辨力为200~300。实验结果表明,该谱仪获得的X射线测量值与理论值相符,适合喷气箍缩等离子体X射线光谱的诊断。     

喷气箍缩等离子体X射线椭圆弯晶谱仪研究

为了测量喷气箍缩等离子体X射线的空间分辨光谱,利用椭圆聚焦原理,研制了一种椭圆晶体谱仪.分别利用Si(111)、Mica(002)椭圆晶体作色散元件,离心率均为0.948 0,布喇格角为30～67.5°,光谱信号采用半径为50 mm的半圆形胶片接收,从等离子体源经晶体到胶片的光路长为1 430 mm.在“阳”加速器装置上进行摄谱验证实验,成功获取了氩喷气等离子体X射线的光谱.测量光谱波长与理论值相符,其中Si弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝200～300)低于Mica弯晶获得的光谱分辨率(λ/Δλ＝500～700).实验结果表明,该谱仪适合于喷气箍缩等离子体X射线的光谱学研究.     

用于软X光能谱测量的Ross滤片对的设计

 描述了一种测量激光等离子体发射的软X光能谱强度的宽带Ross滤片谱仪。该谱仪具有多个能道,每道由一对Ross滤片及X光探测器组成。这些能道的灵敏带没有间隔地覆盖了整个感兴趣的能区。给出了使用Al阴级X光二极管作为探测器的最佳9能道谱仪(0.1~1.5keV),并且计算了X光截面数据和滤片厚度不准确、以及滤片中光子散射等因素对探测精度的影响。     

用于“聚龙一号”上软X光通量探测的平响应X光二极管

介绍了聚龙一号上使用的一种由金阴极X光二极管（XRD）和具有特殊构型的复合金滤片构成的平响应XRD探测器, 测量软X光通量的标定和实验情况。该探测器的灵敏度在北京同步辐射的4B7B束线站和4B7A束线站标定。标定的灵敏度显示, 该探测器对0.1~4 keV之间的X光具有近似平坦的响应曲线。根据标定情况和探测器的谱响应特性, 给出了目前该探测器在用于Z箍缩产生的软X光通量诊断中的测量不确定度为12%。在单层钨丝阵Z箍缩实验中, 平响应XRD探测器测得Z箍缩产生的X光功率峰值达到52 TW, 能量达540 kJ。在动态黑腔实验中, 布置在径向和轴向的两套平响应XRD探测器被用于建立径向辐射功率波形和轴向辐射功率波形之间的时间关联。在典型的动态黑腔实验中, 测得轴向辐射功率峰值出现在径向辐射功率前约1.2 ns。