Z箍缩内爆等离子体研究新进展

目的,快过程Z箍缩内爆等离子体可以把储存的脉冲功率加速器内155的电能转化为大能量、高功率的X射线源,美国Sandia实验室的Z装置已经产生了总能量为1.8MJ、功率为290TW和黑腔湿度超过200eV的X射线源,这些进展正在用于惯性约束聚变（ICF）实验研究,并对它的后续装置X－1正在进行概念性设计,文章概要地叙述了Sandia实验室近五年来在Z装置上进行Z箍缩实验所取得的进展。     

Z箍缩内爆的MARED程序数值模拟分析

MARED程序是模拟Z箍缩内爆过程的二维三温辐射磁流体力学程序,它适用于不同装置条件和不同负载参数.利用MARED程序对Z箍缩内爆进行模拟,结合丝阵Z箍缩实验分析表明:相同负载质量条件下,钨丝阵内爆产生的X射线辐射功率远大于铝丝阵产生的X射线功率;相同负载电流条件下,负载质量越大,计算得到的X射线功率越低;X射线功率随着负载电流增加而增加.MARED程序能够较好地反映Z箍缩内爆动力学过程,特别是不稳定性发展的二维图像,能够给出与不稳定性简化模型的理论分析及实验结果定性一致的演化规律.MARED程序模拟丝阵填充泡沫形成辐射场的初步计算得到了与Sandia实验室模拟Z装置上丝阵填充泡沫定性一致的结果.     

利用聚束透镜获得高功率密度软X射线源

研制了针对Z-pinch强X射线辐射源的软X射线聚束透镜,利用西北核技术研究所"强光一号"加速器产生的钨丝阵高温等离子体辐射,对在高功率密度软X射线入射条件下的聚束透镜开展了实验.研究表明:由2401根X光导管组成的透镜,在输入软X射线功率密度达1.0×108W/cm2时,透镜的平均传输效率为9.6%,在软X射线传输过程中等离子体溅射被导管内壁吸收,透镜后焦点处能获得洁净的软X射线源,平均功率桁度达到1.15×109W/cm2.     

软X射线光导纤维传输特性

 为优化设计软X射线聚束透镜，使之与软X射线源配合能最大限度地获得高强度软X射线束，在北京同步辐射装置软X光站3W1B束线上，对不同能量软X射线（50～1 500 eV）在不同规格毛细管光导纤维中的传输特性进行研究。研究结果表明：玻璃毛细管对软X光有较高的传输效率，毛细管内径越小，曲率越小，光子能量越小，则传输效率越大；使用含硼（B）量高的DM308型号玻璃材料拉制成内直径为0.45 mm﹑外直径为0.6 mm的毛细管组成的软X光聚束透镜有较高的传输效率，该规格毛细管可以将能量为250 eV的X射线传播方向改变26°后，其出射能量是入射能量的12%；使用由该规格毛细管设计的软X射线聚束透镜同软X射线点光源组合，收光角可以达到30°，透镜焦点处的功率密度是不使用透镜时的104倍。     

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.     

Z加速器上产生了聚变中子

 美国圣地亚国家实验室的Z加速器上生成的热密等离子体产生了热核中子。圣地亚的研究者今年4月在费城召开的美国物理学会年会的新闻发布会上宣布了这一消息。Z加速器是世界上功率最大、效率最高的实验室X射线源,于1996年9月开始运行。这台加速器包括36台同时驱动的脉冲功率装置。脉冲持续期小于一亿分之一秒。在这样短的瞬间,Z加速器可以产生X射线的功率为290万亿瓦,能量达到190万焦耳。这台加速器主要用于国防上的武器研究以及聚变能的研究。聚变能是宇宙中最普遍的能源。太阳能及氢弹释放的能量都源自原子核的聚变反应。     

Z箍缩内爆产生的电磁脉冲辐射

讨论了Z箍缩内爆产生的低频电磁脉冲的辐射特性. Z箍缩驱动金属丝阵或固体套筒高速内爆,部分磁能通过与负载的运动耦合而向外辐射. 理论结果表明,电磁脉冲辐射功率由电流和内爆轨迹共同决定. 在中国工程物理研究院流体物理研究所的初级实验平台上开展了负载电流为7 MA,10%–90%上升时间65 ns的丝阵Z箍缩实验,根据实验测得的电流和内爆轨迹得到了电磁脉冲的辐射功率和频谱. 电磁脉冲峰值功率约为1 GW,能量约为0.5 J,能量转换效率约为10^-7;峰值频率位于20–70 MHz,具有较宽的辐射频谱. 电磁脉冲辐射参数远小于软X射线辐射参数（峰值功率为50 TW,能量为0.5 MJ）. 在弱相对论条件下,电磁脉冲辐射功率近似地正比于电流的6次方,随电流急剧增大. 软X射线辐射是丝阵Z箍缩过程中的主要能量转换形式,本文的研究结论表明,在更高的驱动电流下,电磁脉冲辐射将提供另一种重要的能量转换途径,势必会对诊断设备造成严重影响;此外,这类强电磁脉冲在其他领域也具有潜在的应用价值. 关键词： Z箍缩 内爆 电磁脉冲     

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。     

一种铝靶软X射线源的研究

研制了一种铝靶软X射线源,这种X射线源对轻介质、薄样品的成像更清晰、分辨能力更强。利用多层滤片和生物样品对铝靶软X射线源进行了性能检测,实验显示铝靶软X射线源对轻介质和生物成像具有较高的吸收衬度,成像效果优于其他靶材X射线源,并通过改变工作电压可以显著调节谱线中软X射线的比例。这种铝靶X射线源适合作为实验室便携式软X射线光源。     

应用于PTS装置的多通道X射线二极管阵列谱仪

介绍了用于PTS（初级实验平台）装置上Z箍缩内爆物理实验诊断的多通道X射线二极管（XRD）阵列谱仪原理、性能及主要参数,给出了根据实验结果回推光源辐射能谱的解谱算法。在PTS装置上开展的首轮物理实验中,使用多通道XRD阵列谱仪对Z箍缩产生的等离子体源辐射的软X射线能谱、功率、能量进行测量,给出了测量结果及分析,并与其他参试设备测量结果进行了比较。关键词: Abstract: Key words: ;     

聚焦电子束对透射式微焦点X射线源的影响

微焦点X射线源是微计算机断层扫描技术设备的核心部件。研究了电子束在靶材中的横向扩散引起的透射式微焦点射线源的焦点尺寸和强度的变化规律。结果表明:当打靶电子束的束流密度遵循高斯分布时,其产生的X射线强度也遵循高斯分布,该分布的标准差可以用来精确表示X射线的焦点尺寸;当靶材厚度可以使沉积电子束的能量达到60%时,对应的靶材产生的X射线强度最高;随着靶材厚度增加,X射线的焦点尺寸逐渐变大;增大电子束的加速电压可以适当减小X射线的焦点。本研究为透射式微焦斑X射线源的靶材选择和设计提供了理论依据。     

大气压尖板电极结构重复频率纳秒脉冲放电中X射线辐射特性研究

文章通过碘化钠晶体和光电倍增管构成的X射线探测系统,研究了上升沿15ns,脉宽30-40ns量级,电压90kV的大气压重频纳秒脉冲气体放电中X射线的辐射特性,X射线有效探测能量范围为10-130keV.结果表明放电产生的X射线主要集中在20-90keV能量范围,而能量在十几keV的软X射线和超过90keV的高能X射线数量很少.X射线辐射计数随脉冲重复频率的增加而增加,随着气隙距离的改变存在峰值,且峰值出现在弥散放电模式.     

500 kV亚纳秒脉冲X光机研制

高能量亚纳秒脉冲X射线可用于精确定标辐射探测系统的时间响应特性和探测灵敏度,对于脉冲辐射场诊断技术研究具有重要意义。研制了一种小型化、可移动的亚纳秒脉冲X射线源,装置占地区域尺寸为1.2 m×40 cm,重142 kg。设计了双锥形绕组同轴结构变压器,采用新颖的三谐振变压技术,将纳秒脉冲形成线充电至520 kV,通过油介质自击穿开关放电,输出370 kV,3.8 ns的高压脉冲。设计了多级过匹配传输线提升输出电压,并利用油介质peaking-chopping开关进行脉冲压缩,产生了峰值520 kV、半高宽0.5 ns、功率1.8 GW的高压脉冲。基于Child-Langmuir定理,设计了刀刃阴极X光管,在520 kV电压下的运行阻抗为150 Ω,管前20 cm处的X射线峰值能量注量率约为1×1016 MeV·cm-2·s-1,累积照射量为4.1 mR。     

高功率密度软X射线在X光导管中传输效率测量

为优化软X射线聚束透镜设计参数,使之与等离子体辐射源组合来获得洁净的高功率密度宽能带的软X光束,在西北核技术研究所的强光一号加速器装置上,对高功率密度的软X射线（6×10^6～1．5×10^7W／cm^2）在X光导管中的传输特性进行研究。研究结果表明：对于DM308型号玻璃材料拉制成的X光导管,在该功率密度范围内,软X射线在X光导管中的传输没有出现非线性效应,随着入射软X射线功率密度的提高,出射软X射线功率密度基本成线性增大;当入射软X射线的功率密度为1．2×10^7W／cm^2时,实验中获得X光导管的平均传输效率达到了16．3％。在强光一号加速器装置上,使用由该规格X光导管制作的软X射线聚柬透镜与钨丝阵Z-pinch等离子体辐射源组合,获得了功率密度达2．1×10^9W／cm^2的宽能带的软X光源。     

氢气放电源和X光机X射线源打靶谱的研究

用氢气放电源打靶的方法,测到了系列的谱线.为了鉴别这些谱线,进行了X光机X射线源打靶实验和两种源打靶的对比实验.实验结果表明:在X光机X射线源打靶谱中,除靶材料的特征X射线和两条源谱线外,还存在两种谱线:一种是能量变化的谱线,根据不同衍射角θ和测量角φ的实验结果,及打多晶体靶和非晶体靶的实验事实,表明这种能量变化的谱线是衍射线;另一种是能量恒定不变的谱线.氢气放电源和X光机X射线源打靶谱的对比实验结果表明:两种源打靶谱自洽.这说明和X光机X射线源打靶谱一样,氢气放电源打靶谱中那些能量变化的谱线是衍射线.但     

惯性约束聚变软X射线在线标定系统概念设计

长期以来，惯性约束聚变（ICF）研究软X射线诊断科学仪器设备的元器件标定工作主要依赖同步辐射光源X射线辐射计量站进行。该类装置通常与用于开展ICF研究的大型激光装置分处两地，难以满足ICF研究软X射线元器件实时实地的标定应用需求。另外，由于同步辐射和ICF激光等离子体产生的X射线辐射特性存在较大差异，同步辐射计量站的标定结果事实上也不能完全反映元器件在ICF实验应用中的计量响应特性。本文首先介绍一种基于单光学元件的软X射线紧凑型无谐波光源单色化技术，以此为基础提出研制基于ICF激光等离子体X射线源的同源、同几何位形、双束比较校准的多能量通道光源单色化系统，用于ICF应用软X射线元器件的在线标定。新系统一方面可望满足ICF软X射线元器件实时实地的标定应用需求；另一方面，其提供的标定光束的技术特征将最大可能地接近ICF激光等离子体X射线辐射本身。配备相应的X射线二极管（XRD）和标准探测器之后，该系统将形成一套具有在线自校准功能的新型多通道δ能量响应软X射线能谱仪。     

应用于Z箍缩等离子体X光产额测量的闪烁体功率计

介绍了在"阳"加速器上使用的闪烁体功率计结构和测量参数,讨论了功率计在北京同步辐射装置上的标定实验,分析了标定结果及由此结果可能给最后实验结果带来的误差,并探讨了修正该误差可行的办法,利用Dante谱仪测得的能谱对功率计测试结果进行修正。修正后,两套设备之间的测试结果差异由原来的30%以上降至15%以内。最后给出了利用软X光闪烁体功率计进行喷气Z箍缩等离子体辐射测量的结果,得到"阳"加速器上喷气Z箍缩负载产生的软X光辐射峰值功率为几十GW,能量产额数百J。     

X射线二极管时间特性研究

研究X射线二极管(XRD)时间特性.XRD 是构成软X射线能谱仪的主要部件，它用于激光等离子体发射软X射线谱测量.实验利用激光聚变研究中心的200TW激光器(激光能量～6J，脉冲宽度～30fs)打金箔靶产生的X射线发射谱,用滤片(Al)-XRD探测系统测量，探测信号由高频电缆(SUJ-50-10)传输和宽带示波器(TDS694C和TDS6604B)记录.实验数据进行了线性拟合和比对分析. 关键词： X射线二极管 时间特性 软X射线能谱仪 数据处理     

X射线激光研究的进展

 一、大放异彩的X射线激光 自从1960年第一台激光器问世以来,科学家们一直在寻求能工作在X射线波段的激光器。根据现有的认识,X射线激光具有X射线源所没有的许多特点: 1.亮度（光子/脉冲/立体角）比同步辐射高,6个量级,比激光等离子体X射线源高4个量级。 2.单色性优于所有X射线源。 3.相干性可以用来产生原子尺度的全息图象。 4.高时间分辨率(10^-12s),可以用来观察1ps(10^-12s)内的原子距离的运动,可用于击波阵面运动的观测,位错运动的衍射实验。 5.用它来进行光刻,线宽可达20nm(10^-9m)。 6.用它的干涉效应,可以制成大面积的线宽和间隔小于100nm的光栅。     

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。