利用薄膜量热计测量高功率Z箍缩软X射线总能量

 介绍一种采用脉冲恒压电源驱动的镍薄膜量热计，研制了测量系统和镍薄膜探测器，对探测器的电阻 温度特性进行了实验标定，该量热计已成功应用于测量“强光一号”加速器高功率Z箍缩等离子体软X射线总能量，分析了测量不确定度。     

软X射线测量用电阻式薄膜量热计

介绍了一种用于软X射线辐射能量测量的电阻式薄膜量热计。利用电流的欧姆热效应对薄膜量热计的灵敏度进行了标定。在有基底薄膜的标定过程中,采用一维热扩散模型,考虑了金属薄膜向基底的传导热损失。利用电阻式薄膜量热计对聚龙一号装置钨丝阵Z箍缩产生的软X射线进行了测量,并与平响应X射线二极管(XRD)探测器的测量结果进行了比较。实验结果表明,电阻式薄膜量热计测量的软X射线辐射能量和辐射功率与平响应XRD探测器结果在测量不确定度范围内合理地一致。     

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。     

两种Z箍缩X射线总能量测量技术对比

薄膜量热计和闪烁探测系统是国内常用于Z箍缩辐射总能量测量的两种诊断手段。两种方法基于完全不同的诊断原理,通过对比其诊断结果可以提高Z箍缩X射线总能量测量的精度,加深对Z箍缩的理解。采用上述两种诊断装置对“强光一号”加速器Z箍缩实验中多种材料和构型的负载辐射总能量进行了测量。结果表明,对于Al丝阵负载,无论是单排还是双排平面丝阵,随着负载参数的变化,两种手段总能量测量结果均发生改变且呈正比,二者符合较好;但对于镀膜W丝阵两种方法的诊断结果差异较为明显,随着丝间距的增大,量热计测量结果明显减小,但闪烁探测系统的测量结果却变化较小,二者不再呈比例关系。通过模拟计算对产生上述现象的原因进行了分析,可以得出如下结论：(1)闪烁探测系统对低能光子响应较高,且响应能谱范围较量热计宽,因此所有的总能量测量结果比量热计测量结果略大;(2)Al丝阵等离子体辐射能谱分布范围较宽,主要辐射能段处于两种测量手段响应都比较平坦的区间内,因此两种手段测量结果符合较好;(3)W丝阵辐射主要集中在1 keV以下的软X射线能段,处于镍薄膜全吸收范围内,因此量热计测量结果应该是比较准确的;(4)对于闪烁探测系统测量结果对镀膜W丝阵负载参数不敏感的现象,一种可能的解释是：随着W丝阵丝间距增大,等离子体滞止时刻的温度减低,导致能谱软化,但辐射谱型向闪烁体灵敏度较高的方向移动。因此虽然总能量降低了,但闪烁探测系统的测量结果变化却不大;(5)辐射中电子的影响同样不可忽视。     

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.     

喷气Z箍缩内爆动力学过程的数值模拟研究

在分析了喷气Z箍缩内爆等离子体物理过程的基础上，作了必要的假定和简化，给出了物理模型和相应的数学方程组.研制了一维三温辐射磁流体动力学的数值模拟程序，对氖喷气Z箍缩内爆产生高温高密度等离子体过程进行了总体数值模拟，得到了等离子体各参量在内爆过程中的时空分布，再现了该内爆动力学整体过程，并与GAMBLE-Ⅱ装置的实验结果进行了比较.计算结果表明，在对热传导系数和等离子体电阻率作适当调整后，得到的计算结果是自洽的，其中内爆到心时刻、x射线辐射脉冲的脉宽和总能量等宏观量与实验结果比较接近.同时对喷气Z箍缩内爆过 关键词： 喷气Z箍缩 x射线辐射 辐射磁流体动力学     

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。     

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。     

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。     

“强光一号”钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性研究

在“强光一号”装置驱动电流峰值1.4—2.1MA、上升时间80—100ns条件下，研究了不同丝阵直径、丝数及丝直径的钨丝阵负载Z箍缩等离子体的辐射特性.用自行研制的测试系统对等离子体辐射参数进行了诊断.实验获得的最大X射线总能量为34kJ，最大峰值功率为1.28TW.得到了一些关于钨丝阵Z箍缩等离子体辐射特性的规律性认识. 关键词： 钨丝阵 Z箍缩 等离子体辐射     

MMW detection by superconducting films-applications of high temperature superconducting films

Conclusions Superconductors exhibit two basic modes of radiation detection —a thermal or bolometer mode and a rectification mode which depends on a nonlinear voltage-current characteristic. The SIS detector has been shown to have a quantum limited current responsivity of e/hf. By analogy, weak link detectors may have a quantum limited voltage responsivity of about 2eR/hf. Granular films behave like arrays of weak links.Both thermal and rectification modes have been observed in HTOS films. They can be characterized by the dependence of film resistance on temperature and current. Analysis of the temperature dependence of film resistance indicates that bolometer responsivities are limited by the broader resistive transition observed in HTOS films. HTOS films show a strong nonlinear dependence of resistance on current at lower temperatures. In this region, we expect voltage responsivities greater than 1 KV/W. This is a very promising mode for detection and mixing of far infrared and millimeter waves.     

Molecular beam diagnostics by means of fast superconducting bolometer and pulsed infrared laser

The laser-bolometric infrared spectroscopy is an efficient method for measuring the internal energy distributions of molecular beams. Additional informations about the kinetic energy distribution of molecules in a selected internal state can be obtained from time resolved experiments. A fast superconducting bolometer and a pulsed infrared CO₂ laser have been used for testing the use of this technique as a universal tool for molecular beam diagnostics. Experimental results are presented and analyzed for pure SF₆ and helium seeded with 5% SF₆ beams. The efficiency of fast superconducting bolometers, used for molecular beam time-of-flight measurements, is discussed. A comparison is made between time resolved laser-bolometric technique and alternative molecular beam diagnostic methods.     

快Z箍缩短脉冲大电流驱动源技术的发展

 实现惯性约束聚变（ICF）和高产额(high yield,HY)要求脉冲驱动电流峰值达到约60 MA，采用类似SATURN和Z装置等传统的技术途径进一步提高驱动电流，从装置造价、结构复杂性和运行可靠性等方面看都具有相当大的难度，因此，需要发展新的短脉冲大电流驱动源技术，解决快Z箍缩技术发展的瓶颈。概述了国际上快Z箍缩驱动源技术的研究现状和趋势，介绍了有代表性的ICF/HY等离子体辐射源（plasma radiation source 简称PRS）或威胁级大型X射线模拟源初步概念设计、拟采用的技术途径，如俄罗斯大电流所（HCEI）基于FLTD（fast linear transformer driver）技术的直接驱动源、美国基于FLTD的新SATURN驱动源和基于FMG（fast Marx generator）技术的快Z箍缩驱动源，提出了快Z箍缩直接驱动源需要发展的关键技术。     

Thermal Modelling and Characterisation of Semiconductor Bolometers

A revised version of the Griffin & Holland ideal semiconductor bolometer model is presented and its use in determining bolometer properties and parameters from experimental load curve measurements is discussed. We show that degeneracy between some bolometer parameters can only be broken by model fitting a family of load curves over a range of bath temperatures, and that measurements with the bolometer blanked (zero absorbed radiant power) are essential for unambiguous determination of the main parameters. The influence of measurement errors on parameter recovery is analysed using synthetic noisy data sets.     

Bipolar Resistive Switching in Epitaxial Mn_3O_4 Thin Films on Nb-Doped SrTiO_3 Substrates

Spinel(001)-orientated Mn_3O_4 thin films on Nb-doped SrTiO_3(001) substrates are fabricated via the pulsed laser deposition method.X-ray diffraction and high-resolution transmission electron microscopy indicate that the as-prepared epitaxial film is well crystallized.In the film plane the orientation relationship between the film and the substrate is[100]Mn_3O_4\\[110]Nb-doped SrTiO_3.After an electroforming process,the film shows bipolar nonvolatile resistance switching behavior.The positive voltage bias drives the sample into a low resistance state,while the negative voltage switches it back to a high resistance state.The switching polarity is different from the previous studies.The complex impedance measurement suggests that the resistance switching behavior is of filament type.Due to the performance reproducibility and state stability,Mn_3O_4 might be a promising candidate for the resistive random access memory devices.     

Bipolar resistive switching in Cr-doped TiOx thin films

The electric-pulse-induced resistive switching effect is studied for Ti_0.85Cr_0.15O_x (TCO) films grown on Ir—Si substrates by pulsed laser deposition. Such a TCO device exhibits bipolar switching behaviour with an electric-pulse-induced resistance ratio as large as about 1000% and threshold voltages smaller than 2 V. The resistive switching characteristics may be understood by resistance changes of a Schottky junction composed of a metal and an n-type semiconductor, and its nonvolatility is attributed to the movement of oxygen vacancies near the interface.