用透镜对Z-pinch软X射线源进行聚光研究

Z-pinch放电产生的高温高密度等离子体可以作为一种小型的、高通量软X射线源，使用软X射线聚束透镜与等离子体辐射源组合可以传输并聚焦软X射线，同时，透镜能吸收电子、带电离子、中性粒子等的污染物，在其后焦点处获得洁净的高功率密度软X射线。该方法为拓展Z-pinch运用领域有潜在前景。     

紫外激光探针在Z-pinch中的应用北大核心CSCD

报道了基于脉冲宽度为16ns、波长为266nm、总能量为30mJ、时间分辨为1.6ns的紫外激光四分幅阴影成像系统,用于研究Z-pinch产生等离子体与在丝阵负载中心放置塑料泡沫材料相互作用输运规律,研究动态黑腔形成过程的主要物理因素。使用高能高密度激光束透射等离子体,依据等离子体对激光束吸收衰减特性诊断激光束通过等离子体后的空间强度分布,通过理论计算获得等离子体空间密度分布,获得等离子体产生的早期稳定性、箍缩速度等规律。实验研究表明,在X射线峰值前约-25ns等离子体开始压缩塑料泡沫,在峰值前-5ns压缩到最小,之后泡沫开始膨胀。在X射线峰值时刻泡沫直径由3mm压缩到直径约为1mm,对泡沫的最大压缩比约为9倍。实验测量压缩速度约为3.3×10~6 cm/s,并给出了不同时刻的磁流体不稳定结构分布。     

大气压管板结构纳秒脉冲放电中时域X射线研究

纳秒脉冲放电能在大气压下产生高电子能量、高功率密度的低温等离子体,由于经典放电理论无法很好地解释纳秒脉冲放电中的现象,近年来以高能逃逸电子为基础的纳秒脉冲气体放电理论受到广泛关注.纳秒脉冲放电会产生高能逃逸电子,伴随产生X射线,研究X射线的特性可以间接反映高能逃逸电子的特性.本文利用纳秒脉冲电源在大气压下激励空气放电,通过金刚石光导探测器测量放电产生的X射线,研究不同电极间隙、阳极厚度下和空间不同位置测量的X射线特性.实验结果表明,在大气压下纳秒脉冲放电能产生上升沿约1 ns,脉宽约2 ns的X射线脉冲,其产生时间与纳秒脉冲电压峰值对应,经计算探测到的X射线能量约为2.3×10-3J.当增大电极间隙时,探测到的X射线能量减弱,因为增大电极间隙会减小电场强度和逃逸电子数,从而减少阳极的轫致辐射.电极间距大于50 mm后加速减弱,同时放电模式从弥散过渡到电晕.随着阳极厚度增加,阳极后方和放电腔侧面观察窗测得的X射线能量均有所减弱,在阳极后面探测的X射线能量减弱趋势更加明显,这说明X射线主要产生在阳极内表面,因此增加阳极厚度会使穿透阳极薄膜的X射线能量减少.     

激光加热Cu和NaF靶产生的1.2keV区X射线转换效率的测量

介绍了激光加热Cu靶和NaF靶发射的在1.2keV区X射线转换效率的测量方法和实验结果。结果表明,在激光辐照功率密度为1×10¹³—1×10¹⁴W·cm^-2条件下,激光波长为1.06μm或0.53μm时,Cu等离子体发射的1.2KeV区X射线的转换率为NaF等离子体的4—5倍;对此两种等离子体,激光波长为0.53μm的X射线转换效率是波长为1.06μm的2倍左右。 关键词：     

微小空间碎片撞击诱发放电效应研究

微小空间碎片超高速撞击航天器表面, 能够抛射出高密度的等离子体云团, 如果撞击发生在航天器的高充电表面或带电部件等敏感区域, 撞击等离子体将会诱发放电, 该机制已经引起了广泛的关注, 但是相关研究还十分欠缺. 本文利用等离子体驱动微小碎片加速器加速200 μm的微粒, 通过模拟实验开展微小空间碎片撞击诱发放电的研究, 获得了典型的实验结果, 对撞击诱发放电信号的特征进行了分析. 关键词： 微小空间碎片 撞击诱发放电     

软X射线皮秒变象管扫描相机

在激光核聚变的研究中,在加热压缩靶球发生内爆时所产生的高温高密度等离子体的光谱辐射主要为软X射线,对这些软X射线的研究可以获得有关等离子体的电子温度、电子能量分布、各种不稳定的形态及这些参量随时间变化的信息。然而,产生X射线的过程是皮秒量级,受激光脉冲照射的靶球直径仅100微米,所以,需要有皮秒量级时间分辨及微米量级空间分辨的X射线诊断手段。软X射线皮秒变象管扫描相机就是应此需求而研制的。它是X射线波段时间分辨率最高的探测分析仪器,且具有高的空间分辨能力。把这种相机与X射线谱仪结合,构成照相记录的瞬时X射线谱仪;与X射线针孔成象系统相配合可测定空间分辨一维图象随时间变化的情况。     

类锂硅离子软X射线激光的空间特性

本文报道类锂硅离子软X射线激光的空间分布特性,研究表明软X射线激光的最佳增益在离靶面约300μm的中等等离子体密度区,而临近靶面的高密度区增益则较小.     

激光加热碳、金平面靶等离子体膨胀过程

利用软X射线条纹相机与针孔成象装置相结合,测得了碳、金平面靶靶面X射线时、空分辨图象,从而推算出靶面等离子体膨胀平均速度分别为(碳):5.11×10⁷cm/s,(金):6.13×10⁷cm/s。实验用1.06μm的钕玻璃激光轰击靶面,X射线能谱范围为0.1—10keV。测量在激光功率密度≈10¹⁴W/cm²的情况下进行。 关键词：     

增强辉光放电等离子体离子注入的三维PIC／MC模拟

采用三维粒子模拟／蒙特卡洛模型自洽地模拟了增强辉光放电等离子体离子注入过程中离子产生和注入,获得了放电空间的离子总数、电势分布、等离子体密度分布和离子入射剂量等信息．模拟结果表明,5μs时鞘层达到稳定扩展,15μs时离子的产生与注入达到平衡,证实了增强辉光放电等离子体离子注入能在一定条件下实现白持的辉光放电．注入过程中,在点状阳极正下方存在一个高密度的等离子体区域,证实了电子聚焦效应．除靶台边缘外,离子的注入速率稳定且入射剂量均匀．脉冲负偏压提高时注入速率增加但入射剂量的均匀性变差．     

软X射线皮秒变象管扫描相机

软X射线皮秒变象管扫描相机技术是一种用变象管扫描相机测量X射线脉冲而能达到皮秒时间分辨率和一维微米级空间分辨率的技术。X射线扫描相机是研究伴有X射线辐射的一切高速瞬变过程的极为重要的测量工具。例如在激光核聚变的研究中,加热压缩期间靶球发生内爆过程中高温高密度等离子体的光谱辐射主要为软X射线,对这些软X射线的研究,可以获得有关等离子体的电子温度、电子能量分布、各种不稳定性的形态及这些参量随时间变化的资料。     

The plasma in high-current pseudospark switches

The discharge behavior and the erosion rate of pseudospark switches for high currents (50-150 kA) and pulse lengths of several microseconds were investigated for different electrode materials. A capacitor discharge (3.3 μF) without any load was used at a maximum voltage of 30 kV. Side-on optical investigations were performed either with a streak camera or a fast shutter camera. Using metal electrodes, the discharge ignites on axis, then widens up radially and burns homogeneously at the edge of the central apertures. After about 500 ns, a stable anode spot is observed on the plane electrode surface (at currents exceeding 45 kA), the location of which is statistical. The discharge is transformed to a metal vapor are discharge and the erosion rate increases by more than one order of magnitude. With semiconductor electrodes (i.e., silicon carbide), a different discharge behavior is observed, After ignition on axis, the discharge burns homogeneously on the whole carbide surface. No contraction to a small area occurs in comparison to metal electrodes. The reignition of later current half cycles starts at the triple point metal-carbide-gas. Then the discharge again spreads homogeneously over the total carbide surface. The erosion rate is about two magnitudes lower in comparison to metals. We assume that the current is conducted in a thin surface sheath which is heated to more than 2000 K     

An asynchronous high‐speed synchrotron shutter

A high‐repetition‐rate mechanical shutter with asynchronous control and sub‐millisecond operation has been developed and tested for specialist X‐ray systems in the field of medical diagnostics and radiation therapy. Capacitor‐coupled linear voice coil actuators are utilized to achieve opening and closing speeds as fast as 700 µs for an aperture height of 4 mm. The design allows for asynchronous control, permitting slave operation of the shutter, a feature that is distinctly suitable for a number of applications including particle image velocimetry, where high‐frame‐rate operation must be accurately synchronized and triggered by the image acquisition sequence of the detector or timing device. The design and construction of the shutter also makes it ideal, with simple and limited modifications, for applications requiring larger apertures, in particular wide beams as found in many synchrotron beamlines.     

A long conduction time compact torus plasma opening switch

Experiments to form and accelerate compact toroid (CT) plasmas have been performed on the 0.4-MJ Shiva Star fast capacitor bank at Phillips Laboratory. Theoretical investigations of employing a CT as a very fast opening switch are reported. A particular axisymmetric, geometrically complex switch design is studied with the help of 2-1/2-dimensional magnetohydrodynamic computer simulations. This design, called a magnetically-confined-plasma opening switch (McPOS), accumulates magnetic energy in an inductive store. Because of its intrinsic stability, the switch can conduct current for ten or more microseconds and can open in less than 100 ns-substantially less than the risetime of the capacitively produced electric current. A long conduction time compact torus plasma opening switch     

电容损耗对脉冲氙灯放电特性的影响

研究了储能电容自身损耗对氙灯放电特性的影响,对脉冲氙灯放电回路进行了分析与改进。在实际电容自身损耗不为零的情况下,将电容等效为理想电容与损耗阻抗的串联,给出了计算氙灯放电特性的改进公式,并详细计算和分析了电容自身损耗增大情况下的氙灯放电电流和放电功率变化情况,计算结果表明:损耗增大会导致氙灯放电电流、功率峰值下降,闪光时间缩短,显著影响激光泵浦效率;电容损耗增大还会导致LC放电回路出现电容反充电现象,影响氙灯正常工作并缩短灯的寿命。实际的储能电容充放电实验证明,电容损耗增大会导致氙灯闪光的波形峰值下降、闪光时间缩短和电极溅射加剧,验证了理论分析的合理性。另外,实验证明环境因素对储能电容自身损耗的增大具有非常显著的影响。     

脉冲磁窗系统的电源设计

为满足脉冲磁窗技术对磁体激励电流的需求(平台期时间1~10 ms可调,最小值约24 kA),研究了一种能量利用率高、能库小的多电容器组分时放电电源。设计了脉冲电源的拓扑结构,基于仿真分析了电源参数与电流纹波、电容器组路数之间的关系,及其对放电回路参数变化的敏感性,给出了6路电容器组分时放电的优化结构,并通过实验进行了验证。实验过程中通过晶闸管串联提高了其关断的可靠性,通过二极管三串两并的方式解决了重频模式下二极管承受反向电压能力下降的问题,进一步提高了电源放电的可靠性。     

Modeling of an EMP simulator using a 3-D FDTD code

Performed self-consistent, three-dimensional (3-D), time-domain calculations for a bounded-wave electromagnetic pulse simulator. The simulator consists of a constant-impedance transverse electromagnetic structure driven by a charged capacitor, discharging through a fast closing switch. These simulations yield the detailed 3-D electromagnetic field structure in the vicinity of the simulator. The prepulse seen in these simulations can be explained quantitatively in terms of capacitive coupling across the switch and the known charging waveform across the capacitor. Placement of a test object within the simulator significantly modifies the electric fields within the test volume, in terms of field strength as well as the frequency spectrum. This means that, for a given simulator, larger objects would be subjected to somewhat lower frequencies. The E-field waveform experienced by a small test object is reasonably close to that for free-space illumination, but the mismatch increases with object size. The use of a resistive sheet as a matching termination significantly reduces radiation leakage as compared to two parallel resistive rods. For a given termination, larger test objects marginally reduce leakage. A physical interpretation of these conclusions is also included. This work is a first step toward full-fledged optimization of such simulators using 3-D modeling.     

快前沿变压器充电型磁压缩器的分析与设计

提出了一种快前沿充电型磁压缩发生器,采用高耦合系数脉冲变压器和无串接二极管型原边绕组设计,降低了变压器的杂散电感,可以对磁压缩电路进行快速脉冲式充电,有利于减少磁压缩装置的级数和体积。采用T模型对快前沿变压器充电型磁压缩器的电路进行了等效变换,分析了系统设计的原则。结果表明:系统的等效压缩增益远大于1;磁开关应选用高导磁材料。满足上述条件,磁压缩装置的充电效率和预脉冲现象才能获得理想值。研制了一台快前沿变压器充电型磁压缩脉冲发生器,3 nF电容负载上获得前沿时间为990 ns、幅值为50 kV的脉冲,预脉冲约2 kV,磁压缩器的电压效率为98%。     

5MW中性束弧电源DC/DC变换器的设计与实现

中性束离子源弧放电具有气体放电等离子体的非线性特性,工作时还会受到气体压强、外磁场、阴极状态等因素的影响,采用晶闸管相控调压技术的弧电源很难实现对这种大功率电弧的稳定的闭环控制。为此,提出了一种多相多重的大电流DC/DC变换器,具有响应速度快、电流上升时间短、电流纹波小等特点,大幅提高了离子源弧放电闭环控制的稳定性。设计了滤波电感能量回馈电路,弧电源可以根据中性束系统的需要使弧电流快速减小0%~100%(可调),然后根据控制信号迅速恢复正常弧电流输出,形成一个弧电流凹坑。电源还采用超级电容储能技术,使电源体积减小了2/3,电网容量小于10kV·A。离子源放电时不会受到电网波动的影响,弧放电更加稳定。实验数据显示:该电源最大输出为220kW/1500A,电流纹波在1%以内,电流上升时间约100μs,最大超调量小于3%,可以满足5 MW中性束离子源及系统的要求。     

一种自放电双锥天线激励电压的测量方法

采用一种通过测量脉冲源对天线的充电电流,来间接测量天线放电激励电压的方法。首先建立了实际电路的理论仿真模型,通过理论仿真证明了该方法的可行性。然后在双锥天线的不同绝缘工作气压下,对其充电电流进行了测量。由天线的充电电流推导出了在不同工作气压下天线的电压波形和放电激励电压。该种方法无需对天线进行改造,不会引进寄生参数,不会影响被试对象的工作状态,且在工程上易于实现。     

新型电感储能脉冲功率驱动源

提出了将传统单个储能电感利用传输线分隔成两部分的新型电感储能脉冲功率驱动源技术方案。理论分析表明,利用传输线电容的耦合延时作用,可有效对调制器输出脉冲波形进行整形,并且可以进一步提高能量转换效率,从而克服传统电感储能脉冲功率源输出波形质量差(类三角波波形)的缺点。基于该思想开展了实验研究,获得了电压约300 kV,电流约20 kA的电子束,并成功驱动S波段磁绝缘线振荡器获得了百MW量级的微波输出。