Studying the Dynamics of Hybrid X-Pinches

Since the first experiments with hybrid X-pinches (HXP), it has been shown that a short wire between two conical tungsten electrodes produces the same radiation as a standard X-pinch. Since HXP has a simple construction, it is commonly used in many laboratories instead of standard pinches. Although details of the HXP dynamics remain poorly studied, the main factors governing HXP formation are investigated experimentally in this work. It is shown that the process of the electrode plasma formation is one of the main factors that lead to single hot spot bursts. Experimental results allow the fitting of HXP parameters and determination of the size of the source of X-ray radiation. It is also shown the radiation of HXP can be used as a source for point projection radiography in the wavelength range of soft to hard X-rays. Such sources can be also used for absorption spectroscopy and even electron beams.     

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-pinch负载分流关系研究

研究了X-pinch和回流柱之间的分流关系,以及两个X-pinch之间的分流关系。在X-pinch和回流柱的分流实验中,X-pinch上的电流与回流柱上的电流大体相等,这表明电流分布不只与X-pinch或回流柱的特性有关,而且也与它们所在回路的其他部分有关。在两个X-pinch之间的分流实验中,X-pinch上的电流与X-pinch本身的材料和直径几乎无关,这确认了电流分布与回路中X-pinch之外的部分有关。离绝缘柱远的X-pinch上的电流总是比离绝缘柱近的X-pinch上的电流略大一些,这是并联回路之间的互感造成的。     

小型X箍缩的初步实验研究

基于一台紧凑型脉冲电流发生器,对小型X箍缩进行了初步的实验研究。当改变X箍缩双细丝的直径和材料时,流过负载的总电流几乎不变,这表明双细丝阻抗远小于负载的总阻抗。使用这些细丝,X箍缩均能辐射X射线,但随着细丝质量的增大,X射线辐射时刻相对于电流起始时刻的延迟逐渐增大,X射线脉冲通常为亚纳秒脉宽的单峰或几乎重叠的双峰。对于小质量的细丝负载,若驱动电流足够大,时常观察到时间间隔较长的两个X射线脉冲,并被确认为二次箍缩所致。     

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在"阳"加速器(电流峰值为500-800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1-4 keV能段, 点光源尺寸小于15 μm, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.     

A compact pulse generator for radiographic source supply

Radiography of short-living objects using X-pinch radiation is a new perspective direction in diagnostics developed at the P. N. Lebedev Institute of Physics. High spatial (up to a few tenth of a micrometer) and temporal resolutions (up to 0.1 ns) achieved with the use of the X pinch is extremely interesting to the researches of transient processes and substances in extreme states. The X pinch is produced by two or more crossed wires (with wire diameters up to 30 μm) exploded under the influence of current running through them. Scanning radiation is generated in a dense high-temperature plasma (up to several kiloelectron volts) arising in the region of wire crossing. Among the main requirements on the generator used to create the X pinch are current amplitudes of 150–300 kA and rates of current increase of 1–2 kA/ns. Up to now, these current pulse parameters have been provided only by bulky stationary generators weighing from 300 kg to several tons. In the present paper, a small-size (weighing 70 kg) high-current pulse generator (with current amplitude exceeding 300 kA and pulse rise time of 200 ns) of soft x-ray radiation from high-temperature X-pinch plasma is described. __________ Translated from Izvestiya Vysshikh Uchebnykh Zavedenii, Fizika, No. 2, pp. 87–92, February, 2007.     

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。     

电爆金属丝质量密度分布的演变过程

基于X-pinch软X射线辐射点源对直径10μm钨丝单丝以及8μm钨丝双丝电爆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-1(500kV/400kA/100ns)。成像光路安排为:作为X射线源的X-pinch和作为目标物的钨丝分别安装在装置的输出主电极阴阳极之间和回流导电杆处,成像胶片采用高分辨率、高灵敏度的X光胶片。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,从而计算得8μm钨丝丝爆过程中电导随时间变化的曲线。为了观测电爆金属丝质量密度分布的演变过程,设计了μm级厚度的阶梯光楔。通过大量成像实验,获取了丝芯膨胀、晕层等离子体形成及其向外扩张等过程的相关物理图像以及基于原始胶片绘制的质量密度分布图。     

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.     

紧凑型X箍缩脉冲功率发生器

为研究丝阵负载对X箍缩的影响,设计了一台紧凑型脉冲功率发生器。介绍了该脉冲功率发生器的设计及初步实验。根据装置的结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载内筒,构成回路测量负载电流的探头。结果表明:在对Marx电容器充电60 kV时,输出电流峰值117 kA,脉宽 60 ns,上升沿22 ns,该装置已经成功箍缩出X射线。     

重复频率亚纳秒脉冲硬X射线发生器

 研制了一种重复频率快脉冲硬X射线发生器，该发生器的主要设备包括纳秒脉冲功率源、亚纳秒脉冲发生器、功率负载二极管装置、真空系统和二极管运行监测探测器5部分。对该发生器的工作原理、结构特点进行了介绍，通过建立的发生器运行电参数监测以及辐射场参数测量手段，对源的运行电流、电压参数以及辐射场参数进行了初步监测和分析，并考验了源运行的稳定性。结果表明：该发生器结构以及运行方式灵活、稳定性好，实现了射线的能量上限、能谱、强度、脉宽等多种重要参数在线可调，且射线有一定的强度，可以为快响应探头标定等实验提供合适的纳秒、皮秒脉冲硬X射线辐射场。     

紧凑型X-pinch装置探头标定

 介绍了紧凑型X-pinch脉冲功率装置的电流电压测量设计方法。根据该装置的同轴传输线结构特点,研制了一种利用金属膜连接传输线外筒与负载外筒,构成回路测量负载电流的探头。在传输线末端设计电容分压器作为测量负载电压的探头,并利用电路模拟软件对此过程进行模拟,同时这两个探头需要进行在线标定。实验研究结果表明,该探头性能稳定、响应快,是测量负载电流与电压的理想工具。     

X箍缩三维数值模拟

利用FOI-PERFECT程序对X箍缩进行了3D数值模拟研究,给出了X箍缩的物理图像和动力学过程,探讨了Z箍缩中出现磁重联的可能性,并指出如果双丝Z箍缩中能够出现磁重联,那么X箍缩是更有利于磁重联出现的位形,并且,X箍缩中出现多重X射线暴的一个可能原因是z轴上多个位置出现磁重联。     

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.     

High energy density z-pinch plasma conditions with picosecond time resolution

Using an X-pinch configuration, we have determined that micropinches produced by exploding-wire z pinches can have densities approaching solid density and temperatures of 0.5-1.8 keV, depending upon the wire material used. These plasma parameters, determined from x-ray spectra recorded using an x-ray streak camera, vary drastically on time scales ranging from <10 to 100 ps. Computer simulations require radiation loss to reproduce the observed plasma implosion, suggesting that a radiative-collapse hypothesis for micropinch plasma formation may be correct.     

百kV级纳秒脉冲源的设计与实验研究

GW级Tesla型脉冲源在触发开关技术研究中作为触发脉冲源使用,抖动较大,触发开关工作不稳定,需要为其研制一台触发器以解决这一问题。结合其他使用需求,设计了一台百kV级纳秒脉冲源,该脉冲源采用Tesla变压器结合单筒脉冲形成线结构,进行了Tesla变压器结构、Tesla变压器初次级参数、Tesla开路磁芯与初级电路设计,调试结果为:最高输出电压100 kV,峰值功率250 MW,重复频率1~100 Hz,输出脉冲宽度约4 ns,前沿约1 ns。该脉冲源作为触发器使用,可以将GW级Tesla型纳秒脉冲源抖动由500 ns降低至150 ns,满足触发开关研究需求,还可用于产生超宽谱短脉冲进行辐射。     

Superlight source of radiation with a waveguide used for bunching an electron beam

A scheme of a generator of electromagnetic-wave radiation is proposed in which a radiating region moves along a radiator with a velocity greater than the velocity of light in vacuum. The superlight motion of the generating region leads to the situation in which the resulting radiation has the properties of Vavilov-Cherenkov radiation. The electron beam of a superlight source is formed while the particles travel across a waveguide along which an electromagnetic wave propagates. The construction of the generator makes it possible to vary the velocity of the radiating region, the radiation pattern, and the radiation beamwidth. Calculations are performed that allow one to evaluate the parameters of the generator and the characteristics of radiation.     

高功率毫米波绕射辐射振荡器高频特性研究

 讨论了高功率毫米波绕射辐射振荡器的高频特性。利用线性理论和PIC模拟相结合的方法对器件的高频特性进行了比较仔细的分析。分析结果表明，合理地选择电子注的参量（电流、电压）及高频结构的尺寸（波纹深度、半径、周期等）可以获得较高的输出功率并且具有较好的频谱纯度。     

Designing and testing a compton converter of gamma radiation and x-rays to electric current

The design and testing of a Compton current generator are briefly described. Its current response to a γ quantum (i.e., sensitivity) is estimated at η=7.0×10⁻²¹ (A cm² s)/γ. At relatively high gamma fluxes, the generator can be employed as a battery charger. When it is fed by a pulsed gamma flux, the resulting current pulse is capable of triggering the equipment and evaporating a metal wire synchronously with the application of the gamma pulse. The generator can also be used as a direct-charge radiation detector for determining the dose and dose rate of a radiation pulse, as well as its shape.     

辐射源旋转台阶成像技术

 提出了用旋转台阶对辐射源成像的方法。对台阶响应曲线微分可得到辐射源2维出射强度沿台阶方向的1个投影，通过旋转台阶体，可得到完整的正弦图，从而可用层析重建算法重建出辐射源区的强度分布。用钨合金台阶体在1个60Co源上进行成像实验，从400个角度的台阶响应数据重建出60Co源活性区图像，表明该方法是可行的。此方法可推广到大孔径圆孔台阶体，用于测量X射线焦点等小尺寸辐射源的尺寸。