聚龙一号装置上首次铝套筒Z箍缩X射线背光照相实验

在聚龙一号脉冲功率装置上首次完成了对带正弦扰动铝套筒Z箍缩的X射线背光照相实验。实验采用千焦耳激光器（1053 nm, 1 kJ, 1 ns）驱动固体靶材产生X射线, 然后利用基于球面晶体的单色背光照相技术以及直接点投影背光照相技术, 成功观测到约7.5 MA电流驱动条件下, Z箍缩铝套筒的外边界不稳定性发展情况。该实验验证了在聚龙一号装置上联合千焦耳激光器开展X射线背光照相实验的能力, 为后续精密Z箍缩物理研究奠定了基础。     

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。     

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。     

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.     

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。     

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。     

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。     

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。     

聚龙一号丝阵负载Z箍缩硬X射线能谱测量

为获取聚龙一号实验装置负载放电产生硬X射线的能谱分布,设计了一套7通道硬X射线能谱仪。介绍了这套多通道硬X射线能谱仪的测谱原理、主要参数及根据测量结果回推光源辐射能谱的解谱算法。在聚龙一号装置丝阵负载物理实验中对测量系统进行考核,获得了信噪比较高的测量波形。利用最大熵方法进行解谱,获得了丝阵负载产生的硬X射线能谱分布,辐射能段主要集中在200~500 keV附近,且1 MeV以上光子份额较低。     

“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.     

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: ;     

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: ;     

聚龙一号装置磁驱动加载实验的全电路模拟

聚龙一号装置由24路模块并联组成, 通过调整24路模块中激光触发气体开关的导通时序可实现负载电流波形的精确调节, 以满足磁驱动加载实验所要求的负载电流波形灵活调节的需求。针对聚龙一号装置开展的磁驱动加载实验, 建立了能够描述能量从Marx发生器开始至负载整个传输过程的全电路模型, 开发了相应的电路计算程序, 并基于实验结果对计算程序进行了校验, 电路模拟结果与实验结果符合较好。电路模拟程序的计算效率比采用Pspice软件进行全电路计算的效率显著提高, 其不仅可应用于在给定激光触发气体开关导通时序的情况下对聚龙一号装置的输出特性进行预测和评估, 同时也为负载电流波形调节的方案设计提供了一种有效工具。     

激光驱动X射线单色背光照相系统优化设计

 基于球面几何光学对激光驱动X射线单色背光照相系统的空间分辨力和成像效率等关键性能参数进行了理论推导,分析了当系统光学参数发生变化时,系统空间分辨力和成像效率互为制约的关系,由此提出了在保证能探测到图像的前提下,尽量提高系统空间分辨能力的优化设计方法。按照此方法具体设计了光子能量分别为5.07 keV和5.41 keV的两套背光照相系统,并用光线追迹模拟实验进行了验证。结果表明：设计的两套系统都能够在大约1 cm²的视场范围内,具有优于10 μm的空间分辨力。     

X-ray backlighting of two-wire Z-pinch plasma using X-pinch

Two 50-μm Mo wires in parallel used as a Z-pinch load are electrically exploded with a pulsed current rising to 275 kA in 125 ns and their explosion processes are backlighted using an X-pinch as an x-ray source.The backlighting images show clearly the processes similar to those occurring in the initial stages of a cylindrical wire-array Z-pinch,including the electric explosion of single wires characterised by the dense wire cores surrounded by a low-density coronal plasma,the expansion of the exploding wire,the sausage instability (m=0) in the coronal plasma around each wire,the motion of the coronal plasma as well as the wire core toward the current centroid,the formation of the precursor plasma column with a twist structure something like that of higher mode instability,especially the kink instability (m=1).     

快点火背光照相数值模拟

在激光惯性约束聚变实验研究中,诊断燃料层密度通常利用纳秒激光束辐照金属靶片产生特征X射线作为背光照明光源,对内爆球壳进行瞬态辐射照相,进而推断球壳内爆燃料层的密度。利用蒙特卡罗程序,对快点火X射线背光照相进行了研究,模拟了针孔成像中不同的针孔大小、障板厚度、背光能量对成像质量的影响,对于快点火实验中微米尺寸塑料小球,进行了诊断方案优化。模拟结果表明,综合考虑光通量及成像空间分辨,针孔半径为10 m时成像效果最佳;此时,采用2.7 keV的Mo背光源可以获得最佳的密度分辨。     

快点火背光照相数值模拟

在激光惯性约束聚变实验研究中,诊断燃料层密度通常利用纳秒激光束辐照金属靶片产生特征X射线作为背光照明光源,对内爆球壳进行瞬态辐射照相,进而推断球壳内爆燃料层的密度。利用蒙特卡罗程序,对快点火X射线背光照相进行了研究,模拟了针孔成像中不同的针孔大小、障板厚度、背光能量对成像质量的影响,对于快点火实验中微米尺寸塑料小球,进行了诊断方案优化。模拟结果表明,综合考虑光通量及成像空间分辨,针孔半径为10 m时成像效果最佳;此时,采用2.7 keV的Mo背光源可以获得最佳的密度分辨。     

激光原型装置KBA-X射线显微镜网格测试

利用光线追迹的方法模拟了KBA显微镜成像,确定了光轴的方向并计算了KBA显微镜的几何调制传递函数。根据KBA模拟光路,提出了利用可见光作为模拟KBA-X射线显微镜的光轴在激光原型装置上的瞄准和安装的方法,该方法掠入射角的调节精度为0.25°。利用周期为20 μm的Ni网格在激光原型装置上对KBA显微镜进行了X射线成像实验,用X射线CCD记录图像,获得了较清晰的网格图像。     

激光原型装置KBAX射线显微镜网格测试

利用光线追迹的方法模拟了KBA显微镜成像,确定了光轴的方向并计算了KBA显微镜的几何调制传递函数。根据KBA模拟光路,提出了利用可见光作为模拟KBAX射线显微镜的光轴在激光原型装置上的瞄准和安装的方法,该方法掠入射角的调节精度为0.25°。利用周期为20μm的Ni网格在激光原型装置上对KBA显微镜进行了X射线成像实验,用X射线CCD记录图像,获得了较清晰的网格图像。