高速分幅相机与阳加速器的精密电流同步技术

 针对在阳加速器上进行Z箍缩实验时存在的同步精度低的问题,研究了一套同步触发信号取自加速器输出电流的技术。利用加速器工作电流波形与物理实验现象间的固有延迟时间关系来判断同步的时刻,时间关联的精度可到达ns量级。为了防止加速器对测量系统的影响,根据延迟时间长短的不同情况还研究了光电隔离方式和光纤传输方式,解决了在阳加速器平台上的电磁干扰问题,实现了在阳加速器上进行可靠物理实验的精密测量工作;本触发方式配合高速分幅相机的应用,稳定而可靠地以10 ns间隔、3 ns曝光时间拍摄到了Z箍缩的发展过程。     

“阳”加速器上的Z箍缩诊断技术

概述了为开展Z箍缩实验物理研究而建立的一些诊断技术和方法。这些诊断技术已成功应用于"阳"加速器(负载电流1.2 MA,上升时间85 ns)喷气和丝阵Z箍缩物理研究中,其中软X光8通道Dante谱仪和软X光闪烁体功率计主要用于软X光能段的辐射功率、能量和低能辐射能谱测量;椭圆弯晶谱仪、凸圆柱晶体谱仪和透射光栅谱主要用于X光辐射线谱和连续谱的测量,以获取等离子体密度、电子和离子温度等信息;X光八分幅针孔相机、分能段6通道X光掠入射针孔积分相机和激光差分干涉测量系统主要用于研究Z箍缩内爆动力学过程及等离子体参数等,并给出了这些诊断系统获取的典型实验结果,包括X光辐射功率、辐射能谱、等离子体内爆图像和密度分布等。     

丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断系统

 主要介绍了为“强光一号”加速器丝阵负载Z箍缩实验设计的可见光图像诊断系统，系统时间分辨约为5 ns，空间分辨约为6.5 lp/mm，光谱响应范围365~750 nm。系统能够满足从早期单丝电离到等离子体柱飞散整个Z箍缩过程的诊断要求， 给出了系统在Z箍缩实验中获得的丝阵负载内爆图像序列，并对其反映的内爆现象进行了初步的唯象分析。     

Z箍缩动态黑腔阴影像诊断研究

为了获得填充泡沫的钨丝阵动态黑腔动力学演化图像, 研究钨等离子体与泡沫柱的相互作用形式, 在1 MA脉冲功率装置上设计了四分幅紫外探针光(266 nm)阴影成像系统, 该系统时间分辨为2.5 ns, 静态空间分辨优于70 μm, 径向阴影图像展示了从固体丝膨胀消融到先驱等离子体与泡沫相互作用, 从泡沫的箍缩到反弹膨胀的全过程. 图像显示了在长约50 ns时间内丝等离子体以雨的形式持续与泡沫相互作用, 在整个箍缩阶段并未观察到等离子体壳层结构. 定量分析表明泡沫柱的最小箍缩速度为1.0×10⁶ cm/s, 最大箍缩速度为6.0×10⁶ cm/s, 在轴上滞止的直径约为1 mm. 通过对数值模拟计算结果的讨论, 明确了在Z箍缩等离子体状态下阴 影成像结果主要反映了逆轫致吸收效应, 与径向功率波形的时间关联给出了钨等离子体主体与泡沫柱相互作用时刻的图像. 关键词： 动态黑腔 阴影像 箍缩速度     

两幅差分干涉诊断铝丝阵Z箍缩等离子体

研制了两幅激光差分干涉诊断系统,可在一次实验中获得两幅间隔3～12 ns的高分辨干涉图像。该系统采用分光延时装置产生两束有一定夹角和时间间隔的探测激光脉冲,采用特殊的偏轴4f传像系统在同一块CCD的不同区域产生两幅干涉图像。应用该系统开展了铝丝阵Z箍缩激光干涉诊断实验,获得了丝膨胀和消融、晕等离子体产生和发展、以及先驱等离子体产生和发展等Z箍缩演化过程的实验图像,并给出了Z箍缩早期阶段的等离子体电子密度分布。     

单壳层喷气Z箍缩内爆特性分析

在“阳”加速器（电流峰值为500—850 kA,上升时间约为85 ns）上利用单壳层喷气负载开展了Z箍缩等离子体内爆实验,获得了等离子体的辐射产额、X光辐射图像等诊断结果.利用相应的诊断结果,定义了内爆时间,对内爆过程的主要阶段进行了划分,研究了等离子体位形、辐射强度分布等实验现象,同时对等离子体的内爆轨迹、内爆质量、径向收缩比、磁流体不稳定性等进行了初步分析. 关键词： Z箍缩')" href="#">喷气负载Z箍缩 等离子体内爆 X光辐射功率 “阳”加速器     

双层喷气Z箍缩氖等离子体K层辐射研究

报道了"强光一号"(1.6 MA,70 ns)加速器驱动双层喷Ne气Z箍缩负载产生K层辐射(光子能量约1 keV)的实验研究.喷气负载出口半径为1.5—1.4 cm和0.75—0.6 cm(半径比2 ∶1).充气压力相同情况下外层和内层质量比约2.8 ∶1.在内爆时间约120 ns、负载线质量估计值60—70 μg/cm时,获得K层辐射产额约7 kJ、峰值功率0.28 TW,脉冲宽度20 ns.X射线分幅图像表明内爆阶段的不稳定性影响较小,最终内爆速度超过25 cm/μs,等离 关键词： 双层喷气 Z箍缩等离子体 K层辐射')" href="#">K层辐射 雪耙内爆     

微通道板选通X射线纳秒分幅相机的研制

设计并研制了一种新的微通道板选通X射线纳秒分幅相机,相机系统由带有行波选通微带光电阴极的近贴聚焦分幅变像管、电控单元、针孔安装和调节系统及真空系统组成.电控单元提供相机上作需要的直流电压和脉冲开关电雎.输出图像山采用光纤面板耦合到荧光屏的CCD相机读出.采用厚50 mm的Au作为变像管光电阴极,相机谱响应范围0.1～10 keV.可获得八幅分幅图像,每幅曝光时间1 ns,2 ns和5.0 ns三档可调,像幅时间间隔分2 ns、5 ns和10 ns 三档可调.相机动态空间分辨力优于18 lp/mm,触发晃动小于100 ps,时间抖动小于5%.并可实现远距离监视、控制和数据采集.对相机静态特性和动态特性的实验标定及应用现场所获得的实验结果均表明,相机上作性能稳定,具有几何畸变小、动态范围大等特点,满足 Z-箍缩实验研究的需要.     

“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.     

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.     

强流电子束二极管等离子体光学诊断

通过处理强流电子束加速器主开关导通之后所形成的高压电脉冲,得到了二极管等离子体光学诊断的同步时间基准。采用高压电脉冲延时结合二极管等离子体光信号延时的方案,实现了相机曝光过程与等离子体发光过程的ns级精度同步。综合采取屏蔽、滤波等措施,实现了整个系统的电磁兼容,最终稳定地拍摄到了ns时间分辨的二极管等离子体发光过程。     

具有时间分辨能力的强流电子束束剖面测量系统

 高能强流电子束的束参数测量是加速器研制过程中重要的一项测量工作,由于光学渡越辐射具有时间响应快、分辨率高等特点而被用于测量电子束的具有时间分辨能力的束剖面、发散角、能量等多个参数;通过电子束束参数的时间分辨测量则能够了解电子束产生、输运中的问题,非常有利于加速器的研究与调试。一种具有时间分辨能力的、利用光学渡越辐射进行高能强流电子束束斑测量的系统在中国工程物理研究院被建立起来,并在12 MeV LIA的电子束束斑的测量中用于电子束传输研究,该系统拍摄图像的间隔时间最小为10 ns,最小的曝光时间为3 ns,具有一次可以拍摄8幅图像的能力,并获得了12 MeV LIA约100 ns内相应的时间分辨的束斑变化情况,观察到了一些过去未观察到的现象,为加速器的研究提供了又一个新测试方法。     

神龙二号多脉冲电子束束参数的时间分辨测量技术

神龙二号是一台三脉冲强流脉冲电子束直线感应加速器,就其多脉冲的电子束束参数的测量而言,基本要求是单个脉冲可分辨,进一步的要求是脉冲内时间可分辨。基于光学渡越辐射原理及瞬态发射度测量系统原理,发展了一种束斑与发散角可以分开测量的光学布局结构,结合多台高速分幅相机,成功研制了一套完整的多脉冲电子束束参数的测量系统,其特点是灵活的组合测量方式,全面满足了神龙二号复杂艰难的调试及参数测量工作要求。测量系统最高时间分辨测量能力达到约2 ns的水平,单个脉冲可以获得至少8个时间分辨的束参数测量结果。     

炸药柱面内爆磁通量压缩超高速同时分幅/扫描摄影技术

叙述了超高速同时分幅/扫描摄影技术在柱面内爆磁能量压缩实验中的研究应用,用自研的国内首台同时分幅/扫描超高速光电摄影系统,拍摄到柱面内爆强磁场压缩过程同一时基、同一空基且具有超高时空分辨的一维和二维清晰图像。成功观察到柱面套筒内爆整个压缩过程,获得了该过程直径随时间变化曲线及压缩速度。实验结果表明,柱面套筒内爆强磁场压缩过程中存在界面不稳定性和不对称性现象,整个过程压缩时间8~10μs,压缩速度3.8~4.5km/s。     

一种变象管分幅/扫描的高时间分辨光谱测量方法

本文详细介绍了西安光机所正在研制中的一种变象管瞬时光谱测量系统,它由WDG30型光栅光谱头与JTG 305型变象管分幅/扫描摄影机组成。文中给出了系统的总体设计考虑、变象管及其控制和主要性能参数。     

X射线皮秒变象管分幅相机研究

本文介绍了我们提出的一种新的实现皮秒分幅摄影的技术方案,其优点是对控制线路要求不高,给出了用计算机对此方案进行数值模拟的结果和新设计的用于这种分幅方案的变象管特性,用直流X射线源测出该变象管的静态空间分辨率为20lp/mm。用激光打靶产生的脉冲X射线测量了相机动态特性,已得到了四幅动态像,每幅曝光时间150ps,空间分辨率3lp/mm。     

时间分辨的强流脉冲电子束参数的光学测量诊断系统研制

电子束束参数是衡量各种加速器产生的电子束品质的重要参数, 其测量技术的研究及测量工作是极其重要的一个方面。由于加速器研制水平的提高, 尤其在调试阶段对束参数的测量要求也变得更高, 体现在高的时间分辨能力和更好的空间分辨率、数据更高的动态范围及更加直观的可视性。针对束参数中最基本的参数如束斑测量、发射度测量、能量测量等技术, 利用已研制的高性能设备, 针对强流脉冲电子束的特点, 基于多种主要原理研制了比较完整的、时间分辨能力高达2 ns、高灵敏度、高动态数据范围的电子束束参数光学测量及诊断系统, 并编制了一套处理程序, 达到了现场实时的数据处理水平, 具有直观诊断的特点, 为解决调试工作中诸多的问题提供翔实而准确的数据, 成功地应用于多个加速器的调试。     

Nanosecond resolution photography system for laser-induced cavitation based on PIV dual-head laser and industrial camera

The detailed study of the initial and collapse processes of the laser-induced cavitation requires nanosecond resolution (both nanoseconds exposure and nanoseconds interframe time) of the photography measurement system. The high-speed video cameras are difficult to achieve nanoseconds interval time. The framing and streak cameras are able to reach the nanosecond resolution, but their complex technology and expensive prices make them far from being commercially available. The present study builds a nanosecond resolution photography system based on PIV dual-head laser and conventional industrial camera. The exposure time of the photography system is controlled by the laser pulse width, which is 5 ns. The two heads of the PIV laser are operated independently thus the smallest time interval between two laser pulses can be set to less than 10 ns. A double-pulse per-exposure imaging technique is used to record the information from two laser pulses on single frame on a low-speed industrial camera. The nanosecond resolution photography system was applied to the laser-induced cavitation experiments to verify the reliability of the measurement results. The measurement of the shock wave velocity demonstrates the ability of the system to capture ultrafast phenomena, which reduces from 3611 m/s to approximately 1483 m/s within 400 ns. The experimental results also reveal the asymmetric evolution of laser-induced cavitation bubbles. The major axis of the ellipsoidal bubble has twice reversals along the laser propagation and perpendicular direction from the laser-induced breakdown to the first collapse.     

Filming the invisible – time-resolved visualization of compressible flows

Essentially all processes in gasdynamics are invisible to the naked eye as they occur in a transparent medium. The task to observe them is further complicated by the fact that most of these processes are also transient, often with characteristic times that are considerably below the threshold of human perception. Both difficulties can be overcome by combining visualization methods that reveal changes in the transparent medium, and high-speed photography techniques that “stop” the motion of the flow. The traditional approach is to reconstruct a transient process from a series of single images, each taken in a different experiment at a different instant. This approach, which is still widely used today, can only be expected to give reliable results when the process is reproducible. Truly time-resolved visualization, which yields a sequence of flow images in a single experiment, has been attempted for more than a century, but many of the developed camera systems were characterized by a high level of complexity and limited quality of the results. Recent advances in digital high-speed photography have changed this situation and have provided the tools to investigate, with relative ease and in sufficient detail, the true development of a transient flow with characteristic time scales down to one microsecond. This paper discusses the potential and the limitations one encounters when using density-sensitive visualization techniques in time-resolved mode. Several examples illustrate how this approach can reveal and explain a number of previously undetected phenomena in a variety of highly transient compressible flows. It is demonstrated that time-resolved visualization offers numerous advantages which normally outweigh its shortcomings, mainly the often-encountered loss in resolution. Apart from the capability to track the location and/or shape of flow features in space and time, adequate time-resolved visualization allows one to observe the development of deliberately introduced near-isentropic perturbation wavelets. This new diagnostic tool can be used to qualitatively and quantitatively determine otherwise inaccessible thermodynamic properties of a compressible flow.