高功率Z箍縮等離子體輻射診斷

高功率Z箍縮

等離子體輻射診斷Z箍縮及其等離子體輻射特征可見光及紫外光圖像診斷軟X射線圖像診斷軟X射線能譜診斷輻射總功率測(cè)量基礎(chǔ)輻射診斷條件保障Z-pinch研究是從大電流放電和受控核聚變研究中發(fā)展起來(lái)的，它是指在強(qiáng)脈沖電流驅(qū)動(dòng)條件下，線型負(fù)載（柱型、筒型）電離并在磁場(chǎng)作用下向軸線高速箍縮形成高溫、高密度等離子體的過(guò)程。20世紀(jì)50年代中期，前蘇聯(lián)科學(xué)家就探索了利用脈沖放電箍縮等離子體以實(shí)現(xiàn)可控?zé)岷司圩兊目赡苄浴５捎谑艿浇缑娌环€(wěn)定性現(xiàn)象的影響和當(dāng)時(shí)技術(shù)條件所限，未能獲得較理想的結(jié)果。1995年Sandia實(shí)驗(yàn)室在Saturn裝置(I～7MA)上Z-PinchX光功率由過(guò)去長(zhǎng)期停留在20TW增至了85TW，于是把原來(lái)PBFA-II加速器改造用于Z-Pinch研究，使負(fù)載電流達(dá)到了20MA，并于1997年底獲得了X光功率290TW，X光能量1.8MJ，黑腔輻射場(chǎng)溫度約155eV的具有里程碑性質(zhì)的最新水平。高功率Z-pinch研究具有重要的需求背景和應(yīng)用前景。首先，它已成為目前最有效的核爆X射線輻射模擬源，用于X射線效應(yīng)和材料特性等抗輻射加固方面的研究。其次，高功率Z-pinch是實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變（ICF）的一種技術(shù)途徑，用于在實(shí)驗(yàn)室中研究核聚變和核武器物理過(guò)程。ANGARA-5-1PulsedPowerFacility

FIELDOFACTIVITY:inertialconfinementfusionhighenergydensityphysicsx-raymatterinteraction

numberofunits8outputpulseenergy 600kJpulseduration90nspulsecurrent6MApulsepower6TWshotperday3-4loads:

gaspuff,wirearray

z-pinchANGARA-5-1,TRINITIS-300PulsedPowerFacility

FIELDOFACTIVITY:inertialconfinementfusionhighenergydensityphysicsx-raymatterinteraction

numberofunits8outputpulseenergy 300kjpulseduration100nspulsecurrent4MAoutputimpedance0.15Ohmloads:

gaspuff,wirearray

z-pinchRussianResearchCentre“KurchatovInstitute”Z箍縮的主要特征時(shí)間負(fù)載加壓到等離子體崩毀約200ns溫度常溫開始到上百萬(wàn)度密度1016

－－1022e/cm3速度從靜止到大于107cm/s輻射光譜不斷變化，由最初的紅外輻射過(guò)渡到可見光輻射、紫外光輻射、軟X射線輻射形狀從初始電離、絲間融合、內(nèi)爆、軸心先導(dǎo)等離子體柱形成一直到等離子體柱軸心碰撞、絕熱壓縮最后崩毀，等離子體的形狀迅速變化等離子體不穩(wěn)定性發(fā)展，引起局部細(xì)節(jié)的微觀結(jié)構(gòu)變化，以及等離子體溫度、密度等參數(shù)的不均勻性分布高功率Z-pinch研究最關(guān)鍵的是如何控制等離子體不穩(wěn)定性，提高輻射能量、功率、溫度和效率。Z-Pinch等離子體輻射診斷就是通過(guò)測(cè)量、分析Z-Pinch過(guò)程產(chǎn)生的輻射，研究Z-Pinch的發(fā)生、發(fā)展、崩潰等的物理過(guò)程。研究每個(gè)階段的過(guò)程，必須針對(duì)該階段主要的輻射光譜進(jìn)行多種圖象診斷、能譜光譜診斷和輻射強(qiáng)度測(cè)量等診斷工作?？梢姽饧白贤夤鈭D像診斷研究等離子體內(nèi)爆過(guò)程主要關(guān)心等離子體殼層的均勻性和對(duì)稱性。持續(xù)時(shí)間100ns運(yùn)動(dòng)速度107cm/s直徑2cm左右到直徑2mm左右發(fā)光光譜為可見光和紫外光開展時(shí)間分辨可見光及紫外光圖象診斷光學(xué)系統(tǒng)像增強(qiáng)器CCD計(jì)算機(jī)快門控制觸發(fā)探頭被攝對(duì)象NANOCAMERASHOWSSTAGESOFZ-PINCHHISTORYTHEPROFILEOFTHEDEFORMEDOUTERBORDERALLOWTOESTIMATEDENSITYdOFPLASMAONANEXTERNALBORDERPOSITION.

ρ

1-2·10-4

g/cm3OUTERBORDERDEFORMATIONBEGINNING

OUTERBORDERHASDEFORMED.INTERNALARRAYWIRES

HASNOTDESTURBED

DEEPDEFORMATIONOFOUTERBORDER.THEREARENOSEENWIRETRACESWIRESSUBSTANCEISCOMPRESSEDONTOARRAYAXES.SUBSTANCEISPRESENTEDONINITIALBORDERPOSITIONAPPROXIMATELYMAXIMUMOFX-RAYEMISSION.SUBSTANCEISPRESENTEDONINITIALBORDERPOSITIONKI,TRINITI(A-5-1),CAEP-2004OUTERARRAYSURFACEPERTURBATINGSTARTEDd~Δ~0.5mm-80ns-60ns-40ns-10ns-4ns軟X射線圖像診斷等離子體殼層加速運(yùn)動(dòng)到軸心后，發(fā)生高速碰撞，等離子體的整體運(yùn)動(dòng)動(dòng)能轉(zhuǎn)化為等離子體的隨機(jī)運(yùn)動(dòng)能量，即形成高溫高密度等離子體，等離子體溫度達(dá)到幾十萬(wàn)度到幾百萬(wàn)度，密度1020電子/cm3，主要向外輻射軟X射線，能譜范圍幾十eV－幾keV。此過(guò)程是Z-Pinch的重要階段，等離子體的溫度、密度、輻射總功率以及等離子體的空間形態(tài)都是研究工作中極為關(guān)心的數(shù)據(jù)軟X射線穿透能力極弱，幾厘米的空氣或幾微米的薄膜就可以完全吸收。不能通過(guò)玻璃鏡頭、象增強(qiáng)器玻璃窗口MylarAlX-raypsmulti-framesystemExposuretime:1.5nsFramedimension:5*9mmSpatialresolution:90μ,150μ,300μRangeofenergyresponse:0.2-10kevX-ray

nsmulti-frameImageSystemTypicalx-raynsmulti-frameimagesshot：4072Doubletungstenwirearray:40/20H15/D12/φ6μAperturediameter:φ100/50μm3.06MA/65.29ns1.39TW/28.85kJ/11.8ns。CathodeAnode10mm12mm軟X射線能譜診斷高溫等離子體輻射的光子能譜包含了等離子體溫度、密度、電離狀態(tài)、平衡狀態(tài)等大量信息，通過(guò)測(cè)量等離子體輻射能譜可以推斷許多重要參數(shù)，是等離子體研究中的重要診斷手段。根據(jù)布拉格衍射公式：

n

=2dsin

在特定的入射角條件下，只有特定波長(zhǎng)的X射線發(fā)生衍射，式中d為衍射晶體的晶面間距軟X射線波長(zhǎng)2－10nmOHM晶體2d＝6.35nmTLAP晶體2d＝2.55nm0513-1827原始圖像微帶1，OHM,+100V微帶1，OHM,+50V微帶3，TAP，+100V微帶3，TAP，+50VSchemaofthemicacrystalwide-rangeX-rayspectrograph,l=2-14

AngstroemTe=300-400eVisdeterminedthroughtheBremsstrahlungspectrum

X-RAYSPECTRUMOFIMPLODINGAlARRAY透射光柵軟X射線譜儀衍射光遵從光柵方程:dsinθ=mλ用于軟X射線譜測(cè)量的透射光柵是由中國(guó)科技大學(xué)同步輻射實(shí)驗(yàn)室制作的,材料為金。它是無(wú)底襯自支撐透射光柵,標(biāo)稱光柵周期為1050L·mm-1。除了周期排列的金柵線外,它還帶有較寬的金支撐條結(jié)構(gòu)。透射光柵的占空比a/d為0.325,光柵柵線厚度z為0.323μmMeasurementofTheSoftX-RaySpectrumScheme：

SlitGratingCassetteLoad

TransmissionGratingSpectrometerResultsobtainedonAngara-5-1Spectrumofsinglearray,byRussiaTungstenArraySpectrum(40Wires、shot4063)TungstenArraySpectrum(60Wires、shot4080)ResultsobtainedonAngara-5-1Spectrumofsingletungstenarray——byCAEPTungstenArraySpectrum(48Wires、shot4068)TungstenArraySpectrum(60Wires、shot4069)輻射總功率測(cè)量采用高純鎳材料研制了鎳薄膜探測(cè)器，脈沖軟X射線輻照在Ni薄膜表面，薄膜吸收X射線能量，溫度升高，材料電阻率隨溫度的升高而增大，引起標(biāo)準(zhǔn)電阻兩端電壓的變化，通過(guò)測(cè)量其電壓波形，可以確定沉積的X射線總能量。純鎳用機(jī)械方法壓制而成的鎳薄膜探測(cè)器

蒸發(fā)鍍膜制做的鎳薄膜探測(cè)器

閃爍體＋光電管測(cè)量

軟X射線功率時(shí)間譜

閃爍體：ST401,1.0mm

光電管：GD-40根據(jù)X射線透過(guò)率計(jì)算，1.0mm的ST401閃爍體，對(duì)3keV以下的軟X射線可全吸收。

軟X射線功率時(shí)間譜測(cè)量示意圖圖3：軟X射線功率測(cè)量系統(tǒng)各部件4、測(cè)量結(jié)果與處理圖4：時(shí)間：2003.11.13炮號(hào)：shot252前沿：27ns半高寬：33ns

功率時(shí)間譜基礎(chǔ)輻射診斷條件Z-Pinch發(fā)展過(guò)程快，輻射過(guò)程只有幾十納秒，而圖象診斷、能譜光譜診斷等探測(cè)系統(tǒng)要求在前端觸發(fā)，必須建立穩(wěn)定可靠的同步觸發(fā)系統(tǒng)，并對(duì)系統(tǒng)的同步過(guò)程進(jìn)行精確的關(guān)聯(lián)測(cè)量；Z-Pinch是在真空中進(jìn)行，將射線從真空中引出，必須建立復(fù)雜的真空管道系統(tǒng)；Z-Pinch實(shí)驗(yàn)屬于強(qiáng)沖擊過(guò)程，測(cè)量系統(tǒng)的真空、高壓等環(huán)節(jié)抗沖擊保護(hù)也是輻射診斷工作中的重要內(nèi)容；納秒級(jí)觸發(fā)、同步系統(tǒng)輻射診斷系統(tǒng)中大量采用象增強(qiáng)器作為系統(tǒng)光快門，光快門的導(dǎo)通時(shí)間必須同Z-pinch輻射過(guò)程同步，保證測(cè)量系統(tǒng)正好在幾十納秒X射線輻射時(shí)間內(nèi)選定的時(shí)刻對(duì)X射線響應(yīng)，而其他可見紫外光診斷系統(tǒng)也必須與Z-pinch發(fā)光時(shí)間同步，而信號(hào)記錄使用的示波器也必須相互同步，這些系統(tǒng)的同步精度要求達(dá)到納秒級(jí)。納秒級(jí)觸發(fā)、同步系統(tǒng)真空系統(tǒng)

真空氣阻同步高壓電源

由于X射線像增強(qiáng)器是無(wú)窗式器件，工作時(shí)在熒光屏和MCP之間加有5000V的直流高壓，打炮后真空度降低很容易在熒光屏處出現(xiàn)電擊穿而損壞器件。另外在實(shí)驗(yàn)中，為防止X射線象增強(qiáng)器被放電過(guò)程產(chǎn)生的碎片破壞，其熒光屏高壓必須在碎片破壞真空隔膜，氣體到達(dá)象增強(qiáng)器前降為零，而且可在測(cè)試間手動(dòng)遙控加電和關(guān)斷。為此研制了同步高壓電源

，該電源在控制同步機(jī)的觸發(fā)下可在打炮后1ms內(nèi)自動(dòng)關(guān)斷。

同步高壓電源快復(fù)位同步高壓電源達(dá)到的性能指標(biāo)：輸出電阻：高阻輸出電壓：4－6kV可調(diào)復(fù)位時(shí)間：1ms穩(wěn)定性0.1%能在測(cè)試間用按鍵或直接用同步機(jī)控制高壓開和關(guān)。系統(tǒng)運(yùn)行同步控制保證在Z-pinch裝置運(yùn)行時(shí)，不論負(fù)載是否加載驅(qū)動(dòng)脈沖電流，均能動(dòng)作以控制各真空、高壓保護(hù)裝置和CCD相機(jī)的數(shù)據(jù)采集，保證系統(tǒng)在Z-pinch裝置正常和非正常狀態(tài)下均能可靠地得到保護(hù)；另外對(duì)于軟X射線總能量、總功率測(cè)量系統(tǒng)，需要在軟X射線輻射之前約1微秒左右提供一個(gè)觸發(fā)信號(hào)，使脈沖同步電源產(chǎn)生探測(cè)器驅(qū)動(dòng)信號(hào)，這種同步信號(hào)的精度只需為微秒級(jí)。系統(tǒng)運(yùn)行同步控制結(jié)語(yǔ)等離子體輻射診斷是涉及輻射物理、光學(xué)、光電子學(xué)、電子學(xué)等多個(gè)學(xué)科的綜合性工程化研究課題，也是相關(guān)領(lǐng)域發(fā)展很快的前沿內(nèi)容，美國(guó)的Z裝置每年用于診斷裝置研制的經(jīng)費(fèi)500萬(wàn)美元，我們到目前為止已經(jīng)投入約400萬(wàn)元。以上是對(duì)Z箍縮輻射診斷工作的部分內(nèi)容進(jìn)行了簡(jiǎn)略的介紹所有的工作的進(jìn)步是在項(xiàng)目組許多位不同專業(yè)的人員共同努力下取得的歡迎感興趣的老師和同學(xué)們參加到這項(xiàng)富有挑戰(zhàn)性的工作中來(lái)！謝謝大家！高性能CCD攝像機(jī)象元尺寸

24μm×24μm

（8μm×8μm）慢速讀出光纖數(shù)字化傳輸動(dòng)態(tài)范圍大（層次豐富）靈敏度高（噪聲?。?/p>

可見－紫外光譜診斷系統(tǒng)

XpinchasaX-raysourceX-raysourceparameters:spacesize–1

mor<,temporalduration

10ps,usedspectralband1

5

;[Ne]-ionsofMo,Te

1keV,ne>1024cm-3Typicalexperimentalparameters:200-500kV,100-300kA,50-150nsMo,diam.12

25

mLASEROpticalFiberPowerSupplyCoolingSystemControlSystemVacuumChamber1MagneticStick2Spot-Shaper3QuartzGlassWindowanditsGlass-SheetShelter4Glass-SheetShelterandQuartzGlassWindow5InterferenceFilter6Lens7Filterforlight-intensity-adjustment8Shutter9Film10ShutterController11AC/DCPowerAdapter12HandlerBoxCameraWavelength:532nmWavelength:266nm23456789Liner1110116-WireCableDC18V200mAAC220V12CabletoIndicatorLightDC10mACableforShutterHandlingDC10mAPINdetectorOscilloscopeX-RaydetectorConsoleCabinetModulesRU#4061(40W)(1.5TW,2.9MA)–79ns0123456mmCN#4067(48W)(1.2TW,2.7MA)-63nsMulticolumnImageforIndividualWireStriations&FilamentsRadiallyRainingorAzimuthallyMerging?orBoth?SeemstobewithOn-AxisDensePlasma

EarlyStagePlasma(SingleArray)MulticolumnImageforIndividualWireCorona&ColdCoreRU#4062(40W)(1.3TW,3.2MA)–53nsCN#4069(60W)(1.3TW,2.7MA)–35nswithOn-AxisDensePlasmapriortoRun-InPhaseNonuniformitywithOn-AxisDensePlasmaRainingorMerging?orBoth?

Earl