单丝及多丝Z箍缩的X射线背光成像
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两种Z箍缩X射线总能量测量技术对比
引 言
ｚ箍缩作 为 目前世界上最强大 的 Ｘ射线 源＿ 】 ］ ， 在 武器物 理研 究和惯性约束聚变等 领域 发挥着重要 作用Ｉ 。 ］ 。软 ｘ射 线 辐射总能量是 ｚ箍缩研究 中的关键参数之 一 ， 其对 聚爆过
加速器 ｚ箍缩实验 的所有典型负载ｌ １ 。 另外 ，“ 强光一号” 加 速器于 ２ ０ １ １年增 加了一套 闪烁探测系统用于测量 辐射 功率 ， 将辐射 功率 波形 积分同样 可得到辐射总能量 。两种方法基 于 完全不 同的诊断 原理 ， 通过对 比其诊 断结果 可以提高不 同 Ｚ 箍缩负 载 ｘ射线总能量测量 的精度 。
并 分 析 了其 中 的原 因 。
ＭＡ，１ ０ ０ ｎ ｓ ） 钨丝阵 实验 中采用 五通 道的 滤光 Ｘ ＲＤ和镍 薄 膜 量热计测量得 到软 Ｘ射线 总能 量约 ２ ＭＪ ｌ １ ］ 。其 他探 测器
还 包括 Ｘ射线二极 管（ Ｘ － ｒ ａ ｙ ｄ ｉ ｏ ｄ ｅ ｓ ， Ⅺ ） ［ ８ ｊ 、 光 电导探测器 （ ｐ ｈ ｏ ｔ ｏ ｃ ｏ ｎ ｄ ｕ ｃ ｔ ｉ ｎ ｇ ｄ ｅ ｔ ｅ ｃ ｔ ｏ ｒ ， Ｐ Ｃ Ｄ） ＿ ９ ］ 和闪烁探测 系统 。 。 等。 “ 强光 一号 ” 加速器首先 于喷氪气 Ｚ箍缩实验 中使用量热 计 测量 了软 ｘ射线 辐射 总能 量测量 ｌ Ｌ １ 。后来 通过 对该 系统
丝间距 的增大 ，量热计测量结果 明显减小 ， 但闪烁探测 系统 的测量结 果却变化 较小 ， 二 者不再呈 比例关系 。 通过模拟计算对产 生上述现象的原 因进行 了分析 ，可以得出如下结论 ：（ １ ） 闪烁探 测系统对低 能光子 响应较 高， 且 响应能谱范 围较量热计宽 ，因此所有的总能量测量结果 比量热计测量结果略大 ；（ ２ ） Ａｌ 丝阵等离 子体 辐射 能谱分 布范围较宽 ， 主要辐射 能段处 于两种测量 手段 响应 都 比较平坦 的区 间内 ，因此两种手 段测量 结
丝阵负载Z箍缩可见光图像诊断系统
３ ｏｊｃｉｅ ｅ ｓ ４ ｍａ ｅｉｔｎ ｉｅ； ｂｅ ｔ ｎ ； ｉ ｇ ｎｅ ｓｆ ｒ ｖｌ ｉ
满 足 Ｚ箍缩 早 期物 理过 程诊 断 的要求 。国际上 的一些 Ｚ箍缩 装置 配备 了可 见光 分 幅相机 、 条纹 相 机并 与其 它
光 学测 量设 备相 配合 来对 Ｚ箍缩 早期 物理 过程进 行诊 断［６。可见 光 图像诊 断 既能 够对 丝阵 负 载 Ｚ箍缩 早 期 ｓ３ － 单丝 电离消 融过 程进 行诊 断 ， 也能 够对 中后期 等 离子体 聚 爆 、 滞止 以及 飞散过 程 进 行研 究 ， 可 能 揭示 电流 在 还 系统 中 的路 径 以及有 多少质 量 的材料 留在 电流壳 层 之后 ， 这是决 定 丝阵负 载 Ｚ箍 缩等离 子 体所 产 生 的 Ｘ射 线 脉 冲性能 的两 个重 要 因子 ］ 。主要 介 绍“ 光 一号 ” 阵 负载 Ｚ箍 缩 可见 光 图 像 诊 断 系统 ， 出 了 系统 在 Ｚ 强 丝 给 箍缩 实验 中获 得 的丝 阵负 载 内爆 图像 序 列 ， 对其进 行 了初 步分析 。 并
１ 系统 结 构 概 述 及 主 要 性 能
可见 光 图像诊 断 系统 目前 共完 成 四个 诊 断通道 ， 用分 立 式插 件设 计 ， 每个 诊 断 通道 做 成 单 独模 块 ， 采 将 系
统 具有很 高 的可 扩展 性 。系统 采用 多 只独立 的像增 强 器来 实 现 多分 幅 ， 只像管 单 独成 像 。其 中一 路 诊 断 通 每
丝 阵 负载 Ｚ箍 缩 可见 光 图像 诊 断 系统
盛 亮 一， 魏福利。 吕 敏 ， 王奎禄。 邱爱慈。 ， ， ，
黑东炜ｚ 邱孟通。 袁 媛。 赵吉祯。 王培伟。 ， ， ， ，
X箍缩背光照相
入理 解 ｚ箍 缩 发 展 的物 理 过 程 ， 时 可 为 有 效 的 模 拟 建 模 分 析 提 供 基 本 的实 验 数 据 。 同
关键 词 ： ｘ箍 缩 ； Ｘ射 线 背 光 照相 ； 丝 阵 Ｚ箍 缩 ； 脉 冲功 率 装 置
中 图 分 类 号 ４ ０ ３ ｏ ：０ ３ ８ ／ ＰＢ ０１ ２ ０ ． ９ １
图 ｌ Ｐ Ｇ— Ｐ Ｉ实 物 图
＊ 收 稿 日期 ： ０ ９ １ ３ ２ ０ １０ ；
修 订 日期 ： ０ ９ １ － ５ ２ ０ — ２２
基 金项 目： 国优 秀 博 士 学 位 论 文 作 者 专 项 资金 资助 课 题 （０ ７ ８ ； 国 博 士 后 科 学 基 金 项 目（０ ９ ４ ０ ５ ） 全 ２０４）中 ２ ０ ０ ５ ３ ５ 作 者简 介 ： 张 然 （ ９ ５ ） 女 ， 士研 究 生 ， １８ ， 硕 主要 从 事 脉 冲功 率 技 术 研 究 ；ｈ ｎ ｒｎ ａ ｔ ｍｎ １ ３ ｃ ｎ 。 ｚａ ｇａ ｕ ｕ ＠ ６ ． ｏ ｌ 通 信作 者 ： 赵 彤 （ ８ ） 男 ， 士 ， １ Ｏ ９ ， 博 主要 从 事脉 冲功 率 技 术 研 究 ；ｈ ｏ ｇ ｔｉｇ ｕ ． ｄ ． ｎ ｚｔｎ ＠ ｓ ｈ ａ ｅｕ Ｃ ｎ ｏ
第 ２ ２卷 第 ４期 ２１ ０ ０年 ４月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ Ｐｏ Ｗ ＥＲ ＩＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ ＩＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ Ｇ Ｃ
Ｖｏ１２２，ＮＯ ４ ． ．
Ａ ｐｒ ．， ２ １ ０ ０
文 章 编 号 ： １ ０ —３ ２ ２ １ ） ４０ ３ — ５ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ ９ １０
１ Ｘ 箍 缩 背 光 照 像 实 验
Z箍缩X射线在金属表面产生电荷分离现象
ｃｔｏ ｅ ａｈ ｄ
之 ２０ ０
≥ ＿ ｐ。 Ｘ一ｌ ｒ ｕ 。
ｅｉａｓ ｘｇ ｓ ｌ
Ｃｕ
星 言
０
孑 一 ０ ２０
０
１ ０
２ Ｏ
３ ０
ｔｍｅ／ ｉ ｎｓ
Ｆ ｇ Ｓ ｈ ｍａ ｉ ｄ ａ ｒ ｍ ｆｅ ｐ ｒ ｅ ｔ ｌ ｅ ｕ ｉ ．１ ｃ ｅ ｔｃ ｉ ｇ ａ ｏ ｘ ｅ ｉ ｎ ａ ｔ ｐ ｍ ｓ
Ｆ ｇ ２ Ｔａ ｇ ｔｐ ｔ ｎ ｉ ｌ ｏ ｕ ｅ ｙ ｃ ａ ｇ ｅ ａ ａ ｉｎ ｉ． ｒ ｅ ｏ ｅ ｔａ ｄ ｃ ｄ ｂ ｈ ｒ ｅ ｓ ｐ ｒ ｔｏ ｐｒ
图 １ 实 验 布 局示 意 图
图 ２ 金属 靶 的 电荷 分 离势
＊ 收稿 日期 ： ０ ９ １ － ７ ２ ０ — １２ ； 修 订 日期 ： ０ ９ １ — ９ ２ ０ ２０ 基金项 目： 国家 自然 科 学 基金 重 点 项 目（０ ３０ ０ １ ６５ ５ ）
第２ ２卷第 ３期
２１ ０ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ０年 ３月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ ． ２，Ｎ Ｏ ３ １２ ．
Ｍ ａ ．， ２ １ ｒ ０ ０
文 章 编号 ： １ ０ —３ ２ ２ １ ） ３ ０ ７ — ４ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ６ ９０
现 的 电荷 分 离 现 象 ， 缩 负 载 为 １ 根 直 径 ５ ｍ 的 钨丝 组 成 的丝 阵 ， 阵半 径 ３ｍｍ。强 度 ｌ Ｗ／ｍ 半 高 ｚ箍 ６ 丝 Ｏ ｃ 、
宽 ３ ｓ的软 Ｘ射 线 脉 冲 通 过 直 径 ５ｍｍ 的 限光 孔 辐 照 半 径 ３ ｍ、 ３ｍｍ 的铜 盘 中 心 ， 金 属 表 面产 生 了 ０ｎ ０ｍ 厚 在 脉 宽相 近 ， 幅值 ｋ 的电 势 。 测 量 了该 电势 沿 金 属 表 面 的 分 布 ， 测 到 微 弱 的 调 制 现 象 。 电势 的极 性 表 明 电 子 Ｖ 观
之 ２０ ０
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图 １ 实 验 布 局示 意 图
图 ２ 金属 靶 的 电荷 分 离势
＊ 收稿 日期 ： ０ ９ １ － ７ ２ ０ — １２ ； 修 订 日期 ： ０ ９ １ — ９ ２ ０ ２０ 基金项 目： 国家 自然 科 学 基金 重 点 项 目（０ ３０ ０ １ ６５ ５ ）
第２ ２卷第 ３期
２１ ０ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ０年 ３月
强 激 光 与 粒 子 束
ＨＩ ＧＨ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡＳＥＲ Ａ ＮＤ ＰＡＲＴＩ ＣＬＥ ＢＥＡＭ Ｓ
Ｖ ｏ ． ２，Ｎ Ｏ ３ １２ ．
Ｍ ａ ．， ２ １ ｒ ０ ０
文 章 编号 ： １ ０ —３ ２ ２ １ ） ３ ０ ７ — ４ ０ １４ ２ （ ０ ０ ０ — ６ ９０
现 的 电荷 分 离 现 象 ， 缩 负 载 为 １ 根 直 径 ５ ｍ 的 钨丝 组 成 的丝 阵 ， 阵半 径 ３ｍｍ。强 度 ｌ Ｗ／ｍ 半 高 ｚ箍 ６ 丝 Ｏ ｃ 、
宽 ３ ｓ的软 Ｘ射 线 脉 冲 通 过 直 径 ５ｍｍ 的 限光 孔 辐 照 半 径 ３ ｍ、 ３ｍｍ 的铜 盘 中 心 ， 金 属 表 面产 生 了 ０ｎ ０ｍ 厚 在 脉 宽相 近 ， 幅值 ｋ 的电 势 。 测 量 了该 电势 沿 金 属 表 面 的 分 布 ， 测 到 微 弱 的 调 制 现 象 。 电势 的极 性 表 明 电 子 Ｖ 观
丝阵Z箍缩X射线辐射机制数值分析
效 的 Ｚ箍缩 计算程 序 ， 数值 研究 了 １ 并 ～９ＭＡ百 纳秒 脉 冲电流驱 动 的丝阵 Ｚ箍缩 中 的 Ｘ射线 辐射 机制 程是个 ３ 、 维 非线 性 、 多物理 、 多尺 度 的复 杂 过 程 ， 物 理 涉及 物 态 相变 、 流 体力 学 、 射 输运 、 其 磁 辐 原 子 物理过 程 ， 空 间尺度从 ｍ 到 ｃ 其时 间 尺度 从 ｆ 其 ｍ， ｓ到百 ｎ 。为 了简单 ， 这 一 复杂 过 程 简 化 近 似 为 １ ｓ 将 维辐射 磁流 体力 学过程 ， 含 的物 理过 程有理 想气 体状 态 方程 、 热 近似 、 包 绝 激波 加 热 、 辐射 输 运 、 流体 磁 流体 单
ｚ箍 缩 物理 研 究 。在 “ 加 速 器 和 Ｐ 阳” ＴＳ的 参 数 范 围 内进 行 了 数 值 计 算 ， 果 表 明 ： 于 质 量 较 轻 的负 载 ， 波 结 对 激 加 热 足 产 生 辐 射 的 主 要 原 因 ； 于 质 量 较 重 的负 载 ， 对 辐射 南激 波加 热 和绝 热 压 缩 共 同 主导 。激 波 加 热 功 率 与 绝 热 疗 缩 功 率 之 比随 丝 阵 质 量 增 大 而 减 小 。烧 蚀 产生 的先 驱 质 世 减 弱激 波加 热 ， 峰 值 功 率 的 提 高 不 利 ， 这 部 ｛ 对 但 分 质 量能 抑 制 磁 瑞 利一 勒 不 稳 定 性 。因 此 综 合 激 波 加 热 干 磁 瑞 利一 勒 不 稳 定 性 两 方 面 的 考 虑 ， 该 存 在 一 泰 ¨ 泰 应
丁广 ＾］、
（
、
、 Ｌ …
，
） ｇ Ｃ～・ｓ 其中 系 ＝ ． ０４ 指 ＝ ～ 均 象系 ｌ 等离子 ・ｍ ｎ～， 定标 数ａ Ｏ２ ．， ～ 定标 数志 １ ２ 为唯 数，为 Ｄ 体密
ｚ箍 缩 物理 研 究 。在 “ 加 速 器 和 Ｐ 阳” ＴＳ的 参 数 范 围 内进 行 了 数 值 计 算 ， 果 表 明 ： 于 质 量 较 轻 的负 载 ， 波 结 对 激 加 热 足 产 生 辐 射 的 主 要 原 因 ； 于 质 量 较 重 的负 载 ， 对 辐射 南激 波加 热 和绝 热 压 缩 共 同 主导 。激 波 加 热 功 率 与 绝 热 疗 缩 功 率 之 比随 丝 阵 质 量 增 大 而 减 小 。烧 蚀 产生 的先 驱 质 世 减 弱激 波加 热 ， 峰 值 功 率 的 提 高 不 利 ， 这 部 ｛ 对 但 分 质 量能 抑 制 磁 瑞 利一 勒 不 稳 定 性 。因 此 综 合 激 波 加 热 干 磁 瑞 利一 勒 不 稳 定 性 两 方 面 的 考 虑 ， 该 存 在 一 泰 ¨ 泰 应
丁广 ＾］、
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，
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丝阵Z箍缩实验1维X光辐射功率分布
瑞 利 一 勒 不 稳 定 性 的抑 制 作 用 ，４ ＋２ ） 双层 钨丝 阵 比 ６ 泰 （０ ０ 根 Ｏ根 单 层 钨 丝 阵 的 内 爆 轴 向 同 步 性 好 ， 生 的 Ｘ 光 产
辐射功率 高； 由于 负 载 存 在 弯 曲 、 丝 、 曲等 现 象 ，６ ＋３ ） 双 层 钨 丝 阵 比 ９ 单 层 钨 丝 阵 的轴 向 同 步 优 断 扭 （Ｏ ０ 根 Ｏ根 势 不 明 显 ； 向同 步 性 好 与 辐 射 功 率 高 之 间存 在 相 关 性 ； 射 波 形 前 沿 较 快 时 ， 轴 辐 Ｘ光 功 率 较 高 。 关 键 词 ： Ｚ箍 缩 ； 丝 阵 ； 时 空 分 辨 ； Ｘ光 辐 射 诊 断 ； 功 率 分 布 ； 等 离 子 体
中 图 分 类 号 ： ０５ ２ １ ３．３ 文 献标 识 码 ： Ａ
在 Ｓｎ ｉ ａ ｄａ实验室 Ｚ装 置驱 动 的丝阵 Ｚ箍缩 实验 中 ， ｘ光 辐射 能量 达 到 ２ＭＪ 辐射 功率 超过 ２ ０Ｔ ， 生 ， ０ ｗ 产 的强 ｘ光辐 射环境 可 用于 Ｉ Ｆ 辐射计 量 、 Ｃ 、 实验 室天 体物 理学研 究 以及 其 它一些 高能 高密度 物 理等 领域 ［‘。Ｚ １ ’ ］ 箍缩 等离 子体 内爆 过程 中瑞利一 勒不 稳定 的发展 将 引起 内爆 的不 同步 和不 均匀 ， 泰 是影 响 ｘ 光辐 射波 形前沿 上 升 时 间与 ｘ 光 辐射 功 率提 高 的一个 重 要 因素［ ］ 已有 的研 究 成 果表 明［１ ， 当增 加 丝 阵 中金 属 细 丝数 量 ３。 ９２ 适 －］ （ 当减 小细 丝之 间 的间隙 ） 改善 负 载 均 匀性 和 结 构将 很 大 程 度 上抑 制 不 稳定 的发 展［‘。在 Ａｎ ａａ５１装 适 、 ３］ ’ ｇ ｒ－— 置 上进行 的实验 中 ， 用单 层 丝 阵 、 层 丝 阵与 圆 台丝 阵作 为 负 载 ， 采 双 改善 内爆 的均匀 性 与 同 时性 ， 高 了 ｘ光 提 辐射 功率 ； 且利 用 １ 时 空分辨 ｘ光 成像 系统 诊 断等离 子 体 内爆 过 程 中 ｘ光 辐 射 功 率 的 １维 空 间 分布 （ 并 维 轴 向分布 ） 和时 间演 化信 息 ， 内爆 同步 性和 均匀性 的研 究提 供 了必 不可少 的实验依 据 。 为
辐射功率 高； 由于 负 载 存 在 弯 曲 、 丝 、 曲等 现 象 ，６ ＋３ ） 双 层 钨 丝 阵 比 ９ 单 层 钨 丝 阵 的轴 向 同 步 优 断 扭 （Ｏ ０ 根 Ｏ根 势 不 明 显 ； 向同 步 性 好 与 辐 射 功 率 高 之 间存 在 相 关 性 ； 射 波 形 前 沿 较 快 时 ， 轴 辐 Ｘ光 功 率 较 高 。 关 键 词 ： Ｚ箍 缩 ； 丝 阵 ； 时 空 分 辨 ； Ｘ光 辐 射 诊 断 ； 功 率 分 布 ； 等 离 子 体
中 图 分 类 号 ： ０５ ２ １ ３．３ 文 献标 识 码 ： Ａ
在 Ｓｎ ｉ ａ ｄａ实验室 Ｚ装 置驱 动 的丝阵 Ｚ箍缩 实验 中 ， ｘ光 辐射 能量 达 到 ２ＭＪ 辐射 功率 超过 ２ ０Ｔ ， 生 ， ０ ｗ 产 的强 ｘ光辐 射环境 可 用于 Ｉ Ｆ 辐射计 量 、 Ｃ 、 实验 室天 体物 理学研 究 以及 其 它一些 高能 高密度 物 理等 领域 ［‘。Ｚ １ ’ ］ 箍缩 等离 子体 内爆 过程 中瑞利一 勒不 稳定 的发展 将 引起 内爆 的不 同步 和不 均匀 ， 泰 是影 响 ｘ 光辐 射波 形前沿 上 升 时 间与 ｘ 光 辐射 功 率提 高 的一个 重 要 因素［ ］ 已有 的研 究 成 果表 明［１ ， 当增 加 丝 阵 中金 属 细 丝数 量 ３。 ９２ 适 －］ （ 当减 小细 丝之 间 的间隙 ） 改善 负 载 均 匀性 和 结 构将 很 大 程 度 上抑 制 不 稳定 的发 展［‘。在 Ａｎ ａａ５１装 适 、 ３］ ’ ｇ ｒ－— 置 上进行 的实验 中 ， 用单 层 丝 阵 、 层 丝 阵与 圆 台丝 阵作 为 负 载 ， 采 双 改善 内爆 的均匀 性 与 同 时性 ， 高 了 ｘ光 提 辐射 功率 ； 且利 用 １ 时 空分辨 ｘ光 成像 系统 诊 断等离 子 体 内爆 过 程 中 ｘ光 辐 射 功 率 的 １维 空 间 分布 （ 并 维 轴 向分布 ） 和时 间演 化信 息 ， 内爆 同步 性和 均匀性 的研 究提 供 了必 不可少 的实验依 据 。 为
快Z-箍缩――有前景的聚变能源新途径
1999 年 1 月圣地亚进行了 Z−pinch 驱动产生的 X 光由初级黑腔向次级黑腔输运的实验，测得有近 60 %以上 X 光注入次级黑腔；同年 8 月，完成了验 证左右两端进入次级腔 X 辐射的同时性和重复性 实 验 ， 发 现 左 右 同 步 内 爆 时 间 差 小 于 1 ns ； 2002—2004 年间[4~8]用钨丝阵作了大量的实验，获 得了许多物理结果。其中用双层箍缩靶获小囊压缩 比 14~21；为增加辐射压缩均匀性对称性，采用两 边“填片”技术，获压缩均匀性达 1 %~2 %。同时用 Beamlet 作为背光 X 光源进行 X 光照相，获得了小 囊对称压缩的清晰图像。
快 Z-箍缩——有前景的聚变能源新途径
彭先觉，华欣生
（中国工程物理研究院, 四川绵阳 621900）
[摘要] 简要介绍了快Z−箍缩的基本概念；综述了快Z−箍缩等离子体研究及其作为高能密度物理与惯性约束聚变 （ICF），尤其作为低成本聚变能源研究的最新进展；探讨了快Z−箍缩驱动ICF作为聚变能源可能遇到的技术问题及 应用前景。 [关键词] 快 Z−箍缩内爆; 高能密度物理; 惯性约束聚变; 聚变能源 [中图分类号] O532 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742(2008)01-0047-07
20世纪中叶早期的可控热核研究就试图用这种方法来实现热核反应经过一番变换之后在磁流体力学中把洛仑兹力变成了磁压形式即数十兆安电流可以产生数百万大气压的向心推力使负载迅速获得10cms以上高速度电磁收稿日期20070529基金项目国家自然科学基金重点资助项目10375010作者简介彭先觉1941男湖南湘潭县人中国工程院院士中国工程物理研究院研究员主要从事核物理及应用研究
1.4 关于驱动器
用于上述目的的 Z−Pinch 驱动器，应是快上升
快 Z-箍缩——有前景的聚变能源新途径
彭先觉，华欣生
（中国工程物理研究院, 四川绵阳 621900）
[摘要] 简要介绍了快Z−箍缩的基本概念；综述了快Z−箍缩等离子体研究及其作为高能密度物理与惯性约束聚变 （ICF），尤其作为低成本聚变能源研究的最新进展；探讨了快Z−箍缩驱动ICF作为聚变能源可能遇到的技术问题及 应用前景。 [关键词] 快 Z−箍缩内爆; 高能密度物理; 惯性约束聚变; 聚变能源 [中图分类号] O532 [文献标识码] A [文章编号] 1009-1742(2008)01-0047-07
20世纪中叶早期的可控热核研究就试图用这种方法来实现热核反应经过一番变换之后在磁流体力学中把洛仑兹力变成了磁压形式即数十兆安电流可以产生数百万大气压的向心推力使负载迅速获得10cms以上高速度电磁收稿日期20070529基金项目国家自然科学基金重点资助项目10375010作者简介彭先觉1941男湖南湘潭县人中国工程院院士中国工程物理研究院研究员主要从事核物理及应用研究
1.4 关于驱动器
用于上述目的的 Z−Pinch 驱动器，应是快上升
丝阵Z箍缩1维X射线辐射功率分布的数据处理
工 具之 一 。用底 片记 录时 ， 片 的非 线性 能 量 响应使 得 图像 失 真较 为严重 ， 底 即使 利用 模 拟能 响 函数进 行处 理 以
后 也无法 充 分满 足研 究 的需要 Ｌ ； ６ 改用 Ｃ Ｄ代 替底 片记 录可 以获 得数 字 化 、 供 直 接分 析 的 Ｘ射线 辐 射 功率 Ｃ 可
在 ０ １ １ ２ｋ Ｖ 之 间 的软 Ｘ射 线辐 射 的 能谱 响 应 是平 ． ～ ． ｅ
坦的， 因此荧 光板 发 出的荧光 强 度 不依 赖 于 Ｘ 射线 辐 射 能谱 而是 与 辐射 功 率成 线 性关 系 ， 像 增 强 器 放 大 后 被 经 Ｃ Ｄ记 录从 而 得 到 １维 时 空 分 布 的 Ｘ 射 线 辐 射 功 率 图 Ｃ
合 效率 不均 匀 性 的影 响 以还原 Ｘ射 线辐 射 功 率 的 １ 时 空分 布信 息 ， 与 Ｘ射 线 功率 谱 仪获 得 的辐 射脉 冲 波 维 并
形 进行 比较 ， 以判 断处 理结果 的 可信 程度 。
１ Ｘ射 线 辐 射 功 率 １ 时 空分 布 图 像 的 获 取 维
１维 时空分 辨 Ｘ 射 线 功率 成 像 系统 如 图 １所 示 ， 箍 缩过程 中产 生 的 软 Ｘ射 线 辐 射 经 过 一个 垂 直 于 金 属 丝 阵轴 向 的狭缝 ， ｒ 向积 分 后 成 像 在 闪 烁 体 上 转 换 成 沿 方 可见光 辐 射 ， 闪烁 体 紧贴 １ 维光 纤 阵列 ， 可见 光 辐射 传 将 输 到条 纹 相机 光 阴极 上 ， 转换 成 １ 线 分布 的光 电子 流 ， 维 光 电子 流经 过 条纹 相 机 内 随时 间 变 化 的 偏 转 电场 ， 不 在 同时刻 打在 荧光 板 上不 同的位置 。由于 该 闪烁 体对 能量
丝阵Z箍缩可见光辐射特性
１ 可 见 光探 测 系 统
实验 所 用可见 光探 测 系统 结 构 如 图 １所 示 。该 系 统 使 用快速 硅 可 见 光探 测 器探 测 信 号 ， 在探 头前 加 入 可 透
过 可见 光 的石英玻 璃来 过 滤 其他 波 段 辐射 的影 响 。使 用
多模 光纤 收集 和传 输信 号 ， 使 用高 灵 敏 、 快 上 升沿 光 电二 极 管结合 宽 带示波 器来 完 成 光 电转 换 盒信 号 记 录 。该 系
见 光 探测 系统 ， 并 利 用 该 系 统 对 丝 阵 ｚ箍 缩 等 离 子 体 内 爆 可 见 光 辐 射 特 性 进 行 了研 究 。实 验 结 果 显 示 ， 可 见 光
辐 射 在 内爆 开 始 时 就 已 经存 在 ， 其波形与 ｘ射线辐射波形存在差异 ， 在 辐射波形 的主峰前存在所 谓的“ 拐点” 。
分析表明 ， 在 内爆 滞 止 前 ， 丝 阵 ｚ箍 缩 中单 丝 箍 缩 现 象 和 预 箍 缩 等 离 子 体 对 可 见 光 辐 射 贡 献 很 大 ， 而 整 体 内 爆 开始 时单 丝 附 近 的 局域 磁 场 消 失 是 可 见 光 辐 射 波 形 存 在 “ 拐点” 的主要原因 。
的作用 下 向轴线 运动 并最终 在轴 线滞 止形 成 稳 定 的先 驱 等 离子 体 柱 ， 这 一 时 间大 致 占整 个 内爆 时 间 的 ７ ０ ， Ｌ ｅ ｖ ｅ ｄ ｅ ｖ等人 提 出了一个 简单 的 唯象模 型一 火 箭模 型来 描述 丝 阵 Ｚ箍 缩 的 消 融过 程 ； 之后 ， “ 芯” 等 离 子 体 消耗 殆尽 ， 单 丝 附近局 域磁 场消 失 ， 整体 内爆 开始 ， 由于 丝阵 内部 消融 等离子 体存 在径 向 的质 量分 布 ， 故 而可 以使用 雪 耙模 型来 描 述此 时 的动力 学 过程 ； 最终， 等 离子 体 壳在 轴线 附近 发生 碰撞 并 产生 强 Ｘ 射线 辐射 。本 文利 用
Z箍缩等离子体K壳层X射线自辐射单色成像
摘
要 ： 采 用 针 孔 配接 对 数 螺 线 柱 面 晶体 方 案 ， 制 了一 种 小 型 、 室 内 置 ｘ 射 线 单 色 成 像 器 ， 于 获 研 靶 用
取 ｚ箍 缩 等 离 子 体 Ｋ 壳 层 自辐 射 单 色 图像 。在 阳加 速 器 上 对 该 成 像 器 进 行 了 测 试 ， 功 地 获 取 了铝 丝 阵 负 载 成 ｚ箍 缩 等 离 子 体 Ｋ 壳 层 自辐 射 的 类 氢 线 与 类 氦线 单 色 图 像 。实 验 结 果 表 明 ： 成 像 器 具 有 优 异 的 单 色 性 （ 谱 该 能 带 宽 小 于 １ｅ ， 合 于 中低 原 子 序 数 ｚ箍 缩 内 爆 负 载 的 特 征 谱 线 单 色 图像 诊 断 。 Ｖ） 适 关 键 词 ： ｚ箍缩 ； ｘ 射 线 ； 等 离 子 体 ； 单 色 成 像 ； 对 数 螺 面 晶 体
用 狭缝 或 针孔 加滤 片 配接掠 入 射单 质平 面镜 或 多层 膜平 面镜 的窄带成 像 方法 ｌ ， 原理 是利 用滤 片 的 吸收 边 ３ 其
和掠 入射 镜对 高 能辐射 的抑制 作用 而实 现 减小 能谱 带宽 的 目的 。但 目前 这些 方法 所 能实 现 的能谱 带宽还 是 不
够 窄 的 ， 只 限于 对低 能 区连续 谱 的诊 断 ， 且 尚未 实现 对 高 能 区 Ｋ 壳 层 、 Ｌ壳 层 或 Ｍ 壳 层 特 征 ｘ 射线 的单 色 成
像 诊 断 。 由于特征 Ｘ射 线 辐射 是获 得 等离子 体 温度 和 密度 时空 分布 的 一个 有 效途 径 ， 是 理解 内爆物 理 过 程 也
针孔 ， 则从 源 发 出 的 ｘ 射 线 经 过 针 孔 后 打 在 晶 体 上
的 布拉格 掠 入射 角 处 处 相 同 ， 据 布 拉 格 衍 射 条 件 根
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中图 分 类 号 ： ＴＬ ５ ６ 文献标志码 ： Ａ ｄ ｉ１ ． ７ ８ ＨＰ Ｐ ２ １ ２ ０ ． ５ ９ ｏ ：０ ３ ８ ／ Ｌ Ｂ ０ ２ ４ ３ ０ ３
ｚ箍缩 是等离 子体 箍缩 中的一 种 ， 它利用 流过 金属 丝阵 的轴 向 电流 所产 生 的磁场来 压 缩等 离子 体 ， 最终 并
ｘ射 线点 源 。 当脉 冲 功 率 装 置 输 出 的大 电流 流 过 这 两 根 交叉 细 丝
时 ， 叉点 处形成 等离 子体并 向外 膨胀 ， 后在 磁 压力 的作 用 下会 迅 交 然 速 向内箍 缩 形成 长 为数 百 ｍ 的高 密度 ｚ箍 缩 等离 子 体 ， 最终 辐 射 出强 Ｘ 射线脉 冲 。Ｘ箍缩 是 高 品 质 的 Ｘ 射 线 辐射 点 源 ， 有 位 置 具 确 定 、 间尺 度小 、 空 辐射 脉宽 窄 、 辐射 光 子穿透 能力 强等 优点 。 ］ 单丝 Ｚ箍 缩背光 照相 的实 验 安装 结 构 示 意 图如 图 ２ ａ 所 示 ， （） Ｘ
像进 行定量 数据 处理 得到 了 ｚ箍 缩发展 的质 量消 融率 和丝 芯膨胀 率等 重要 参数 。
ｌ 实 验 安 排
实验 中利用 的脉 冲功率 装 置为清 华大 学气 体 放 电与 等离 子体 实 验室研 制 的 脉 冲 功 率 发 生 器 Ｐ Ｇ 工， 输 出参 数 为 ： ０ Ａ， ０ Ｐ 一 其 ４０ｋ ５０
脉 冲功率 装置 为 ｘ箍 缩 负载提供 脉 冲大 电流 ， 用形 成 的 ｘ射线 点 源对 单 丝或 多 丝 ｚ箍 缩进 行 背 光成 像 ， 利 获
取 了 Ｚ箍缩 放 电早 期发 展过 程 的一 系列 图像 ， 包括 单 丝 电爆 炸 、 芯膨 胀及 先驱 等离 子体 形成 等过 程 ， 丝 并对 图
响 了 Ｘ射 线辐 射能力 和 电能一 Ｘ射线转 换效 率＿ 。所 以对 Ｚ箍缩早 期发 展过 程 以及 Ｒ Ｔ不 稳定 性 的形 成 和发 ２ ］ —
展等 问题 的研 究将有 利 于深入 理解 ｚ箍缩 的发展 过程 ， 也有 助 于对 Ｚ箍 缩 的动 力学 过程 进 行仿 真模 拟 。国际
上 普遍采 用 Ｘ射线 背光 照相对 Ｚ箍 缩 发展 进 行 光 学诊 断 研究 ， 取 得 一 系列 研 究 成 果＿ ］ 并 ３ 。本 文 利用 Ｐ Ｇ Ｉ 。 Ｐ —
第 ２ ４卷第 ３期
２１ ０ ２年 ３月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖ ｏ１ ２ ． ４，Ｎ Ｏ ３ ．
Ｍ ａ ．， ２ １ ｒ ０ ２
文章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ３０ ３ — ５ ０ １ ４ ２ （ ０ ２ ０ — ５ ９ ０
辐 射 出强 Ｘ射 线脉 冲 。在脉 冲大 电流作用 下 ， Ｚ箍 缩 的发 展过 程 主要 分 为起始 阶段 、 内爆 阶段 和滞 止 阶段＿ 。 １ ］
ｚ箍缩研 究发 现 ： ｚ箍缩 等离 子体 的 Ｒ ｙｅ ｈＴａ ｌｒＲ Ｔ） 稳定 性过 早地 破坏 了平 衡箍 缩状 态 ， 而大 大影 ａ ｌｉ — ｙｏ （ — 不 ｇ 从
ｋ １ ０ｎ 。主要 由 Ｍａｘ发 生 器 、 阻抗 为 １ ２ 的水 介 质 脉 冲 Ｖ，０ ８ ｒ 波 ． ５Ｑ
１ａ ｏｄ
ｐｕｌ ｅ ｓ ｐｕ ｓ ｌｅ
ｔ ｎ ｍｉｓｏ ｒ ｓ ｓｉｎ ａ ｌ ｅ ｉ ｎ
ｆｒ ｎ ｏ ｍｉ ｇ ‘ ｓ ｔｈ ｗｉ ｌ ｅ ｃ ｉ ｎ
为 清 华 大 学 电机 系 研 制 的 脉 冲 功 率 装 置 Ｐ Ｇ Ｉ（０ Ｖ ４０ｋ ／ ０ ｓ 。成 像 光 路 安 排 为 ： 为 ｘ射 线 源 的 Ｐ — ５０ｋ ／ ０ Ａ １ ０ｎ ） 作 ｘ箍 缩 和 作 为 目标 物 的单 丝 或 多 丝 （ 丝 ） 双 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 、 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 高 的电 流 进 行 监 测 。为 了 测定 目标 物金 属 细 丝 的 质量 消 融 率 ， 计 了 ｍ 级 厚 度 的 阶 梯 光 楔 。 通 过 大 量 成 像 实 设 验 ， 取 了 Ｚ箍 缩 等 离 子 体 融 合 、 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 、 获 先 丝芯膨胀率等重要定量参数 。 关 键 词 ： ｚ箍 缩 ； ｘ射 线 背 光 照 相 ； Ｘ箍 缩 ； 丝 芯 膨 胀 率 ； 质 量 消 融 率
Ｆｉ． Ｖｉｗ ｆＰＧ— Ｐ Ｉ实 物 图
单 丝 及 多 丝 Ｚ箍 缩 的 Ｘ 射 线 背 光 成 像
朱鑫磊， 张 然 ， 罗海云 ， 赵山 ， 邹晓兵， 王新新 山
（ 华 大学 电机 工 程 与 应 用 电子 技 术 系 ，北 京 １ ０ ８ ） 清 ０ ０ ４
摘
要 ： 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 ， 验 平 台 实
Ｍ ａｘ ｒ ｇ ｎ ｒｔ ｒ ｅ ｅａｏ
形成 线 （ Ｆ ） 主开关 （ Ｆ 气 体绝 缘 的 Ｖ／ 开关 ） １ ２ 的水 介 ＰＬ、 Ｓ。 Ｎ 、 ． ５Ｑ
质脉 冲传输 线 （ ＴＬ 和负载 构成 ， １为 Ｐ Ｇ 工的实物 图 。 Ｐ ） ］图 Ｐ 一 实验 中对双 丝 Ｚ箍缩 进行 背光 照相 的是双 丝 Ｘ箍 缩箍 缩形成 的
ｚ箍缩 是等离 子体 箍缩 中的一 种 ， 它利用 流过 金属 丝阵 的轴 向 电流 所产 生 的磁场来 压 缩等 离子 体 ， 最终 并
ｘ射 线点 源 。 当脉 冲 功 率 装 置 输 出 的大 电流 流 过 这 两 根 交叉 细 丝
时 ， 叉点 处形成 等离 子体并 向外 膨胀 ， 后在 磁 压力 的作 用 下会 迅 交 然 速 向内箍 缩 形成 长 为数 百 ｍ 的高 密度 ｚ箍 缩 等离 子 体 ， 最终 辐 射 出强 Ｘ 射线脉 冲 。Ｘ箍缩 是 高 品 质 的 Ｘ 射 线 辐射 点 源 ， 有 位 置 具 确 定 、 间尺 度小 、 空 辐射 脉宽 窄 、 辐射 光 子穿透 能力 强等 优点 。 ］ 单丝 Ｚ箍 缩背光 照相 的实 验 安装 结 构 示 意 图如 图 ２ ａ 所 示 ， （） Ｘ
像进 行定量 数据 处理 得到 了 ｚ箍 缩发展 的质 量消 融率 和丝 芯膨胀 率等 重要 参数 。
ｌ 实 验 安 排
实验 中利用 的脉 冲功率 装 置为清 华大 学气 体 放 电与 等离 子体 实 验室研 制 的 脉 冲 功 率 发 生 器 Ｐ Ｇ 工， 输 出参 数 为 ： ０ Ａ， ０ Ｐ 一 其 ４０ｋ ５０
脉 冲功率 装置 为 ｘ箍 缩 负载提供 脉 冲大 电流 ， 用形 成 的 ｘ射线 点 源对 单 丝或 多 丝 ｚ箍 缩进 行 背 光成 像 ， 利 获
取 了 Ｚ箍缩 放 电早 期发 展过 程 的一 系列 图像 ， 包括 单 丝 电爆 炸 、 芯膨 胀及 先驱 等离 子体 形成 等过 程 ， 丝 并对 图
响 了 Ｘ射 线辐 射能力 和 电能一 Ｘ射线转 换效 率＿ 。所 以对 Ｚ箍缩早 期发 展过 程 以及 Ｒ Ｔ不 稳定 性 的形 成 和发 ２ ］ —
展等 问题 的研 究将有 利 于深入 理解 ｚ箍缩 的发展 过程 ， 也有 助 于对 Ｚ箍 缩 的动 力学 过程 进 行仿 真模 拟 。国际
上 普遍采 用 Ｘ射线 背光 照相对 Ｚ箍 缩 发展 进 行 光 学诊 断 研究 ， 取 得 一 系列 研 究 成 果＿ ］ 并 ３ 。本 文 利用 Ｐ Ｇ Ｉ 。 Ｐ —
第 ２ ４卷第 ３期
２１ ０ ２年 ３月
强 激 光 与 粒 子 束
Ｈ Ｉ Ｈ ＰＯＷ ＥＲ ＬＡ ＳＥＲ Ａ Ｎ Ｄ ＰＡ ＲＴ Ｉ Ｇ ＣＬＥ ＢＥＡ Ｍ Ｓ
Ｖ ｏ１ ２ ． ４，Ｎ Ｏ ３ ．
Ｍ ａ ．， ２ １ ｒ ０ ２
文章 编 号 ： １ ０ — ３ ２ ２ １ ） ３０ ３ — ５ ０ １ ４ ２ （ ０ ２ ０ — ５ ９ ０
辐 射 出强 Ｘ射 线脉 冲 。在脉 冲大 电流作用 下 ， Ｚ箍 缩 的发 展过 程 主要 分 为起始 阶段 、 内爆 阶段 和滞 止 阶段＿ 。 １ ］
ｚ箍缩研 究发 现 ： ｚ箍缩 等离 子体 的 Ｒ ｙｅ ｈＴａ ｌｒＲ Ｔ） 稳定 性过 早地 破坏 了平 衡箍 缩状 态 ， 而大 大影 ａ ｌｉ — ｙｏ （ — 不 ｇ 从
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ｐｕｌ ｅ ｓ ｐｕ ｓ ｌｅ
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ｆｒ ｎ ｏ ｍｉ ｇ ‘ ｓ ｔｈ ｗｉ ｌ ｅ ｃ ｉ ｎ
为 清 华 大 学 电机 系 研 制 的 脉 冲 功 率 装 置 Ｐ Ｇ Ｉ（０ Ｖ ４０ｋ ／ ０ ｓ 。成 像 光 路 安 排 为 ： 为 ｘ射 线 源 的 Ｐ — ５０ｋ ／ ０ Ａ １ ０ｎ ） 作 ｘ箍 缩 和 作 为 目标 物 的单 丝 或 多 丝 （ 丝 ） 双 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 、 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 高 的电 流 进 行 监 测 。为 了 测定 目标 物金 属 细 丝 的 质量 消 融 率 ， 计 了 ｍ 级 厚 度 的 阶 梯 光 楔 。 通 过 大 量 成 像 实 设 验 ， 取 了 Ｚ箍 缩 等 离 子 体 融 合 、 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 、 获 先 丝芯膨胀率等重要定量参数 。 关 键 词 ： ｚ箍 缩 ； ｘ射 线 背 光 照 相 ； Ｘ箍 缩 ； 丝 芯 膨 胀 率 ； 质 量 消 融 率
Ｆｉ． Ｖｉｗ ｆＰＧ— Ｐ Ｉ实 物 图
单 丝 及 多 丝 Ｚ箍 缩 的 Ｘ 射 线 背 光 成 像
朱鑫磊， 张 然 ， 罗海云 ， 赵山 ， 邹晓兵， 王新新 山
（ 华 大学 电机 工 程 与 应 用 电子 技 术 系 ，北 京 １ ０ ８ ） 清 ０ ０ ４
摘
要 ： 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 ， 验 平 台 实
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形成 线 （ Ｆ ） 主开关 （ Ｆ 气 体绝 缘 的 Ｖ／ 开关 ） １ ２ 的水 介 ＰＬ、 Ｓ。 Ｎ 、 ． ５Ｑ
质脉 冲传输 线 （ ＴＬ 和负载 构成 ， １为 Ｐ Ｇ 工的实物 图 。 Ｐ ） ］图 Ｐ 一 实验 中对双 丝 Ｚ箍缩 进行 背光 照相 的是双 丝 Ｘ箍 缩箍 缩形成 的