Z-pinch X射线时间分辨多幅图像诊断系统

    高功率Z-pinch装置可产生强X射线脉冲,在材料和器件的辐照特性、可控聚变和纳米光刻技术等研究方面有重要的应用前景。在Z-pinch等离子体X射线图像诊断方面,国际上已经开展了许多研究工作: Sandia在Saturn装置上配置了两套时间分辨的软X射线针孔相机,一套为小模式针孔相机(SFPHC),用25Lm的铍窗过滤,对能量在1keV以上的光子灵敏;另一套为大模式针孔相机(LFPHC),能量响应范围在200~300eV和1keV以上,用5.6Lm的Kimfol膜过滤[1];英国在MAGPIE装置上也配备了时间分辨的针孔相机[2],空间分辨为0.3~1mm。我国在/神光II0激光聚变装置上配备了ps级的软X射线分幅相机,能量响应范围为0.1~10keV[3]。本文介绍一种时间分辨为ns级的X射线时间多幅图像诊断系统,它主要用于研究Z-pinch等离子体箍缩末期和崩毁阶段软X射线辐射场空间分布及时间演化,给出等离子体发光区域的箍缩和扩张的速度、压缩比、不稳定性的发展等信息。具体介绍了该系统的结构,主要技术指标和最新的实验结果。

    1 系统结构及主要性能指标

    本系统是针对西北核技术研究所的/强光一号0高功率脉冲装置设计的。目前该装置是国内最强的Z-pinch辐射源,驱动电流为1.5MA左右,脉宽70~80ns; X射线能量范围在50~1 200eV,脉冲半高宽约为30ns;软X射线辐射总能量60kJ左右[4,5]。如图1所示,/强光一号0装置上配备的诊断系统包括5个X射线二极管(XRD),经不同的吸收片过滤,记录5个不同能区的X射线时间谱[5];一套时间积分的X针孔相机,用铝化mylar膜记录图像;一套时间分辨的X射线弯晶谱仪[7]和一套时间分辨的X射线相机。

    时间分辨软X射线相机的结构示意图如图2所示,包括针孔阵列,吸收片,软X射线微带像增强器,用CCD相机记录图像,像素阵列为768@576。像增强器的光阴极为4条宽7mm的镀金微带,有效工作区域<40mm。每条微带对应一路快门脉冲,两个针孔,可以成2幅图像,微带之间利用电缆延迟控制开门时刻。快门脉冲在微带上的传播速度为1.53@108m/s[8],同一微带上两图像的时间差约为118ps。如果在两针孔后加不同的吸收片,两幅图像可对应不同的能段。

    1.1 能谱响应

    系统的能谱响应主要取决于吸收片透过率和金阴极的量子产额随射线能量的变化。金阴极对100eV~10keV的光子响应,其能谱响应特性如图3(虚线)所示[6]。吸收片对光子能量为E的X射线的总质量衰减系数为

    式中:E为X射线光子能量;ai为吸收片中第i种组分的重量百分比;Lim(E)为吸收片中第i种组分对能量为E的X射线的质量衰减系数。系统选用的吸收片为2Lm厚的mylar膜。Mylar膜属聚酯类膜,其各种元素的组分比例为CBHBO=10B8B4,密度为1.5~1.8g/cm3。根据(1)式和参考文献[9,10]中不同元素的质量衰减系数表,计算出2Lm厚的mylar膜对应不同能量光子的总质量衰减系数,进而计算出其透过率随光子能量的变化曲线如图4所示。从图中可以得出,系统主要对150~300eV和550eV以上的光子成像。