X箍缩背光照相

　　 Z箍缩(Z-pinch)的基本原理是利用脉冲高电压大电流放电产生等离子体,等离子体在大电流自磁场的作用下轴向箍缩,形成高温高密度等离子体,产生X射线脉冲[1]。近年来对于Z箍缩的研究发现,Z箍缩展示出超强的X射线辐射能力和电能-X光转换效率[2-3],其辐射的强X射线脉冲可用于驱动氘氚靶丸进行惯性约束聚变(ICF)研究。目前,丝阵负载对Z箍缩影响的物理机制还存在许多待研究的问题,最直接方法是用激光干涉测量等离子体的时空分布,但常规的激光难以穿透Z箍缩金属丝阵负载产生的高密度等离子体,并且由于该等离子体的大密度梯度而被散射。因此,最佳的选择是高时空分辨的X射线背光照相。X箍缩(X-pinch)是Z箍缩丝阵的简单变形,它将两根(或多根)金属细丝交叉并接触于一点,作为放电负载连接于脉冲功率装置于阴阳极之间。当脉冲大电流通过时,就可能在交点处产生高温度、高密度的箍缩等离子体。X箍缩等离子体是高质量的X射线辐射点源,具有点源位置确定、空间尺度小、辐射脉宽窄等优点,非常适合作为X射线背光光源对快速变化的高密度场进行背光成像[4-7]。本文利用PPG-Ñ脉冲功率装置(500 kV,400 kA,100 ns)驱动X箍缩负载,所获得的X箍缩点源对目标X箍缩进行背光成像,获取了X箍缩发展过程的系列图像;同时对丝阵Z箍缩放电起始阶段进行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。

　　1 X箍缩背光照像实验

　　清华大学气体放电与等离子体实验室研制的脉冲功率装置PPG-1主要由Marx发生器、波阻抗为1.258的水介质脉冲形成线(PFL)、主开关(SF6气体绝缘的V/N开关)、1.258的水介质脉冲传输线(PTL)和负载构成,图1为PPG-Ñ实物图。

 　 X箍缩负载段采用同轴圆筒结构,以真空作为绝缘介质,负载段与脉冲传输线间以有机玻璃隔板相隔离。如图2所示,负载段主要包括内圆筒及其顶部的阴极、外圆筒及其顶部的阳极、连接于阴极和阳极之间的X箍缩负载和真空密封用的外腔体。

　  实验中,将两根25Lm钼丝X箍缩连接于负载段阴阳极间,两极间距为10 mm。多次实验发现,在X箍缩辐射阶段,常伴有多热点现象发生,国外有学者在研究中也发现了该现象[8]。多个点源对背光照相的效果会有一定的影响,在接下来的背光照相实验中,采用在阴阳极间X箍缩旁并联一根200Lm铜丝分流的方式,极大的提高了单X射线点源发射的概率。

 　 应用光导探测器(PCD)检测X箍缩辐射的X射线脉冲,并在PCD前覆盖厚度为50Lm的铍滤片以检测光子能量大于1.5 keV的辐射脉冲。采用Lecroy公司生产的SDA6020型示波器(带宽6 GHz,采样率20GS/s),记录X射线脉冲信号和流过丝负载的电流信号,测量结果如图3所示。辐射的光子能量大于1.5 keV的X射线脉冲平均能量为0.35 J。