高功率 Z箍缩
等离子体辐射诊断
? Z箍缩及其等离子体辐射特征
? 可见光及紫外光图像诊断
? 软 X射线图像诊断
? 软 X射线能谱诊断
? 辐射总功率测量
? 基础辐射诊断条件保障
? Z-pinch研究是从大电流放电和受控核聚变
研究中发展起来的, 它是指在强脉冲电流
驱动条件下, 线型负载 （ 柱型, 筒型 ） 电
离并在磁场作用下向轴线高速箍缩形成高
温, 高密度等离子体的过程 。
? 20世纪 50年代中期, 前苏联科学家就探索了利用
脉冲放电箍缩等离子体以实现可控热核聚变的可
能性 。 但由于受到界面不稳定性现象的影响和当
时技术条件所限, 未能获得较理想的结果 。 1995
年 Sandia 实验室在 Saturn 装置 (I ～ 7MA) 上 Z-
PinchX光功率由过去长期停留在 20TW增至了 85TW，
于是把原来 PBFA-II加速器改造用于 Z-Pinch研究,
使负载电流达到了 20MA,并于 1997年底获得了 X光
功率 290TW,X光能量 1.8MJ,黑腔辐射场温度约
155eV的具有里程碑性质的最新水平 。
? 高功率 Z-pinch研究具有重要的需求背景和
应用前景 。 首先, 它已成为目前最有效的
核爆 X射线辐射模拟源, 用于 X射线效应和
材料特性等抗辐射加固方面的研究 。 其次,
高功率 Z-pinch是实现惯性约束聚变 （ ICF）
的一种技术途径, 用于在实验室中研究核
聚变和核武器物理过程 。
ANGARA-5-1 Pulsed Power Facility
FIELD OF ACTIVITY,
? inertial confinement
fusion
? high energy density
physics
? x-ray matter
interaction
number of units 8
output pulse
energy 600 kJ
pulse duration 90 ns
pulse current 6 MA
pulse power 6 TW
shot per day 3-4
loads,gas puff,
wire array
z-pinch
ANGARA-5-1,TRINITI
S-300 Pulsed Power Facility
FIELD OF ACTIVITY,
o inertial confinement
fusion
o high energy density
physics
o x-ray matter interaction
number of units 8
output pulse
energy 300 kj
pulse duration 100 ns
pulse current 4 MA
output
impedance 0.15 Ohm
loads,gas puff,
wire array
z-pinch
Russian Research Centre,Kurchatov Institute”
Z箍缩的主要特征
? 时间 负载加压到等离子体崩毁约 200ns
? 温度 常温开始到上百万度
? 密度 1016 －－ 1022 e/cm3
? 速度 从静止到大于 107cm/s
? 辐射光谱不断变化，由最初的红外辐射过渡到可
见光辐射、紫外光辐射、软 X射线辐射
? 形状从初始电离、丝间融合、内爆、轴心先导等
离子体柱形成一直到等离子体柱轴心碰撞、绝热
压缩最后崩毁，等离子体的形状迅速变化
? 等离子体不稳定性发展，引起局部细节的微观结
构变化，以及等离子体温度、密度等参数的不均
匀性分布
E
等离子体软 X 射线能谱示意图
黑体谱
等离子体辐射谱
0
? 高功率 Z-pinch研究最关键的是如何控制等
离子体不稳定性, 提高辐射能量, 功率,
温度和效率 。
? Z-Pinch等离子体辐射诊断就是通过测量,
分析 Z-Pinch过程产生的辐射, 研究 Z-Pinch
的发生, 发展, 崩溃等的物理过程 。
? 研究每个阶段的过程, 必须针对该阶段主
要的辐射光谱进行多种图象诊断, 能谱光
谱诊断和辐射强度测量等诊断工作 。
可见光及紫外光图像诊断
? 研究等离子体内爆过程主要关心等离子体
壳层的均匀性和对称性。
?持续时间 100ns
?运动速度 107cm/s
?直径 2cm左右到直径 2mm左右
?发光光谱为可见光和紫外光
? 开展 时间分辨 可见光及紫外光图象诊断
辐射源 成像镜头 象增强器 耦合镜头 CC D 摄像机 图像采集计算机
辐射 监测探头 时间同步仪
时间分辨图像诊断系统原理图
光学系统 像增强器 CCD
计算机 快门控制 触发探头
被摄对象
d
d
?
R =R 0
NANO CAMERA SHOWS STAGES OF Z-PINCH HISTORY
THE PROFILE OF THE DEFORMED OUTER
BORDER ALLOW TO ESTIMATE DENSITY d
OF PLASMA ON AN EXTERNAL BORDER
POSITION,
ρ ? 1-2·10-4 g/cm3
OUTER BORDER
DEFORMATION
BEGINNING
OUTER BORDER
HAS DEFORMED,
INTERNAL
ARRAY WIRES
HAS NOT
DESTURBED
DEEP
DEFORMATION OF
OUTER BORDER,
THERE ARE NO
SEEN WIRE
TRACES
WIRES SUBSTANCE
IS COMPRESSED
ONTO ARRAY AXES,
SUBSTANCE IS
PRESENTED ON
INITIALBORDER
POSITION
APPROXIMATELY
MAXIMUM OF X-RAY
EMISSION,
SUBSTANCE IS
PRESENTED ON
INITIAL BORDER
POSITION
KI,TRINITI (A-5-1),CAEP - 2004
OUTER ARRAY
SURFACE
PERTURBATING
STARTED
d ~ Δ~0.5mm
-80 ns -60 ns -40 ns -10 ns -4 ns
软 X射线图像诊断
? 等离子体壳层加速运动到轴心后, 发生高速碰撞,
等离子体的整体运动动能转化为等离子体的随机
运动能量, 即形成高温高密度等离子体, 等离子
体温度达到几十万度到几百万度, 密度 1020电子
/cm3,主要向外辐射软 X射线, 能谱范围几十 eV
－几 keV。
? 此过程是 Z-Pinch的重要阶段, 等离子体的温度,
密度, 辐射总功率以及等离子体的空间形态都是
研究工作中极为关心的数据
? 软 X射线穿透能力极弱，几厘米的空气或几
微米的薄膜就可以完全吸收。
? 不能通过玻璃镜头、象增强器玻璃窗口
Au 微带
M C P
荧光屏
光纤面板 图 4,2 多微带 X 射线象增强器内部结构示意
图
?
L
1
L
2
F (x,y )
F ? (x ?,y ? )
d
l
O O ?
图 2, 2 厚针孔射线成像示意图
吸收片
快门脉冲
针孔阵列
微带
(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k ) (l) (m)
图 4.21 从等离子体在轴上碰撞到崩毁期间不同时刻的图像
阴极
阳极
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
50 150 250 350 450 550 650 750 850 950
光子能量 / eV
相对强度
Mylar Al
- 10ns 4 ns 18 ns
(a ) 吸收片为 2 ? m 铝化 m y l a r 膜 ( 针孔直径 1 0 0 ? m)
- 10ns 4 ns 18 ns
(b ) 吸收片为 1 ? m m y l a r 膜 + 0, 2 5 ? m 铝膜 ( 针孔直径
为 3 0 0 ? m)
2
9
m
m
2
9
m
m
阴极
阳极
阴极
阳极
X-ray ps multi-frame system
? Exposure time,1.5ns
? Frame dimension,5*9mm
? Spatial resolution,90 μ,150 μ,300 μ
? Range of energy response,0.2-10kev
X-ray ns multi-frame Image System
Typical x-ray ns multi-frame
images
shot,4072
Double tungsten
wire array:40/20
H15/D12/φ6μ
Aperture diameter,
φ100/50μm
3.06MA/65.29ns
1.39TW/28.85kJ/1
1.8ns。
Cathode
Anode
10mm
12mm
软 X射线能谱诊断
? 高温等离子体辐射的光子能谱包含了等离
子体温度、密度、电离状态、平衡状态等
大量信息，通过测量等离子体辐射能谱可
以推断许多重要参数，是等离子体研究中
的重要诊断手段。
E
图 2.1 1 等离子体软 X 射线能谱示意图
黑体谱
等离子体辐射谱
0
? 根据布拉格衍射公式,
n?=2dsin?
在特定的入射角条件下, 只有特定波
长的 X射线发生衍射, 式中 d为衍射晶体的
晶面间距
? 软 X射线波长 2－ 10nm
OHM晶体 2d＝ 6.35nm
TLAP晶体 2d＝ 2.55nm
?
B A
?
d ?
o
?
b
x x +d x
等离子体
弯晶
图 5,2 弯晶分光光路图
狭缝
弯晶
条形阴极象增强器
不同时刻的能谱
能量
空
间
分
辨
等离子体
空间、时间分辨能谱诊断
0513-1827原始图像
微带 1,OHM,+100V
微带 1,OHM,+50V
微带 3,TAP,+100V
微带 3,TAP,+50V
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38
X 射线能量（k e V ）
相对强度
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9
X 射线能量（k e V ）
相对强度
Schema of the mica crystal wide-range
X-ray spectrograph,? = 2-14 Angstroem
Te=300-400 eV is determined through
the Bremsstrahlung spectrum
X-RAY SPECTRUM OF IMPLODING Al ARRAY
X 光
L D
θ
光栏
光栅
MCP+ CC D
y
图 5.6 光栅谱仪配 M C P 测量原理图
透射光栅软 X射线谱仪
? 衍射光遵从光栅方程,
? dsinθ=mλ
? 用于软 X射线谱测量的透射光栅是由中国科
技大学同步辐射实验室制作的,材料为金 。
它是无底衬自支撑透射光栅,标称光栅周期
为 1050 L·mm-1 。 除了周期排列的金栅线
外,它还带有较宽的金支撑条结构 。 透射光
栅的占空比 a/d 为 0.325,光栅栅线厚度 z为
0.323μm
探头
光阑
门控电路
微带 MC P
象增强器
CCD
相机
计算机
显示器
电
缆
狭 缝
光栅
Measurement of The Soft X-Ray Spectrum
Scheme,
Slit
Grating
Cassette
Load
Transmission Grating Spectrometer
Results obtained on Angara-5-1
Spectrum of single array,by Russia
Tungsten Array Spectrum
(40 Wires,shot4063)
Tungsten Array Spectrum
(60 Wires,shot4080)
Results obtained on Angara-5-1
Spectrum of single tungsten array——by CAEP
Tungsten Array Spectrum
(48 Wires,shot4068)
Tungsten Array Spectrum
(60 Wires,shot4069)
辐射总功率测量
? 采用高纯镍材料研制了镍薄膜探测器, 脉
冲软 X射线辐照在 Ni薄膜表面, 薄膜吸收 X
射线能量, 温度升高, 材料电阻率随温度
的升高而增大, 引起标准电阻两端电压的
变化, 通过测量其电压波形, 可以确定沉
积的 X射线总能量 。
纯镍用机械方法压制而
成的镍薄膜探测器
蒸发镀膜制做的镍薄膜探测器
闪烁体＋光电管测量
软 X射线功率时间谱
? 闪烁体,ST401,1.0mm
? 光电管,GD-40
? 根据 X射线透过率计算,1.0mm的 ST401闪
烁体，对 3keV以下的软 X射线可全吸收。
?
光电管
薄 闪烁体
Z - pi nch 源
限制光栏
软 X射线功率时间谱测量示意图
图 3：软 X射线功率测量系统各部件
4、测量结果与处理
图 4,
时间,2003.11.13
炮号,shot 252
前沿,27ns
半高宽,33ns
0
2E+11
4E+11
6E+11
8E+11
0 20 40 60 80 100 120
time/ns
Power/W
iV t E? ? =?
i
i
i
VE
P
Vt
?
=
???
功率时间谱
基础辐射诊断条件
? Z-Pinch发展过程快, 辐射过程只有几十纳秒,
而图象诊断, 能谱光谱诊断等探测系统要求在前
端触发, 必须建立稳定可靠的同步触发系统, 并
对系统的同步过程进行精确的关联测量；
? Z-Pinch是在真空中进行, 将射线从真空中引出,
必须建立复杂的真空管道系统；
? Z-Pinch实验属于强冲击过程, 测量系统的真空,
高压等环节抗冲击保护也是辐射诊断工作中的重
要内容；
纳秒级触发、同步系统
? 辐射诊断系统中大量采用象增强器作为系
统光快门, 光快门的导通时间必须同 Z-
pinch辐射过程同步, 保证测量系统正好在
几十纳秒 X射线辐射时间内选定的时刻对 X
射线响应, 而其他可见紫外光诊断系统也
必须与 Z-pinch发光时间同步, 而信号记录
使用的示波器也必须相互同步, 这些系统
的同步精度要求达到纳秒级 。
纳秒级触发、同步系统
反向器 衰减器
功率分配器 触发同步机
定时信号
发生器
快门脉冲
发生器
复合盒
像增强器
测
量
间
d U/ d t
四路快门脉冲信号
真空系统
真
空
系
统
扩
散
泵
分
子
泵
机
械
泵
机
械
泵
等离子体柱 波纹管 气动插板阀 针孔阵列
吸收片 气阻 像增强器
CCD 相机
旁路阀门
气动挡板阀
控制同步机 真空控制器 同步高压电源
屏蔽柜
图 3,1 4 真空系统示意图
主开关
电流
弯晶 狭缝
真空气阻
弯晶
M
CP
<1 ? 10
- 3
Pa >1 ? 10 - 3 Pa
M CP
同步高压电源
? 由于 X射线像增强器是无窗式器件, 工作时在荧
光屏和 MCP之间加有 5000V的直流高压, 打炮后
真空度降低很容易在荧光屏处出现电击穿而损坏
器件 。 另外在实验中, 为防止 X射线象增强器被
放电过程产生的碎片破坏, 其荧光屏高压必须在
碎片破坏真空隔膜, 气体到达象增强器前降为零,
而且可在测试间手动遥控加电和关断 。 为此研制
了同步高压电源, 该电源在控制同步机的触发下
可在打炮后 1ms内自动关断 。
同步高压电源
? 快复位同步高压电源达到的性能指标,
? 输出电阻：高阻
? 输出电压,4－ 6kV可调
? 复位时间,1ms
? 稳定性 0.1%
? 能在测试间用按键或直接用同步机控制高
压开和关 。
系统运行同步控制
? 保证在 Z-pinch装置运行时, 不论负载是否加载驱
动脉冲电流, 均能动作以控制各真空, 高压保护
装置和 CCD相机的数据采集, 保证系统在 Z-
pinch装置正常和非正常状态下均能可靠地得到保
护；另外对于软 X射线总能量, 总功率测量系统,
需要在软 X射线辐射之前约 1微秒左右提供一个触
发信号, 使脉冲同步电源产生探测器驱动信号,
这种同步信号的精度只需为微秒级 。
系统运行同步控制
相机控制器
真空控制器
同步高压
电源
像增强器
主开关
电流
控制同步机
计算机
气动插板阀
气动挡板阀 1
气动挡板阀 2
脉冲恒压
电源
薄膜探测器
图 3.10 慢同步系统示意图
结语
? 等离子体辐射诊断是涉及辐射物理, 光学, 光电
子学, 电子学等多个学科的综合性工程化研究课
题, 也是相关领域发展很快的前沿内容, 美国的
Z装置每年用于诊断装置研制的经费 500万美元,
我们到目前为止已经投入约 400万元 。
? 以上是对 Z箍缩辐射诊断工作的部分内容进行了
简略的介绍
? 所有的工作的进步是在项目组许多位不同专业的
人员共同努力下取得的
? 欢迎感兴趣的老师和同学们参加到这项富有挑战
性的工作中来 ！
?谢谢大家！
高性能 CCD摄像机
? 象元尺寸
24μm× 24μm
（ 8μm× 8 μm）
? 慢速读出
? 光纤数字化传输
? 动态范围大（层次丰富）
? 灵敏度高（噪声小）
管道
融凝石英
单色仪
接高压
电源
像增
强器
CCD 相机
接电子
快门
接电源
接图像
采集卡
可见－紫外光谱诊断系统
X pinch as a X-ray source
X-ray source parameters,
space size – 1 ?m or <,temporal duration ?10 ps,
used spectral band 1?5 ?;
[Ne]-ions of Mo,Te ?1 keV,ne >1024 cm-3
Typical experimental parameters,
200- 500 kV,100 - 300 kA,50 - 150 ns
Mo,diam,12?25 ?m
L
A
S
E
R
Optical Fiber
Power Supply
Cooling System
Control System
Vacuum
Chamber
1 Magnetic Stick
2 Spot-Shaper
3 Quartz Glass Window and its Glass-Sheet Shelter
4 Glass-Sheet Shelter and Quartz Glass Window
5 Interference Filter
6 Lens
7 Filter for light-intensity-adjustment
8 Shutter
9 Film
10 Shutter Controller
11 AC/DC Power Adapter
12 Handler Box
Camera
Wavelength,532nm
Wavelength,266nm
2
3 4 5 6 7 8 9 Liner
1 1
10
11
6-Wire Cable
DC18V
200mA
AC220V
12
Cable to
Indicator
Light
DC10mA
Cable for
Shutter
Handling
DC10mA
PIN detector
Oscilloscope
X-Ray detector
Console Cabinet
Modules
RU#4061(40W) (1.5TW,2.9MA) –79ns
0 1 2 3 4 5 6mm
CN#4067(48W) (1.2TW,2.7MA) -63ns
Multicolumn Image for Individual Wire
Striations & Filaments
Radially Raining or Azimuthally Merging?
or Both?
Seems to be with On-Axis Dense Plasma
Early Stage Plasma (Single Array)
Multicolumn Image for Individual Wire
Corona & Cold Core
RU#4062(40W) (1.3TW,3.2MA) –53ns CN#4069(60W) (1.3TW,2.7MA) –35ns
with On-Axis Dense Plasma
prior to Run-In Phase
Nonuniformity
with On-Axis Dense Plasma
Raining or Merging?
or Both?
Early Stage Plasma (Single Array)
RU#4066(60W) (1.4TW,2.7MA) –30ns CN#4068(48W) (1.2TW,2.6MA) –25ns
Early Stage Plasma (Single Array)
with On-Axis Dense Plasma
&
Nonuniform Shell-Like Plasma Running
Inward
with On-Axis Dense Plasma
still No Uniform Shell
Around Implosion (Single Array)
RU#4070(60W) (1.1TW,3.2MA) –24ns RU#4080(60W) (0.8TW,3.1MA) +9ns
Puzzling Dissymmetrical Structure Axial Nonuniformity at Pinch
Rebound (Single Array)
2000-03449/arb
RU#4081(60W) (1.2TW,3.0MA) +26ns
Dispersing Plasma after Pinch
System Components and Layout
Pinch Slit Scintillator
Optic Fiber Array
Streak Camera
Gated Image Amplifier
Film
Assembled Optic Fiber Array Streak Camera
Single Array
(Axial Distribution)
Shot#4065(RU60W)
Peak Time Variation,~5ns
(Better than 40W)
Double Peak
Double Plasma Region
X-ray Power,Shoulder”
S h i e l
d
net
Cathode
A c c e l e r a t
e
Grid H o r i z o n t a
l
d e f l e c t i o
n
MCP
Vertical
d e f l e c t i o
n
Focus
e l e c t r o d e
Au
Slit
Light
window
Phosphor
screen
P i c t u r e o f s t r e a k t u b e
图 5.8 条纹管结构示意图和实物图
等离子体辐射诊断
? Z箍缩及其等离子体辐射特征
? 可见光及紫外光图像诊断
? 软 X射线图像诊断
? 软 X射线能谱诊断
? 辐射总功率测量
? 基础辐射诊断条件保障
? Z-pinch研究是从大电流放电和受控核聚变
研究中发展起来的, 它是指在强脉冲电流
驱动条件下, 线型负载 （ 柱型, 筒型 ） 电
离并在磁场作用下向轴线高速箍缩形成高
温, 高密度等离子体的过程 。
? 20世纪 50年代中期, 前苏联科学家就探索了利用
脉冲放电箍缩等离子体以实现可控热核聚变的可
能性 。 但由于受到界面不稳定性现象的影响和当
时技术条件所限, 未能获得较理想的结果 。 1995
年 Sandia 实验室在 Saturn 装置 (I ～ 7MA) 上 Z-
PinchX光功率由过去长期停留在 20TW增至了 85TW，
于是把原来 PBFA-II加速器改造用于 Z-Pinch研究,
使负载电流达到了 20MA,并于 1997年底获得了 X光
功率 290TW,X光能量 1.8MJ,黑腔辐射场温度约
155eV的具有里程碑性质的最新水平 。
? 高功率 Z-pinch研究具有重要的需求背景和
应用前景 。 首先, 它已成为目前最有效的
核爆 X射线辐射模拟源, 用于 X射线效应和
材料特性等抗辐射加固方面的研究 。 其次,
高功率 Z-pinch是实现惯性约束聚变 （ ICF）
的一种技术途径, 用于在实验室中研究核
聚变和核武器物理过程 。
ANGARA-5-1 Pulsed Power Facility
FIELD OF ACTIVITY,
? inertial confinement
fusion
? high energy density
physics
? x-ray matter
interaction
number of units 8
output pulse
energy 600 kJ
pulse duration 90 ns
pulse current 6 MA
pulse power 6 TW
shot per day 3-4
loads,gas puff,
wire array
z-pinch
ANGARA-5-1,TRINITI
S-300 Pulsed Power Facility
FIELD OF ACTIVITY,
o inertial confinement
fusion
o high energy density
physics
o x-ray matter interaction
number of units 8
output pulse
energy 300 kj
pulse duration 100 ns
pulse current 4 MA
output
impedance 0.15 Ohm
loads,gas puff,
wire array
z-pinch
Russian Research Centre,Kurchatov Institute”
Z箍缩的主要特征
? 时间 负载加压到等离子体崩毁约 200ns
? 温度 常温开始到上百万度
? 密度 1016 －－ 1022 e/cm3
? 速度 从静止到大于 107cm/s
? 辐射光谱不断变化，由最初的红外辐射过渡到可
见光辐射、紫外光辐射、软 X射线辐射
? 形状从初始电离、丝间融合、内爆、轴心先导等
离子体柱形成一直到等离子体柱轴心碰撞、绝热
压缩最后崩毁，等离子体的形状迅速变化
? 等离子体不稳定性发展，引起局部细节的微观结
构变化，以及等离子体温度、密度等参数的不均
匀性分布
E
等离子体软 X 射线能谱示意图
黑体谱
等离子体辐射谱
0
? 高功率 Z-pinch研究最关键的是如何控制等
离子体不稳定性, 提高辐射能量, 功率,
温度和效率 。
? Z-Pinch等离子体辐射诊断就是通过测量,
分析 Z-Pinch过程产生的辐射, 研究 Z-Pinch
的发生, 发展, 崩溃等的物理过程 。
? 研究每个阶段的过程, 必须针对该阶段主
要的辐射光谱进行多种图象诊断, 能谱光
谱诊断和辐射强度测量等诊断工作 。
可见光及紫外光图像诊断
? 研究等离子体内爆过程主要关心等离子体
壳层的均匀性和对称性。
?持续时间 100ns
?运动速度 107cm/s
?直径 2cm左右到直径 2mm左右
?发光光谱为可见光和紫外光
? 开展 时间分辨 可见光及紫外光图象诊断
辐射源 成像镜头 象增强器 耦合镜头 CC D 摄像机 图像采集计算机
辐射 监测探头 时间同步仪
时间分辨图像诊断系统原理图
光学系统 像增强器 CCD
计算机 快门控制 触发探头
被摄对象
d
d
?
R =R 0
NANO CAMERA SHOWS STAGES OF Z-PINCH HISTORY
THE PROFILE OF THE DEFORMED OUTER
BORDER ALLOW TO ESTIMATE DENSITY d
OF PLASMA ON AN EXTERNAL BORDER
POSITION,
ρ ? 1-2·10-4 g/cm3
OUTER BORDER
DEFORMATION
BEGINNING
OUTER BORDER
HAS DEFORMED,
INTERNAL
ARRAY WIRES
HAS NOT
DESTURBED
DEEP
DEFORMATION OF
OUTER BORDER,
THERE ARE NO
SEEN WIRE
TRACES
WIRES SUBSTANCE
IS COMPRESSED
ONTO ARRAY AXES,
SUBSTANCE IS
PRESENTED ON
INITIALBORDER
POSITION
APPROXIMATELY
MAXIMUM OF X-RAY
EMISSION,
SUBSTANCE IS
PRESENTED ON
INITIAL BORDER
POSITION
KI,TRINITI (A-5-1),CAEP - 2004
OUTER ARRAY
SURFACE
PERTURBATING
STARTED
d ~ Δ~0.5mm
-80 ns -60 ns -40 ns -10 ns -4 ns
软 X射线图像诊断
? 等离子体壳层加速运动到轴心后, 发生高速碰撞,
等离子体的整体运动动能转化为等离子体的随机
运动能量, 即形成高温高密度等离子体, 等离子
体温度达到几十万度到几百万度, 密度 1020电子
/cm3,主要向外辐射软 X射线, 能谱范围几十 eV
－几 keV。
? 此过程是 Z-Pinch的重要阶段, 等离子体的温度,
密度, 辐射总功率以及等离子体的空间形态都是
研究工作中极为关心的数据
? 软 X射线穿透能力极弱，几厘米的空气或几
微米的薄膜就可以完全吸收。
? 不能通过玻璃镜头、象增强器玻璃窗口
Au 微带
M C P
荧光屏
光纤面板 图 4,2 多微带 X 射线象增强器内部结构示意
图
?
L
1
L
2
F (x,y )
F ? (x ?,y ? )
d
l
O O ?
图 2, 2 厚针孔射线成像示意图
吸收片
快门脉冲
针孔阵列
微带
(a) (b) (c) (d) (e) (f) (g) (h) (i) (j) (k ) (l) (m)
图 4.21 从等离子体在轴上碰撞到崩毁期间不同时刻的图像
阴极
阳极
0
500
1000
1500
2000
2500
3000
3500
50 150 250 350 450 550 650 750 850 950
光子能量 / eV
相对强度
Mylar Al
- 10ns 4 ns 18 ns
(a ) 吸收片为 2 ? m 铝化 m y l a r 膜 ( 针孔直径 1 0 0 ? m)
- 10ns 4 ns 18 ns
(b ) 吸收片为 1 ? m m y l a r 膜 + 0, 2 5 ? m 铝膜 ( 针孔直径
为 3 0 0 ? m)
2
9
m
m
2
9
m
m
阴极
阳极
阴极
阳极
X-ray ps multi-frame system
? Exposure time,1.5ns
? Frame dimension,5*9mm
? Spatial resolution,90 μ,150 μ,300 μ
? Range of energy response,0.2-10kev
X-ray ns multi-frame Image System
Typical x-ray ns multi-frame
images
shot,4072
Double tungsten
wire array:40/20
H15/D12/φ6μ
Aperture diameter,
φ100/50μm
3.06MA/65.29ns
1.39TW/28.85kJ/1
1.8ns。
Cathode
Anode
10mm
12mm
软 X射线能谱诊断
? 高温等离子体辐射的光子能谱包含了等离
子体温度、密度、电离状态、平衡状态等
大量信息，通过测量等离子体辐射能谱可
以推断许多重要参数，是等离子体研究中
的重要诊断手段。
E
图 2.1 1 等离子体软 X 射线能谱示意图
黑体谱
等离子体辐射谱
0
? 根据布拉格衍射公式,
n?=2dsin?
在特定的入射角条件下, 只有特定波
长的 X射线发生衍射, 式中 d为衍射晶体的
晶面间距
? 软 X射线波长 2－ 10nm
OHM晶体 2d＝ 6.35nm
TLAP晶体 2d＝ 2.55nm
?
B A
?
d ?
o
?
b
x x +d x
等离子体
弯晶
图 5,2 弯晶分光光路图
狭缝
弯晶
条形阴极象增强器
不同时刻的能谱
能量
空
间
分
辨
等离子体
空间、时间分辨能谱诊断
0513-1827原始图像
微带 1,OHM,+100V
微带 1,OHM,+50V
微带 3,TAP,+100V
微带 3,TAP,+50V
0
20000
40000
60000
80000
100000
120000
140000
160000
0.2 0.22 0.24 0.26 0.28 0.3 0.32 0.34 0.36 0.38
X 射线能量（k e V ）
相对强度
0
100000
200000
300000
400000
500000
600000
700000
0.5 0.55 0.6 0.65 0.7 0.75 0.8 0.85 0.9
X 射线能量（k e V ）
相对强度
Schema of the mica crystal wide-range
X-ray spectrograph,? = 2-14 Angstroem
Te=300-400 eV is determined through
the Bremsstrahlung spectrum
X-RAY SPECTRUM OF IMPLODING Al ARRAY
X 光
L D
θ
光栏
光栅
MCP+ CC D
y
图 5.6 光栅谱仪配 M C P 测量原理图
透射光栅软 X射线谱仪
? 衍射光遵从光栅方程,
? dsinθ=mλ
? 用于软 X射线谱测量的透射光栅是由中国科
技大学同步辐射实验室制作的,材料为金 。
它是无底衬自支撑透射光栅,标称光栅周期
为 1050 L·mm-1 。 除了周期排列的金栅线
外,它还带有较宽的金支撑条结构 。 透射光
栅的占空比 a/d 为 0.325,光栅栅线厚度 z为
0.323μm
探头
光阑
门控电路
微带 MC P
象增强器
CCD
相机
计算机
显示器
电
缆
狭 缝
光栅
Measurement of The Soft X-Ray Spectrum
Scheme,
Slit
Grating
Cassette
Load
Transmission Grating Spectrometer
Results obtained on Angara-5-1
Spectrum of single array,by Russia
Tungsten Array Spectrum
(40 Wires,shot4063)
Tungsten Array Spectrum
(60 Wires,shot4080)
Results obtained on Angara-5-1
Spectrum of single tungsten array——by CAEP
Tungsten Array Spectrum
(48 Wires,shot4068)
Tungsten Array Spectrum
(60 Wires,shot4069)
辐射总功率测量
? 采用高纯镍材料研制了镍薄膜探测器, 脉
冲软 X射线辐照在 Ni薄膜表面, 薄膜吸收 X
射线能量, 温度升高, 材料电阻率随温度
的升高而增大, 引起标准电阻两端电压的
变化, 通过测量其电压波形, 可以确定沉
积的 X射线总能量 。
纯镍用机械方法压制而
成的镍薄膜探测器
蒸发镀膜制做的镍薄膜探测器
闪烁体＋光电管测量
软 X射线功率时间谱
? 闪烁体,ST401,1.0mm
? 光电管,GD-40
? 根据 X射线透过率计算,1.0mm的 ST401闪
烁体，对 3keV以下的软 X射线可全吸收。
?
光电管
薄 闪烁体
Z - pi nch 源
限制光栏
软 X射线功率时间谱测量示意图
图 3：软 X射线功率测量系统各部件
4、测量结果与处理
图 4,
时间,2003.11.13
炮号,shot 252
前沿,27ns
半高宽,33ns
0
2E+11
4E+11
6E+11
8E+11
0 20 40 60 80 100 120
time/ns
Power/W
iV t E? ? =?
i
i
i
VE
P
Vt
?
=
???
功率时间谱
基础辐射诊断条件
? Z-Pinch发展过程快, 辐射过程只有几十纳秒,
而图象诊断, 能谱光谱诊断等探测系统要求在前
端触发, 必须建立稳定可靠的同步触发系统, 并
对系统的同步过程进行精确的关联测量；
? Z-Pinch是在真空中进行, 将射线从真空中引出,
必须建立复杂的真空管道系统；
? Z-Pinch实验属于强冲击过程, 测量系统的真空,
高压等环节抗冲击保护也是辐射诊断工作中的重
要内容；
纳秒级触发、同步系统
? 辐射诊断系统中大量采用象增强器作为系
统光快门, 光快门的导通时间必须同 Z-
pinch辐射过程同步, 保证测量系统正好在
几十纳秒 X射线辐射时间内选定的时刻对 X
射线响应, 而其他可见紫外光诊断系统也
必须与 Z-pinch发光时间同步, 而信号记录
使用的示波器也必须相互同步, 这些系统
的同步精度要求达到纳秒级 。
纳秒级触发、同步系统
反向器 衰减器
功率分配器 触发同步机
定时信号
发生器
快门脉冲
发生器
复合盒
像增强器
测
量
间
d U/ d t
四路快门脉冲信号
真空系统
真
空
系
统
扩
散
泵
分
子
泵
机
械
泵
机
械
泵
等离子体柱 波纹管 气动插板阀 针孔阵列
吸收片 气阻 像增强器
CCD 相机
旁路阀门
气动挡板阀
控制同步机 真空控制器 同步高压电源
屏蔽柜
图 3,1 4 真空系统示意图
主开关
电流
弯晶 狭缝
真空气阻
弯晶
M
CP
<1 ? 10
- 3
Pa >1 ? 10 - 3 Pa
M CP
同步高压电源
? 由于 X射线像增强器是无窗式器件, 工作时在荧
光屏和 MCP之间加有 5000V的直流高压, 打炮后
真空度降低很容易在荧光屏处出现电击穿而损坏
器件 。 另外在实验中, 为防止 X射线象增强器被
放电过程产生的碎片破坏, 其荧光屏高压必须在
碎片破坏真空隔膜, 气体到达象增强器前降为零,
而且可在测试间手动遥控加电和关断 。 为此研制
了同步高压电源, 该电源在控制同步机的触发下
可在打炮后 1ms内自动关断 。
同步高压电源
? 快复位同步高压电源达到的性能指标,
? 输出电阻：高阻
? 输出电压,4－ 6kV可调
? 复位时间,1ms
? 稳定性 0.1%
? 能在测试间用按键或直接用同步机控制高
压开和关 。
系统运行同步控制
? 保证在 Z-pinch装置运行时, 不论负载是否加载驱
动脉冲电流, 均能动作以控制各真空, 高压保护
装置和 CCD相机的数据采集, 保证系统在 Z-
pinch装置正常和非正常状态下均能可靠地得到保
护；另外对于软 X射线总能量, 总功率测量系统,
需要在软 X射线辐射之前约 1微秒左右提供一个触
发信号, 使脉冲同步电源产生探测器驱动信号,
这种同步信号的精度只需为微秒级 。
系统运行同步控制
相机控制器
真空控制器
同步高压
电源
像增强器
主开关
电流
控制同步机
计算机
气动插板阀
气动挡板阀 1
气动挡板阀 2
脉冲恒压
电源
薄膜探测器
图 3.10 慢同步系统示意图
结语
? 等离子体辐射诊断是涉及辐射物理, 光学, 光电
子学, 电子学等多个学科的综合性工程化研究课
题, 也是相关领域发展很快的前沿内容, 美国的
Z装置每年用于诊断装置研制的经费 500万美元,
我们到目前为止已经投入约 400万元 。
? 以上是对 Z箍缩辐射诊断工作的部分内容进行了
简略的介绍
? 所有的工作的进步是在项目组许多位不同专业的
人员共同努力下取得的
? 欢迎感兴趣的老师和同学们参加到这项富有挑战
性的工作中来 ！
?谢谢大家！
高性能 CCD摄像机
? 象元尺寸
24μm× 24μm
（ 8μm× 8 μm）
? 慢速读出
? 光纤数字化传输
? 动态范围大（层次丰富）
? 灵敏度高（噪声小）
管道
融凝石英
单色仪
接高压
电源
像增
强器
CCD 相机
接电子
快门
接电源
接图像
采集卡
可见－紫外光谱诊断系统
X pinch as a X-ray source
X-ray source parameters,
space size – 1 ?m or <,temporal duration ?10 ps,
used spectral band 1?5 ?;
[Ne]-ions of Mo,Te ?1 keV,ne >1024 cm-3
Typical experimental parameters,
200- 500 kV,100 - 300 kA,50 - 150 ns
Mo,diam,12?25 ?m
L
A
S
E
R
Optical Fiber
Power Supply
Cooling System
Control System
Vacuum
Chamber
1 Magnetic Stick
2 Spot-Shaper
3 Quartz Glass Window and its Glass-Sheet Shelter
4 Glass-Sheet Shelter and Quartz Glass Window
5 Interference Filter
6 Lens
7 Filter for light-intensity-adjustment
8 Shutter
9 Film
10 Shutter Controller
11 AC/DC Power Adapter
12 Handler Box
Camera
Wavelength,532nm
Wavelength,266nm
2
3 4 5 6 7 8 9 Liner
1 1
10
11
6-Wire Cable
DC18V
200mA
AC220V
12
Cable to
Indicator
Light
DC10mA
Cable for
Shutter
Handling
DC10mA
PIN detector
Oscilloscope
X-Ray detector
Console Cabinet
Modules
RU#4061(40W) (1.5TW,2.9MA) –79ns
0 1 2 3 4 5 6mm
CN#4067(48W) (1.2TW,2.7MA) -63ns
Multicolumn Image for Individual Wire
Striations & Filaments
Radially Raining or Azimuthally Merging?
or Both?
Seems to be with On-Axis Dense Plasma
Early Stage Plasma (Single Array)
Multicolumn Image for Individual Wire
Corona & Cold Core
RU#4062(40W) (1.3TW,3.2MA) –53ns CN#4069(60W) (1.3TW,2.7MA) –35ns
with On-Axis Dense Plasma
prior to Run-In Phase
Nonuniformity
with On-Axis Dense Plasma
Raining or Merging?
or Both?
Early Stage Plasma (Single Array)
RU#4066(60W) (1.4TW,2.7MA) –30ns CN#4068(48W) (1.2TW,2.6MA) –25ns
Early Stage Plasma (Single Array)
with On-Axis Dense Plasma
&
Nonuniform Shell-Like Plasma Running
Inward
with On-Axis Dense Plasma
still No Uniform Shell
Around Implosion (Single Array)
RU#4070(60W) (1.1TW,3.2MA) –24ns RU#4080(60W) (0.8TW,3.1MA) +9ns
Puzzling Dissymmetrical Structure Axial Nonuniformity at Pinch
Rebound (Single Array)
2000-03449/arb
RU#4081(60W) (1.2TW,3.0MA) +26ns
Dispersing Plasma after Pinch
System Components and Layout
Pinch Slit Scintillator
Optic Fiber Array
Streak Camera
Gated Image Amplifier
Film
Assembled Optic Fiber Array Streak Camera
Single Array
(Axial Distribution)
Shot#4065(RU60W)
Peak Time Variation,~5ns
(Better than 40W)
Double Peak
Double Plasma Region
X-ray Power,Shoulder”
S h i e l
d
net
Cathode
A c c e l e r a t
e
Grid H o r i z o n t a
l
d e f l e c t i o
n
MCP
Vertical
d e f l e c t i o
n
Focus
e l e c t r o d e
Au
Slit
Light
window
Phosphor
screen
P i c t u r e o f s t r e a k t u b e
图 5.8 条纹管结构示意图和实物图
