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近日，西安交通大學(xué)電氣工程學(xué)院Z箍縮及應(yīng)用研究中心團(tuán)隊(duì)在金屬絲短接的低阻抗桿箍縮二極管等離子體動(dòng)力學(xué)診斷方面取得進(jìn)展，研究成果以“Plasma dynamics of a wire-shorted rod-pinch diode for flash x-ray radiography”為題發(fā)表在國(guó)際期刊Physics of Plasmas上。西安交通大學(xué)電工材料電氣絕緣全國(guó)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室為該論文第一單位，張沛洲博士研究生為第一作者，石桓通副教授為通訊作者。今天小卓為大家分享該研究成果，希望對(duì)您在等離子體診斷相關(guān)研究或工業(yè)應(yīng)用方面帶來(lái)一些靈感和啟發(fā)。

應(yīng)用方向：X射線閃光照相、軔致輻射、等離子體診斷與仿真

正文

X射線閃光照相技術(shù)最早應(yīng)用于曼哈頓計(jì)劃中核爆模擬的瞬態(tài)診斷，并在近年來(lái)廣泛用于高能沖擊物理、等離子體物理及爆炸動(dòng)力學(xué)等領(lǐng)域。桿箍縮二極管（Rod-Pinch Diode, RPD）作為一種經(jīng)典的X射線源配置，因其結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且能產(chǎn)生高質(zhì)量X射線焦點(diǎn)而受到青睞。然而，傳統(tǒng)真空RPD的工作阻抗通常較高，而低阻抗變體（例如等離子體填充RPD或金屬絲短接的RPD）能夠與低阻抗高電流脈沖源匹配，從而提高X射線轉(zhuǎn)換效率。

本研究聚焦金屬絲短接的RPD（wire-shorted RPD, WS-RPD），其較之于真空間隙的RPD，陰陽(yáng)極間由金屬絲短接，在脈沖大電流通入后發(fā)生金屬絲電爆炸（electrical wire explosion, EWE）產(chǎn)生等離子體預(yù)短路電極間隙。研究團(tuán)隊(duì)發(fā)現(xiàn)，相較于等離子體填充RPD，WS-RPD中的EWE等離子體在X射線輻射階段仍然具有顯著的拖尾質(zhì)量，而僅有靠近陽(yáng)極的一小部分等離子體被推向陽(yáng)極桿尖*。此外，該結(jié)構(gòu)中的電子束源區(qū)域較大，電子從較大的陰極區(qū)域發(fā)射，并在電場(chǎng)力作用下加速，在自磁場(chǎng)作用下聚焦。

圖1: 西安交通大學(xué)漢-1脈沖功率驅(qū)動(dòng)源的實(shí)驗(yàn)診斷布置

研究團(tuán)隊(duì)在西安交通大學(xué)漢－1脈沖功率裝置上進(jìn)行了實(shí)驗(yàn)，采用多種診斷手段對(duì)WS-RPD的等離子體動(dòng)力學(xué)行為進(jìn)行了深入分析。其中包括：激光干涉測(cè)量，用于觀察等離子體電子密度分布；四分幅ICCD成像，捕捉等離子體可見(jiàn)光；電參數(shù)測(cè)量，包括Rogowski線圈測(cè)量電流及D-dot探頭測(cè)量電壓；X射線測(cè)量，采用PIN二極管探測(cè)X射線的輻射劑量率。

圖2: 12發(fā)次亞納秒532nm激光干涉診斷

圖3: 來(lái)自?xún)纱为?dú)立發(fā)射的等離子體的可見(jiàn)光波段四幀分幅相機(jī)ICCD成像（門(mén)寬3 ns）,5m距離

圖4: 負(fù)載的MHD仿真

研究結(jié)果表明：EWE等離子體的運(yùn)動(dòng)可分為三個(gè)階段：（1）初始階段，金屬絲爆炸產(chǎn)生等離子體，冷密的絲芯主體質(zhì)量與電流路徑保持靜止；（2）運(yùn)動(dòng)階段，部分等離子體受磁壓力作用向陽(yáng)極桿尖*移動(dòng)；（3）X射線輻射階段：受等離子體不穩(wěn)定影響，原電流路徑耗散，電子在磁絕緣的陰陽(yáng)極間隙中發(fā)射與加速，在陽(yáng)極尖*聚焦，產(chǎn)生X射線輻射。此外，研究團(tuán)隊(duì)通過(guò)電路分析發(fā)現(xiàn)，二極管電壓在X射線輻射前開(kāi)始上升，這一階段的電壓主要來(lái)源于等離子體的高速運(yùn)動(dòng)及其電流回路擴(kuò)張帶來(lái)的電感的快速變化。隨著原電流路徑的耗散，二極管阻性電壓形成強(qiáng)電場(chǎng)加速電子，最終產(chǎn)生高能X射線。同時(shí)，研究團(tuán)隊(duì)利用FLASH磁流體模擬進(jìn)一步驗(yàn)證了實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)。本研究*次系統(tǒng)性地揭示了WS-RPD的等離子體動(dòng)力學(xué)過(guò)程，并為未來(lái)優(yōu)化低阻抗RPD的X射線轉(zhuǎn)換效率提供了實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)和理論模型。

相關(guān)儀器介紹

文中兩次獨(dú)立發(fā)射的等離子體可見(jiàn)光波段ICCD成像（圖3所示）的測(cè)試采用卓立漢光FC系列分幅相機(jī)4X FramingCamera 進(jìn)行測(cè)量。

該分幅相機(jī)是采用分光系統(tǒng)及快光電子技術(shù)，集4/8臺(tái)像增強(qiáng)型門(mén)控相機(jī)于一體，分光后分別傳輸?shù)礁鱾€(gè)相機(jī)單元上，并且采用快光電子控制技術(shù)對(duì)多臺(tái)相機(jī)的拍攝時(shí)序和曝光時(shí)間進(jìn)行良好的控制與整合，從而實(shí)現(xiàn)高速拍攝。根據(jù)集成的門(mén)控相機(jī)數(shù)量，分幅相機(jī)能夠一次得到最小時(shí)間間隔為1ns兩幅、四幅或八幅圖像, 從而達(dá)到近乎10億幀的幀速，廣泛用于超短時(shí)間分辨成像和光譜測(cè)量，如快速熒光成像、瞬態(tài)等離子體成像和速度測(cè)量、爆轟過(guò)程中的發(fā)光現(xiàn)象，汽車(chē)工業(yè)用超快速燃燒研究等重要的研究領(lǐng)域。

下圖為FC系列4X Framing Camera四分幅相機(jī)采集到的實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。

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