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近日，西安交通大學電氣工程學院Z箍縮及應用研究中心團隊在金屬絲短接的低阻抗桿箍縮二極管等離子體動力學診斷方面取得進展，研究成果以“Plasma dynamics of a wire-shorted rod-pinch diode for flash x-ray radiography"為題發(fā)表在國際期刊Physics of Plasmas上。西安交通大學電工材料電氣絕緣全國重點實驗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，希望對您在等離子體診斷相關研究或工業(yè)應用方面帶來一些靈感和啟發(fā)。
應用方向：X射線閃光照相、軔致輻射、等離子體診斷與仿真
正文
X射線閃光照相技術最早應用于曼哈頓計劃中核爆模擬的瞬態(tài)診斷，并在近年來廣泛用于高能沖擊物理、等離子體物理及爆炸動力學等領域。桿箍縮二極管（Rod-Pinch Diode, RPD）作為一種經典的X射線源配置，因其結構簡單且能產生高質量X射線焦點而受到青睞。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）產生等離子體預短路電極間隙。研究團隊發(fā)現，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量，而僅有靠近陽極的一小部分等離子體被推向陽極桿尖*。此外，該結構中的電子束源區(qū)域較大，電子從較大的陰極區(qū)域發(fā)射，并在電場力作用下加速，在自磁場作用下聚焦。
圖1: 西安交通大學漢-1脈沖功率驅動源的實驗診斷布置
研究團隊在西安交通大學漢－1脈沖功率裝置上進行了實驗，采用多種診斷手段對WS-RPD的等離子體動力學行為進行了深入分析。其中包括：激光干涉測量，用于觀察等離子體電子密度分布；四分幅ICCD成像，捕捉等離子體可見光；電參數測量，包括Rogowski線圈測量電流及D-dot探頭測量電壓；X射線測量，采用PIN二極管探測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: 來自兩次獨立發(fā)射的等離子體的可見光波段四幀分幅相機ICCD成像（門寬3 ns）,5m距離
圖4: 負載的MHD仿真
研究結果表明：EWE等離子體的運動可分為三個階段：（1）初始階段，金屬絲爆炸產生等離子體，冷密的絲芯主體質量與電流路徑保持靜止；（2）運動階段，部分等離子體受磁壓力作用向陽極桿尖*移動；（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極間隙中發(fā)射與加速，在陽極尖*聚焦，產生X射線輻射。此外，研究團隊通過電路分析發(fā)現，二極管電壓在X射線輻射前開始上升，這一階段的電壓主要來源于等離子體的高速運動及其電流回路擴張帶來的電感的快速變化。隨著原電流路徑的耗散，二極管阻性電壓形成強電場加速電子，最終產生高能X射線。同時，研究團隊利用FLASH磁流體模擬進一步驗證了實驗發(fā)現。本研究*次系統(tǒng)性地揭示了WS-RPD的等離子體動力學過程，并為未來優(yōu)化低阻抗RPD的X射線轉換效率提供了實驗數據和理論模型。
相關儀器介紹
文中兩次獨立發(fā)射的等離子體可見光波段ICCD成像（圖3所示）的測試采用卓立漢光FC系列分幅相機4X FramingCamera 進行測量。
該分幅相機是采用分光系統(tǒng)及快光電子技術，集4/8臺像增強型門控相機于一體，分光后分別傳輸到各個相機單元上，并且采用快光電子控制技術對多臺相機的拍攝時序和曝光時間進行良好的控制與整合，從而實現高速拍攝。根據集成的門控相機數量，分幅相機能夠一次得到最小時間間隔為1ns兩幅、四幅或八幅圖像, 從而達到近乎10億幀的幀速，廣泛用于超短時間分辨成像和光譜測量，如快速熒光成像、瞬態(tài)等離子體成像和速度測量、爆轟過程中的發(fā)光現象，汽車工業(yè)用超快速燃燒研究等重要的研究領域。
下圖為FC系列4X Framing Camera四分幅相機采集到的實驗數據。
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