鄒 儉，王 川，曾乃工，張?zhí)炀?/p>

（中國原子能科學研究院串列加速器升級工程部，北京 102413）

混合式電極結構X－pinch的研究

鄒 儉，王 川，曾乃工，張?zhí)炀?/p>

（中國原子能科學研究院串列加速器升級工程部，北京 102413）

X－pinch作為X射線源進行背光照相，具有較高的空間分辨率和時間分辨率，可用于拍攝快速變化的過程，如絲陣負載的內(nèi)爆過程。為了得到同一組絲陣負載內(nèi)爆過程的多幅背光成像圖片，需多個X射線源對其進行背光成像，在天光Ⅱ－B（～250 k A，50 ns）脈沖功率裝置的驅(qū)動下，通過實驗選擇了一種混合式電極結構X－pinch。實驗結果表明：此種混合式電極結構X－pinch可箍縮產(chǎn)生X射線，所輻射出的X射線光子能量主要在2～4 keV之間，因其固有的空間對稱性及出光電流較小，可完成多路背光照相。

X－pinch；X射線源；相位襯度成像

X－pinch是指多根（≥2根）金屬細絲交叉成X形狀，在高功率瞬態(tài)電流的作用下，產(chǎn)生等離子體箍縮現(xiàn)象，然后在絲負載交叉點附近形成高溫等離子體熱點，此熱點可輻射出空間尺度?。é蘭）、持續(xù)時間短（ns～亞ns）、亮度高的X射線，由此可提供空間分辨率高（μm）和時間分辨率高（ns～亞ns）的照相手段，非常適合對快速變化的高密度場進行等離子體背光成像。傳統(tǒng)的X射線照相是基于吸收襯度機制的X射線成像［1－3］，即利用不同物體對X射線的吸收程度不同，通過透過光的強弱來辨別物體的內(nèi)部結構。但這種方法僅對吸收程度相差大的輕元素與重元素間有較好的效果，而對于一些弱吸收樣體，如腫瘤及軟組織結構的成像襯度則很低。相位襯度成像是利用光穿過樣品不同部分時由于相速差異而發(fā)生相位差異，并通過不同方法記錄其相位差信息從而得到物體圖像的方法，在醫(yī)學、生物科學上具有重要的應用前景。

本文介紹一種錐形單絲負載結構，在天光Ⅱ－B（～250 k A，50 ns）脈沖功率裝置的驅(qū)動下，通過實驗選擇一種混合式電極結構 X－pinch，并對其進行研究。

1 裝置設計

天光Ⅱ－B脈沖功率裝置的工作原理為：Marx發(fā)生器（0.1μF／100 kV的電容器20臺，單臺電容器工作充電電壓75 kV，正負充電）對脈沖形成線充電至1.35 MV、主開關擊穿、脈沖波由傳輸線到達負載的過程。

脈沖形成線采用特征阻抗為6Ω的水介質(zhì)同軸線的結構［4－7］，傳輸線為變阻抗線設計，傳輸線特征阻抗為1.25Ω，與負載匹配。當Marx發(fā)生器充電電壓為1.5 MV時，形成線上的電壓峰值為1.35 MV（傳輸效率90%）。

采用電容分壓器［7－8］對負載電壓進行測量，并在電容分壓器末端串接阻容電路，經(jīng)在線標定，總分壓比為8 930∶1。采用在傳輸線末端用金屬膜繞其一周構成回路的方法對負載電流進行測量，經(jīng)在線標定，金屬膜阻值為0.88 mΩ。

2 混合式電極結構箍縮實驗

2.1 錐形電極和圓形電極

通過對叉絲X－pinch輻射出X射線的機理研究，發(fā)現(xiàn)箍縮產(chǎn)生X射線的重要位置發(fā)生在雙絲交叉點處，所以若放大這個交叉點（1～2 mm）且交叉點兩端采用固定電極結構也可箍縮產(chǎn)生X射線，因此文獻［8－11］研制了混合式電極負載結構?；旌鲜诫姌O結構有錐形電極負載結構或圓形電極負載結構。實驗中采用兩個固定在負載腔陰陽極上的電極連接單絲負載，電極材料均為鎢銅合金，絲負載均為13μm鉬絲，陰陽極間距均為1.35 mm，采用金剛石探測器（PCD）對X射線進行測量。PCD采用兩個探頭，PCD1前覆蓋厚為6.5μm的鋁濾片，PCD2前覆蓋厚為16.5μm的鋁濾片，分別用于測量光子能量大于2 ke V和光子能量大于4 keV的X射線。

在天光Ⅱ－B脈沖功率裝置下（VMarx＝45 kV），分別對兩種固有電極負載結構進行幾十炮的箍縮實驗，圖1為兩種負載結構下箍縮產(chǎn)生的X射線的典型波形?？煽闯?，兩種負載結構箍縮產(chǎn)生的X射線光能相當，幅值均在12 V左右，圓形電極結構箍縮產(chǎn)生的X射線多為雙峰，出光電流浮動較大，且多次未箍縮產(chǎn)生X射線。錐形電極結構出光電流較穩(wěn)定，箍縮產(chǎn)生的X射線為單峰。因此，錐形電極更適合作為X－pinch射線源的負載結構。

圖1 兩種負載結構下X射線的波形Fig.1 Waveform of X－ray in two loads

圖2為在錐形電極負載結構下PCD1與PCD2測量到的X射線脈沖信號（實驗條件與圖1一致）?？煽闯?，PCD1的X射線脈沖幅度為13.5 V，PCD2的X射線脈沖幅度為3.75 V，由于PCD1前覆蓋厚為6.5μm的鋁濾片用于測量大于2 ke V的光子能量，PCD2前覆蓋厚為16.5μm的鋁濾片用于測量大于4 ke V的光子能量，根據(jù)PCD1和PCD2的幅度可估算出錐形電極結構下箍縮的大部分X射線光子能量在2～4 ke V之間。

圖2 PCD1和PCD2的X射線脈沖比較Fig.2 Comparison of X－ray pulses with PCD1 and PCD2

對峰值電流約250 k A的脈沖功率裝置，可在分路上安置兩個出光電流約127 k A的錐形電極結構，但接近峰值的總電流對出光電流的穩(wěn)定性會有一定的影響，因此，減少錐形電極結構的出光電流十分必要。

2.2 電極材料

不同材料的電極結構對出光電流有影響，因此本文采用多種材料的電極結構對其進行實驗。表1為不同材料下的最小出光電流，其中鎢鎳鐵材料在VMarx＝28 kV下，箍縮產(chǎn)生X射線的最小出光電流為83 k A，因此，選擇鎢鎳鐵材料的錐形電極結構作為分路X射線源。

由表1可看出，銅材料的電極結構出光電流較高，其原因為：1）由于銅材料具有較高的熱傳遞系數(shù)，在陰陽極間距僅1 mm左右的負載結構下發(fā)生等離子體箍縮過程中，會有部分熱能量通過銅材料電極傳遞損失，導致箍縮崩潰；2）由于銅材料的電子發(fā)射系數(shù)較大，在脈沖大電流作用下，會有部分電子未通過絲負載，而是直接打在陽極上，從而導致出光電流較高。

表1 不同材料下的最小X－pinch電流Table 1 The least current with different materials

2.3 點源測量

圖3為對錐形負載結構下，X射線源通過約100μm直徑的小孔，再穿透16.5μm的鋁濾片后，在底片的成像［12］（實驗條件與圖1一致）。通過X射線源的底片成像可計算出，X射線源尺寸為20μm左右，單點源，重復率較高，適合做相位襯度成像的點源。

圖3 X射線源的底片成像Fig.3 Film image of X－ray source

2.4 相位襯度成像

圖4為錐形單絲負載結構下馬蜂的相位差襯度成像圖片。從馬蜂的相位差圖像上可清楚地看到其腿及內(nèi)臟，分辨率可達到百微米量級。

圖4 馬蜂的相位差襯度成像Fig.4 Phase－contract imaging of hornet

3 結論

本文在天光Ⅱ－B脈沖功率裝置的驅(qū)動下，通過實驗選擇了一種混合式電極結構 X－pinch。實驗結果表明：此種混合式電極結構X－pinch可箍縮產(chǎn)生X射線，所輻射出的X射線光子能量主要在2～4 ke V之間，因其固有的空間對稱性及出光電流較小，可完成多路背光照相。

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Study on X－pinch of Hybrid Pole Structure

ZOU Jian，WANG Chuan，ZENG Nai－gong，ZHANG Tian－jue
（China Institute of Atomic Energy，P.O.Box 275－3，Beijing 102413，China）

The X－pinch as the source of X－ray backlighting，has higher space resolving power and time resolving power，and it can screen the process of fast change，such as the wire array implosion.For getting several X－ray backlighting photos at the same wire array implosion，it must have several X－ray sources.With LightⅡ－B（～250 k A，50 ns）pulsed power generator at China Institute of Atomic Energy，the X－pinch of hybrid pole structure was developed according to experiment.The results show that the X－pinch of hybrid pole structure with conical electrodes can radiate X－rays，and the X－rays mainly consist of photons with energy about between 2 and 4 keV.Because of the space symmetry and the least current，the X－pinch of hybrid pole structure can provide backlighting of several sides.

X－pinch；X－ray source；phase－contract imaging

TL515

：A

：1000－6931（2015）12－2251－04

10.7538／yzk.2015.49.12.2251

2014－08－26；

：2014－09－23

中國原子能科學研究院院長基金資助項目（YZ200915）

鄒 儉（1983—），男，遼寧鞍山人，工程師，碩士，脈沖功率技術專業(yè)