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强X射线与金属作用产生脉冲强电流效应研究

强X射线与金属作用产生脉冲强电流效应研究

作者：但加坤中国工程物理研究院

学位级别：硕士

压强大于1 Mbar或能量密度大于1011 J/m3的系统属于典型的高能量密度系统。高能量密度系统一般处于等离子体状态,在宇宙中普遍存在,特别是处于演化中后期的星系,例如脉冲星。脉冲星能辐射1020-24 W的定向微波电磁脉冲,其辐射频谱满足关... 详细信息

压强大于1 Mbar或能量密度大于1011 J/m3的系统属于典型的高能量密度系统。高能量密度系统一般处于等离子体状态,在宇宙中普遍存在,特别是处于演化中后期的星系,例如脉冲星。脉冲星能辐射1020-24 W的定向微波电磁脉冲,其辐射频谱满足关系I∞ω-2,属于非热辐射;脉冲星的非热电磁辐射机制并没有完全被解决。高能量密度条件下的非热电磁辐射为探索能够产生高功率(≥1016 W)、大能量(≥1010 J)电磁脉冲的方法提供了线索。早期的高能量密度物理研究主要集中在天体物理上,主要原因是缺乏实验室高能量密度加载手段。最近几十年超强超短激光技术、Z箍缩实验技术、脉冲功率技术、磁场加载技术以及尖端诊断设备等迅速发展,这为在实验室内多方面细致探索高能量密度物理现象提供了条件。Z箍缩内爆等离子体是目前实验室水平最强的X射线源,如Sandia国家实验室Z装置上等离子体内爆实验能产生200 TW.6 ns的X射线脉冲。向一个系统注入能量后,该系统将处于不稳定的高能量状态(激发态),向低能量状态跃迁过程中系统将释放能量,而能量释放的方式是多样的,例如气化、喷射、温升、热辐射和非热辐射等。能否控制能量释放的方式,使其朝着我们所需要的模式发展?本论文的主要研究目的是探索强X射线所产生的高能量密度系统的非热电磁辐射机制。本论文得到的主要结论包括：(1)采取同心球面状传输线能获取较好的负载参数：负载电流1 MA,上升时间80～90 ns;(2)脉冲电流由三部分组成：光电效应回流、康普顿电流和热电流。X射线加载初期光电效应占主导,随后康普顿电流和热电流增强。光电流占热电流的～10%,康普顿电流占热电流的～20%,热电流～1 A(X射线峰值强度～106W/cm2)。实验排除了Z箍缩等离子体溅射、线圈自身差异和电缆色散等因素的影响。(3)测量了X射线驱动产生的电磁脉冲,实验结果并不理想,可能的原因是入射X射线强度不够,不足以驱动很强的定向电磁脉冲。(4)建立了脉冲电流的微观理论模型。根据电子的波动性计算了光电效率,将此结论推广得到势能与折射率之间的关系,并得到了描述波动的牛顿运动方程。计算结果表明强度I～106W／cm2的X射线脉冲产生的光电流密度和康普顿电流密度,～10-1A／cm2,热电流密度～105A／cm2,能量沉积深度～100 nm,电子的温度～101eV;电流正比于Iα(1／3<α<1／2);电子的温度和电流密度与能量沉积深度成反比,而能量沉积深度一定程度上反映了入射光子的硬度,因此入射强度一定时,入射光子能量越高热电流密度越小。(5)用热传导方程讨论了热电流的宏观机制。温度-4×103K,电流密度～105 A／cm2。电流密度峰所在的位置从辐照区域向外移动,移动速度～103m/s,这表明电子沿金属靶表面从辐照区域向边界运动;随后讨论了能量输出形式与加载条件的关系。(6)根据系统的关联性对几种相互作用机制进行了分类。光电效应和康普顿效应属于电子的个体行为,热效应为电子系统的弱关联集体行为。可以预测超强X射线加载下金属／真空界面等离子体区域将出现强关联集体行为-电荷密度调制状态,其在退激发过程中可能以较高的效率辐射定向微波电磁脉冲。(7)分析了电荷密度调制状态的性质。根据对称性准则分析了出现电荷密度调制状态的合理性,估算了一维电荷密度调制状态参数：电荷密度调制状态的储能密度正比于调制波长的平方,正比于电荷密度调制振幅的平方。推导了系统的拉格朗日函数和描述系统演化的Euler-Lagrange方程,利用拉格朗日函数推导了等离子体振荡,以此验证该模型的合理性。根据拉格朗日函数和哈密顿函数分析了产生电荷密度调制的关键因素,电子与声子的耦合以及磁场是产生电荷密度调制状态的关键因素。

关键词：非热电磁辐射电荷密度调制 X射线 Z箍缩热电效应高能量密度物理

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Z箍缩等离子体磁重联现象

强激光与粒子束 2012年第3期24卷 511-514页

作者：但加坤段书超章征伟中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴... 详细信息

分析了磁重联对晕等离子体加速和能量平衡过程的影响。分析表明晕等离子体向轴心的加速过程分为两个阶段:第一阶段晕等离子体在磁压或热压(依赖于丝数)作用下向轴心运动;第二阶段晕等离子体由于磁重联过程被加速到阿尔芬速度,并到达轴心形成先驱等离子体。估算表明重联层的厚度与离子的惯性长度具有相同的数量级,电流片内电子运动和离子的运动是解耦合的。在内爆滞止阶段电荷分离产生强的径向电场,这个电场将磁能转化为等离子体轴向(z方向)动能,内爆动能和轴向动能共同转化为X射线辐射能,以此解释了X射线能量大于内爆动能这一观测结果。分析了磁重联电磁脉冲的性质,对于1MA驱动条件,电磁脉冲的总能量可达kJ量级。

关键词：磁重联 Z箍缩能量平衡电磁脉冲

对提高光电导半导体开关性能的自发磁场的理论研究(英文)

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光电工程 2011年第12期38卷 130-136页

作者：王博但加坤李泽仁中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

本文提出了一个用来解释真空中绝缘体自发抑制闪络现象的模型,从而使以前被忽略的由纳秒脉冲电压引起的自发磁场被加以考虑,并被用来解释真空中绝缘体的闪络电压随脉冲持续时间的变化而发生变化的现象。本文列举了若干组真空绝缘体闪络... 详细信息

本文提出了一个用来解释真空中绝缘体自发抑制闪络现象的模型,从而使以前被忽略的由纳秒脉冲电压引起的自发磁场被加以考虑,并被用来解释真空中绝缘体的闪络电压随脉冲持续时间的变化而发生变化的现象。本文列举了若干组真空绝缘体闪络的实验数据,并将其与应用模型计算得出的理论值进行比较,进而详细分析了理论值与实验值的差距。这个模型得出的结论可以用于提高光电导半导体开关(PCSS)的闪络电压,这将对高压设备的发展起到重要作用。

关键词：自发抑制闪络脉冲电压 PCSS

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测量数MA脉冲电流的探头设计与标定

强激光与粒子束 2015年第7期27卷 228-233页

作者：卫兵卿燕玲丰树平傅贞任济计策但加坤夏明鹤王勐中国工程物理研究院流体物理研究所脉冲功率科学与技术重点实验室四川绵阳621900

为获得聚龙一号装置负载区电流,设计了测量探头,通过频响测试得到探头的频率上限为51.7MHz;针对标定装置的逼真性进行了分析,实验结果表明,负载区电流探头的灵敏度在误差范围内不受柱孔盘旋面的影响。通过标定结果的外推分析可知:外推... 详细信息

为获得聚龙一号装置负载区电流,设计了测量探头,通过频响测试得到探头的频率上限为51.7MHz;针对标定装置的逼真性进行了分析,实验结果表明,负载区电流探头的灵敏度在误差范围内不受柱孔盘旋面的影响。通过标定结果的外推分析可知:外推是否可靠是由探头能否满足相应测量的工作条件决定,而不是受外推的数量级限制。通过探头测量范围的分析及相应干扰实验,认为标定满足测试需求。实测结果表明负载区电流与磁绝缘传输线电流的测量结果自洽。

关键词：脉冲电流测量磁绝缘传输线标定

超高速激光纹影技术测量脉冲功率驱动的磁重联现象

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强激光与粒子束 2014年第9期26卷 167-171页

作者：李剑但加坤赵新才刘宁文中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900

用超高速激光纹影技术测量了Z箍缩等离子体磁重联现象。实验采用超高速光电分幅相机,配合激光纹影技术,测量了XP-1装置上两根金属丝产生的等离子体分布,论证了超高速激光纹影技术研究Z箍缩磁重联现象的可行性。双钨丝实验结果表明,电流... 详细信息

用超高速激光纹影技术测量了Z箍缩等离子体磁重联现象。实验采用超高速光电分幅相机,配合激光纹影技术,测量了XP-1装置上两根金属丝产生的等离子体分布,论证了超高速激光纹影技术研究Z箍缩磁重联现象的可行性。双钨丝实验结果表明,电流加载约10ns后金属丝已有明显膨胀,线性拟合得到平均膨胀速度约8km/s,金属丝内外两侧出现了规则的极有可能是垂直磁场的电热不稳定性扰动,并沿角向高度关联。铝丝负载的实验结果表明,早期的不稳定性波长为0.4mm,电流峰值之后金属丝初始位置仍有大量等离子体,后期的不稳定性波长约1.5mm。这些现象揭示了不稳定性发展的一个主要特征:短波模式受抑制,长波模式将占主导。

关键词：磁重联 Z箍缩光电分幅相机纹影

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黑索金电子结构和光学性质的第一性原理研究

物理学报 2013年第16期62卷 89-95页

作者：程和平但加坤黄智蒙彭辉陈光华中国工程物理研究院流体物理研究所绵阳621900 黄山学院机电与信息工程学院应用物理研究所黄山245041 北京理工大学爆炸科学技术国家重点实验室北京100081

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对黑索金晶体的电子结构和光学性质进行了计算.结果表明:黑索金是能隙值为3.43eV的绝缘体,价带主要由C,N和O的2s与2p态构成,而导带主要由N-2p和O-2p态构成;静态介电函数ε1(0)=1.38,介电常数的虚部... 详细信息

利用基于密度泛函理论的第一性原理方法对黑索金晶体的电子结构和光学性质进行了计算.结果表明:黑索金是能隙值为3.43eV的绝缘体,价带主要由C,N和O的2s与2p态构成,而导带主要由N-2p和O-2p态构成;静态介电函数ε1(0)=1.38,介电常数的虚部有5个峰值,其中最大峰值在光子能量4.59eV处,并对造成这些峰值的可能的电子跃迁做了详细分析.利用能带结构和态密度分析了黑索金的光反射系数、吸收系数及能量损失函数等光学性质,发现黑索金是对光吸收、反射及能量损失不敏感的材料.

关键词：黑索金第一性原理电子结构光学性质

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空腔中B-dot的低频响应特性

强激光与粒子束 2016年第1期28卷 169-173页

作者：卫兵但加坤付佳斌卿燕玲蒋吉昊傅贞任济丰树平中国工程物理研究院流体物理研究所脉冲功率科学与技术重点实验室四川绵阳621999

针对空腔中B-dot的频响特性开展了分析。当频率低于一定值时,安装在空腔中的B-dot探头的输出信号存在低频分量增益,可以用一个"负时间常数的RC高通滤波器"描述其频响特性,其本质是低频段为增益的高通滤波器。采用不同等效频率的RLC回路... 详细信息

针对空腔中B-dot的频响特性开展了分析。当频率低于一定值时,安装在空腔中的B-dot探头的输出信号存在低频分量增益,可以用一个"负时间常数的RC高通滤波器"描述其频响特性,其本质是低频段为增益的高通滤波器。采用不同等效频率的RLC回路连接安装B-dot的传输线,开展了B-dot探头低频响应的实验研究,结果表明,被测信号等效频率不同时,标定得到的磁通穿透特征时间常数以及互感系数有所不同。因此,为得到正确的修正系数,应当使标定波形的等效频率尽量接近实测波形。

关键词：脉冲电流数值补偿标定频率响应

应用于Z箍缩等离子体X光产额测量的闪烁体功率计

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强激光与粒子束 2010年第4期22卷 880-882页

作者：张思群黄显宾李晶但加坤李军杨礼兵崔明启赵屹东中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621900 中国科学院高能物理研究所同步辐射实验室北京100039

介绍了在"阳"加速器上使用的闪烁体功率计结构和测量参数,讨论了功率计在北京同步辐射装置上的标定实验,分析了标定结果及由此结果可能给最后实验结果带来的误差,并探讨了修正该误差可行的办法,利用Dante谱仪测得的能谱对功率计测试结... 详细信息

介绍了在"阳"加速器上使用的闪烁体功率计结构和测量参数,讨论了功率计在北京同步辐射装置上的标定实验,分析了标定结果及由此结果可能给最后实验结果带来的误差,并探讨了修正该误差可行的办法,利用Dante谱仪测得的能谱对功率计测试结果进行修正。修正后,两套设备之间的测试结果差异由原来的30%以上降至15%以内。最后给出了利用软X光闪烁体功率计进行喷气Z箍缩等离子体辐射测量的结果,得到"阳"加速器上喷气Z箍缩负载产生的软X光辐射峰值功率为几十GW,能量产额数百J。

关键词： Z箍缩等离子体 X射线闪烁体功率计

爆炸加载下装配垫片对金属柱壳膨胀断裂影响研究

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爆炸与冲击 2022年第8期42卷 40-48页

作者：张世文金山陈艳郭昭亮但加坤刘明涛汤铁钢中国工程物理研究院流体物理研究所四川绵阳621999

采用多普勒光纤探针测速技术(Doppler pins system,DPS,又称全光纤位移干涉测速技术)和高速摄影技术,研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响,获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。... 详细信息

采用多普勒光纤探针测速技术(Doppler pins system,DPS,又称全光纤位移干涉测速技术)和高速摄影技术,研究装配垫片对金属柱壳膨胀断裂的影响,获得了有无垫片对应柱壳外表面位置的速度曲线和垫片对柱壳膨胀断裂影响明显的高速摄影图像。实验结果表明:与无垫片区域相比,垫片区域的柱壳外表面经历了先凸起后内凹的过程,导致垫片对应柱壳的径向运动位移发生反复错位,最终低于无垫片区域约0.34 mm,该位移差可能导致柱壳发生径向剪切断裂;实验结果还表明,在垫片与间隙交界处两侧(沿垫片方向约7.5°、沿间隙方向约9°)处各增加了一条裂纹,该断裂模式既不同于环向拉伸断裂,也不同于45°的剪切断裂,而是由垫片/间隙边界产生的两束稀疏应力波传到柱壳外表面引起的扰动影响所致,这个新的断裂模式与柱壳材料的动态力学性能密切相关。数值模拟结果表明,装配垫片对柱壳断裂机制影响不仅包含该处附加的质量效应,还应考虑炸药通过垫片后作用在柱壳上的冲击加载幅值变化、冲击加载时序与其他部位不同步的差异,以及垫片/间隙交界处引起的表面波传播对柱壳断裂模式的后续发展行为的影响。

关键词：膨胀断裂 DPS阵列高速摄影垫片金属柱壳