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近日，西安交通大学电气工程学院Z箍缩及应用研究中心团队在金属丝短接的低阻抗杆箍缩二极管等离子体动力学诊断方面取得进展，研究成果以“Plasma dynamics of a wire-shorted rod-pinch diode for flash x-ray radiography"为题发表在国际期刊Physics of Plasmas上。西安交通大学电工材料电气绝缘全国重点实验室为该论文第一单位，张沛洲博士研究生为第一作者，石桓通副教授为通讯作者。今天小卓为大家分享该研究成果，希望对您在等离子体诊断相关研究或工业应用方面带来一些灵感和启发。
应用方向：X射线闪光照相、轫致辐射、等离子体诊断与仿真
正文
X射线闪光照相技术最早应用于曼哈顿计划中核爆模拟的瞬态诊断，并在近年来广泛用于高能冲击物理、等离子体物理及爆炸动力学等领域。杆箍缩二极管（Rod-Pinch Diode, RPD）作为一种经典的X射线源配置，因其结构简单且能产生高质量X射线焦点而受到青睐。然而，传统真空RPD的工作阻抗通常较高，而低阻抗变体（例如等离子体填充RPD或金属丝短接的RPD）能够与低阻抗高电流脉冲源匹配，从而提高X射线转换效率。
本研究聚焦金属丝短接的RPD（wire-shorted RPD, WS-RPD），其较之于真空间隙的RPD，阴阳极间由金属丝短接，在脉冲大电流通入后发生金属丝电爆炸（electrical wire explosion, EWE）产生等离子体预短路电极间隙。研究团队发现，相较于等离子体填充RPD，WS-RPD中的EWE等离子体在X射线辐射阶段仍然具有显著的拖尾质量，而仅有靠近阳极的一小部分等离子体被推向阳极杆尖*。此外，该结构中的电子束源区域较大，电子从较大的阴极区域发射，并在电场力作用下加速，在自磁场作用下聚焦。
图1: 西安交通大学汉-1脉冲功率驱动源的实验诊断布置
研究团队在西安交通大学汉－1脉冲功率装置上进行了实验，采用多种诊断手段对WS-RPD的等离子体动力学行为进行了深入分析。其中包括：激光干涉测量，用于观察等离子体电子密度分布；四分幅ICCD成像，捕捉等离子体可见光；电参数测量，包括Rogowski线圈测量电流及D-dot探头测量电压；X射线测量，采用PIN二极管探测X射线的辐射剂量率。
图2: 12发次亚纳秒532nm激光干涉诊断
图3: 来自两次独立发射的等离子体的可见光波段四帧分幅相机ICCD成像（门宽3 ns）,5m距离
图4: 负载的MHD仿真
研究结果表明：EWE等离子体的运动可分为三个阶段：（1）初始阶段，金属丝爆炸产生等离子体，冷密的丝芯主体质量与电流路径保持静止；（2）运动阶段，部分等离子体受磁压力作用向阳极杆尖*移动；（3）X射线辐射阶段：受等离子体不稳定影响，原电流路径耗散，电子在磁绝缘的阴阳极间隙中发射与加速，在阳极尖*聚焦，产生X射线辐射。此外，研究团队通过电路分析发现，二极管电压在X射线辐射前开始上升，这一阶段的电压主要来源于等离子体的高速运动及其电流回路扩张带来的电感的快速变化。随着原电流路径的耗散，二极管阻性电压形成强电场加速电子，最终产生高能X射线。同时，研究团队利用FLASH磁流体模拟进一步验证了实验发现。本研究*次系统性地揭示了WS-RPD的等离子体动力学过程，并为未来优化低阻抗RPD的X射线转换效率提供了实验数据和理论模型。
相关仪器介绍
文中两次独立发射的等离子体可见光波段ICCD成像（图3所示）的测试采用卓立汉光FC系列分幅相机4X FramingCamera 进行测量。
该分幅相机是采用分光系统及快光电子技术，集4/8台像增强型门控相机于一体，分光后分别传输到各个相机单元上，并且采用快光电子控制技术对多台相机的拍摄时序和曝光时间进行良好的控制与整合，从而实现高速拍摄。根据集成的门控相机数量，分幅相机能够一次得到最小时间间隔为1ns两幅、四幅或八幅图像, 从而达到近乎10亿帧的帧速，广泛用于超短时间分辨成像和光谱测量，如快速荧光成像、瞬态等离子体成像和速度测量、爆轰过程中的发光现象，汽车工业用超快速燃烧研究等重要的研究领域。
下图为FC系列4X Framing Camera四分幅相机采集到的实验数据。
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