一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法技术

本发明专利技术公开了一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，基于X箍缩，通过微纳技术处理金属丝，将粗金属丝的局部刻蚀出凹槽，利用凹槽处的线质量与脉冲电流匹配，实现与一般的X箍缩相近的效果，获得软X射线的单点源，可用于高时空分辨率的点投影背光照相。此外，还提出了重频的X箍缩负载设计方案，利用送丝机构实现上述X箍缩负载的自动装配方法，该方法与重频脉冲功率源系统的工作流程适配，这种方法对于在未来的大型重频脉冲功率源上展开X箍缩相关实验也具有很大的意义，可以大大提高实验效率。

【技术实现步骤摘要】
一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法
本专利技术属于等离子体
，尤其涉及一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法。
技术介绍
X箍缩是1982年在俄罗斯科学院列别捷夫物理研究所首次提出的，传统的X箍缩是将2根及以上的丝阵旋转一定角度构成X交叉形的负载，在一定实验条件下，X箍缩可以可靠地产生一个非常小的尺寸(约等于1μm)、短的持续时间(小于100ps)的X射线点源(约等于1keV)，基于X箍缩的软X射线点投影照相系统目前已经应用于对轴向丝阵、X箍缩、径向分幅、生物组织结构等。在兆安源上的实验结果表明，X箍缩软X射线源尺寸约等于10μm，辐射脉宽约等于1ns，每个脉冲的软X射线产额较百千安时的结果得到显著提高，如ZEBRA装置上1-10keVX射线辐射产额为10-100J，COBRA装置上3-5keV辐射产额约等于2J，“强光一号”装置上3-5keV辐射产额约等于3J。但是这时产生软X射线辐射的热斑数目通常≥3个，远未表现出单一热斑的性能，限制了点投影照相的应用。中国工程物理研究院在“阳”装置(520kA，80ns)的X箍缩实验，也是得到了多个脉冲X射线辐射。目前，基于X箍缩的重频的软X射线的点源系统的设计难度较大，主要在于重频脉冲功率源(百千安培级别，前沿>1kA/ns)的设计与负载的重频装载问题，传统的X箍缩由于需要穿多根极细金属丝和稳定的旋转电极使金属丝交叉，几乎不可能实现人工或者机械重频装载。基于金属丝微纳加工技术的X箍缩负载在电极不更换的情况下只需利用送丝机构重新穿一根金属丝，无需精细地移动电极，具有重频的可行性。送丝机构的缠丝轴和压丝轮的部位容易造成极细金属丝的断裂和压断，适用于直径为百微米级的金属丝，该量级直径的金属丝的线密度与世界现有的兆安源均不匹配，无法形成X箍缩产生X射线。因此有必要提出满足现有工艺水平的X箍缩负载构型设计，应用于重频的X箍缩软X射线的点源。
技术实现思路
本专利技术的目的在于解决X箍缩负载的重频装载问题，提供了一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法。为达到上述目的，本专利技术采用以下技术方案予以实现：一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，包括以下步骤：步骤1，X箍缩的负载由两个相对放置的锥状固体电极和一根设置于中间的金属丝构成，利用微纳技术在金属丝上加工出凹槽，使凹槽处的线质量与脉冲电流匹配；步骤2，将加工后的金属丝由送丝机构送入X箍缩负载的轴向穿丝孔，完成X箍缩负载的自动装载。本专利技术的进一步改进在于：步骤1中电极采用的材料包括钨、钽或钨铜合金。步骤1中线质量Ml与驱动电流Imax匹配，参考以下经验计算公式：当负载电流<1MA时，满足预测值Ml＝Imax1.8；当负载电流≧1MA时，满足预测值Ml＝Imax1.3。凹槽的周期长度即微纳技术加工后的金属丝上的每个凹槽间隔1～10cm。步骤1中凹槽形状为平直形、圆弧形或正弦形。平直形凹槽宽度为10～1000μm，深度为50～600um；圆弧形凹槽直径为10～1000μm；正弦形凹槽幅值为5～500μm。步骤1中将凹槽替换为正对轴心或偏轴心的通孔。正对轴心或偏轴心的通孔的直径为10～500μm。步骤2中自动装载的时间小于或等于10ms，适用于100Hz及以下的重频脉冲功率源。与现有技术相比，本专利技术具有以下有益效果：本专利技术涉及一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，提出将直径较粗的金属丝刻蚀成线质量与脉冲源匹配的细丝，用于X箍缩实验，产生软X射线单点源。固体X箍缩的负载构型本质上是固态金属由粗过渡到细丝，利用细丝部分在脉冲电流作用下加热成等离子体状态，发生X箍缩，因此该方法在物理机理上具有可行性。该方法可以利用微纳技术对金属丝的加工对大电流X箍缩精细演化进行调控，金属丝的凹槽尺寸、形状等不仅决定了有效线质量，而且在一定程度上影响了X箍缩后的微二极管的演化、辐射，基于此可以深入研究抑制软X射线多点源和后续硬X射线，硬X射线辐射特性及调控方法。本专利技术首次提出了基于X箍缩重频产生软X射线点源的负载设计的有效方法，重频工作将大大提高实验效率，减轻人力、物力，便于科学研究以及X箍缩技术的推广。进一步的，步骤1中电极采用高硬度高沸点的金属材料，既可以延长电极的使用寿命，又可以减少电极材料对X箍缩的影响，同时抑制电极材料的等离子体形成微二极管闭合。进一步的，步骤1中微纳技术指代利用微刻槽、微钻孔、选择性烧蚀对金属丝进行处理，采用高功率飞秒激光器，同步高精度光束扫描振镜和脉冲选择器，进行亚微米精密级别的加工操作，将百微米级别的金属丝局部刻蚀为直径仅几十微米级别的凹槽。没有被挖凹槽的金属丝承载整体，被送丝机构稳定送丝，实现X箍缩负载的金属丝重频装载。进一步的，步骤1中微纳技术加工后的金属丝凹槽特征参数制定原则为：刻槽的周期长度由刻槽区域的机械强度决定，刻槽长度由扰动的特征长度决定，通常为10-1000微米，刻槽深度由驱动电流决定，满足凹槽处的线质量与驱动电流匹配。进一步的，步骤2中自动装载混合型X箍缩负载自动装载的时间小于或等于10ms，可适用于100Hz及以下的重频脉冲功率源。附图说明图1为本专利技术的X箍缩的机械剖面图，(a)传统X箍缩，(b)采用凹槽的粗金属丝的X箍缩，(c)采用凹槽的粗金属丝的X箍缩的凹槽局部；图2为本专利技术的送丝机构装载X箍缩负载示意图；图3为本专利技术的基于X箍缩的重频的软X射线的点源系统工作流程图。具体实施方式下面结合实施例和附图对本专利技术进行进一步的阐述：结合图1，对本专利技术所述的X箍缩构型进行具体说明。图1(a)所示为一般的X箍缩负载的机械剖面图，采用细金属丝，其线质量直接与脉冲电流匹配。图1(b)所示为本专利技术采用凹槽的粗金属丝的X箍缩机械剖面图，该构型下的X箍缩物理机理与固体X箍缩相近。粗的金属丝的线质量与脉冲电流不匹配，线质量过大，约1MA级的脉冲电流的洛伦兹力无法驱动百微米直径的金属丝发生X箍缩，其作用主要是承载凹槽部位的金属，通过送丝机构自动装载。金属丝的凹槽部位在送丝机构的作用下装载在锥形电极间隙的正中间，该部位的线质量与脉冲电流匹配，该凹槽的位置基本决定了X箍缩的单点源的位置，而金属丝其余部分远超过电流的驱动能力。图1(c)所示为本专利技术凹槽的局部剖面图，从上至下展示了4种不同的凹槽，在金属丝的不同径向位置打不同大小、形状的凹槽，会对X箍缩的热斑精细演化、箍缩柱崩塌后的微二极管的演化产生不同的影响。金属丝凹槽处的线质量与脉冲电流匹配，获得可重复性高的软X射线的点源。步骤1中线质量Ml(mg·cm-1)与驱动电流Imax(MA)匹配，参考以下经验计算公式：当负载电流<1MA时满足预测值Ml等于Imax1.8，当负载电流≧1MA时满足预测值Ml等于Imax1.3。X箍缩发生在电流峰值附近，电压接近零，约2ns后形成的微本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：/n步骤1，X箍缩的负载由两个相对放置的锥状固体电极和一根设置于中间的金属丝构成，利用微纳技术在金属丝上加工出凹槽，使凹槽处的线质量与脉冲电流匹配；/n步骤2，将加工后的金属丝由送丝机构送入X箍缩负载的轴向穿丝孔，完成X箍缩负载的自动装载。/n

【技术特征摘要】
1.一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤1，X箍缩的负载由两个相对放置的锥状固体电极和一根设置于中间的金属丝构成，利用微纳技术在金属丝上加工出凹槽，使凹槽处的线质量与脉冲电流匹配；
步骤2，将加工后的金属丝由送丝机构送入X箍缩负载的轴向穿丝孔，完成X箍缩负载的自动装载。


2.根据权利要求1所述的一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，其特征在于，步骤1中电极采用的材料包括钨、钽或钨铜合金。


3.根据权利要求1所述的一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，其特征在于，步骤1中线质量Ml与驱动电流Imax匹配，参考以下经验计算公式：当负载电流<1MA时，满足预测值Ml＝Imax1.8；当负载电流≧1MA时，满足预测值Ml＝Imax1.3。


4.根据权利要求1所述的一种基于金属丝微纳加工技术的重频X箍缩负载的设计方法，其特征在于，凹槽的周期长度即微纳技术加工后的金属丝上的...

【专利技术属性】
技术研发人员：吴坚，陈紫维，石桓通，张道源，卢一晗，李兴文，邱爱慈，
申请(专利权)人：西安交通大学，
类型：发明
国别省市：陕西;61