激光聚变研究中心聚变靶物理实验和诊断技术研究进展

美国在国家点火攻关计划(NIC)的实施尽管未能实现点火目标,但建立了前所未有的点火靶物理精密实验能力,深化了点火靶物理认识,进一步明确了需要进一步解决的关键问题。激光聚变研究中心利用神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件,围绕黑腔等离子体能量学和内爆动力学开展实验与诊断技术研究,部分关键诊断技术取得突破,精密的实验能力显著增强,进一步丰富的配套实验结果在深化靶物理认识和校验数值模拟程序方面发挥了重要作用。

0.35μm激光辐照下柱腔靶的等离子体状态与运动特性

使用针孔相机配Ｘ光条纹相机、法拉第杯等观测了腔靶等离子体的运动特性、腔内壁衬ＣＨ膜对高Ｚ高密度等离子体运动的抑制现象以及隔离膜对等离子体膨胀的影响。并用硬Ｘ光能谱法和受激喇曼散射光的短波截止推算了相应的腔内热等离子体电子温度。这些结果有助于０．３５μｍ激光辐照下腔靶辐射场特性的深入研究以及未来神光Ⅱ腔靶构型的设计。

出版前言

高能量密度物理(HEDP)是研究能量密度大于1011 J/m^3极端状态下物质特性和运动规律的新兴交叉学科,是驱动材料物理、天体物理、原子分子物理、核物理、加速器物理等传统学科向极端参数条件下发展的关键科学与技术支撑,是惯性约束聚变等国防重大需求领域的重要科学基础。

透射光栅衍射效率研究

透射光栅广泛应用于 X光能谱测量 ,为获得定量的 X光能谱 ,首先在北京同步辐射源上对透射光栅的衍射效率在多个入射 X光能量点进行了实验标定 ,获得了透射光栅衍射效率的实验结果。为模拟透射光栅衍射效率实验标定结果 ,发展了一个新的透射光栅衍射效率计算模型 ,该模型不同于国外已发展的矩形栅线模型和梯形栅线截面模型 ,而是假设透射光栅栅线具有准梯形截面。模型计算结果与实验标定结果符合很好。

激光-惯性约束聚变综合诊断系统

概述了为在强激光装置"神光 II"、"星光 II"上开展惯性约束聚变实验而建立的综合诊断系统的构成与指标。重点介绍了近期在X光、光学波段、聚变产物、诊断精密化等方面的进步,以及该诊断系统在黑腔靶物理、内爆动力学、不透明度研究中的应用。

周期多层膜Kirkpatrick-Baez显微镜成像性质分析

分析了Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜的成像性质与周期多层膜元件间的关系。基于分辨力和集光效率要求,设计了KB显微镜的光学结构,模拟了KB系统的成像质量,用W/B4C周期多层膜反射镜进行了X射线成像实验,在±100μm视场内得到优于5μm的空间分辨力结果。实验与模拟结果的对比表明,加工精度和球差是影响中心视场分辨力的关键因素,有效视场的大小受多层膜角度带宽的限制。

X光CCD响应特性

在北京同步辐射源上建立了 X光 CCD量子效率实验标定方法 ,获得了 1 50 e V～ 1 50 0 e V能区范围多个 X光能点的量子效率实验结果 ,发展了 X光 CCD量子效率简化计算模型 ,并对 X光

神光Ⅲ主机通用诊断搭载平台的研制

神光Ⅲ主机通用诊断搭载平台提供各种诊断系统送进和收回的搭载功能,便于诊断系统的拆装和维护保养,同时提供精确的径向、指向瞄准能力,能将诊断系统送至靶室内指定位置,并且能在不破坏靶室真空的状态下安装、调试和维护诊断系统。将通用诊断搭载平台安装在神光Ⅲ原型装置上进行精度检测,得到其真空状态下的径向、X和Y方向指向定位精度分别为36,13,8μm,全行程的径向复位精度、X和Y方向指向复位精度分别达到20,30,12μm。搭载分幅相机诊断包进行激光打靶考核,实验结果表明:其指向瞄准精度、真空性能、接口等均满足使用要求,并具备了对抗强电磁干扰与辐射的能力。

超短超强激光与Cu靶相互作用中质子背向发射的实验测量

在20TW激光器上进行了超短超强激光与金属Cu膜靶的相互作用实验,当靶厚度不同时,采用CR39核径迹探测器测量了质子发射的空间分布和产额;使用Thomson磁谱仪测量了靶背法线方向质子束的能量分布。测量结果表明:质子产额为105～106每发;质子束沿靶背法线方向发射,与入射激光方向无关,并且存在较小的发射立体角,在一定能量处出现截止,截止能量的大小与靶厚度有关。

神光Ⅲ原型受激拉曼与受激布里渊散射份额测量

激光注入率测量是黑腔耦合效率测量至关重要的一个环节,主要通过散射光测量来实现。在神光Ⅲ原型激光装置上进行的黑腔物理实验中,利用PIN探头阵列进行了散射光角分布测量。通过拟合分析,发现原型装置上激光等离子体非线性相互作用较神光Ⅱ装置要强,其中受激拉曼份额在10%量级,受激布里渊散射在20%量级。将由此评估的激光靶耦合效率代入辐射温度定标率公式中,得出的辐射温度值与实验中Dante测量值符合较好,说明对参量过程份额的评估具有一定可靠性。

351nm激光入射大腔靶的受激Raman散射光谱

报道了"神光 Ⅱ"装置上Au大柱腔靶产生的受激Raman散射光谱。通过分析实验条件和测量结果,排除了散射光谱来自增强非相干Thomson散射的可能性,发现用丝化不稳定性与受激Raman散射的耦合能合理解释观测到的Raman光谱。考虑到丝化不稳定性与SRS的耦合,测量到的散射光谱依然能用于密度诊断,其结果与对流SRS理论的计算值相差不到10%。

再发射技术测量SGⅡ黑腔靶早期对称性

利用再发射技术能够有效测量早期辐射驱动对称性。2011年在神光Ⅱ激光装置上,采用Bi替代靶,通过改变靶丸的支撑方式和优化探测器配置,利用分幅相机获得较高信噪比的Bi球表面再发射图像。利用实验结果获得了入射流不对称性P2分量随时间的变化,对比两种腔长的黑腔,P2分量随时间的变化存在明显差别。两种腔P2分量随时间的变化趋势与采用视角因子模拟的结果基本一致。

平面调制靶瑞利-泰勒不稳定性初步研究

瑞利-泰勒不稳定性增长的准确估计是激光聚变的重要研究课题。在神光Ⅱ装置上,利用面向背光照相技术对正弦调制平面靶的瑞利-泰勒不稳定性增长进行了实验研究,得到了清晰的时空分辨图像;采用傅里叶变换取基模法和求波峰波谷差值法分析了实验结果;两种方法得到的靶扰动增长因子相同。实验中平面靶扰动增长较小可能是密度梯度致稳和烧蚀致稳抑制了扰动增长,也可能是扰动进入了非线性阶段而使增长不大。

激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。

中子半影成像的数值模拟

半影成像具有灵敏度高的特点,该技术是未来惯性约束聚变(ICF)中子成像的主要技术路线。基于中子半影成像的基本要求,利用蒙特卡罗方法,采用偏移抽样法和面通量的体通量替代技巧,模拟中子在半影成像系统中的输运,得到2维图像,并通过图像重建程序得到重建的源区图像。利用模拟结果,对编码孔屏蔽材料的选择和外径设计进行了初步优化,最终选择5 cm厚的钨屏蔽材料,其编码孔外径为1 cm。

激光聚变极端环境下X光高速摄影技术研究进展

在激光惯性约束聚变(ICF)研究中,通过X光高速摄影获取的图像数据能够反映等离子体中由于做功和能量输运导致的流体状态的时空演化信息,与之相关的诊断技术与工程研究一直以来都是ICF诊断能力建设的重要组成部分。介绍了作为我国ICF工程的主要实施单位之一,中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在X光高速摄影技术研究方面取得重要进展,包括:(1)面向神光系列激光装置,开发了系列工程化的100 ps曝光高速摄影相机,整体达到国际先进水平,并在高灵敏探测、透射式带通滤波和结构小型化等方面形成中国特色;(2)提出微扫描门控、同视扫描分幅等10 ps曝光X光高速摄影新技术,为突破时间分辨瓶颈做出有益尝试;(3)在国内率先开展抗辐射加固高速摄影相机理论设计、技术验证与工程设计;(4)针对激光聚变靶碎片对设备安全的威胁,在国内首次开展靶碎片的理论建模与仿真研究,并开展首次验证实验,取得重要进展。

大面积MCP选通X射线分幅相机的研制

研制大面积微通道板(microchannel plate,MCP)选通X射线皮秒分幅相机.MCP外径为106 mm,微带阴极宽度为12 mm.测量微带阴极的时域反射曲线,得到微带阴极的特性阻抗约为11Ω,相机的时间记录长度约3 ns.对分幅相机进行联调实验,测得其时间分辨率为62 ps,空间分辨率为18.87 lp/mm.

X射线分幅相机真空弧放电损害研究

基于神光Ⅱ物理实验,研究了X射线分幅相机中真空弧放电对荧光屏和微通道板的损害。通过观测放电点在荧光屏上的位置和输出强度,发现X射线分幅相机存在的3种弧放电形式:散弧、强弧和定弧,由弧点位置和强度的时空变化比较了3种放电形式对器件的损害程度和对相机工作状态的影响。散弧在一定真空度条件下具有很好的稳定性,并且微放电不影响XFC正常性能;强弧的屏输出强饱和,MCP和荧光屏被一次性损害,相机无法正常工作;定弧对相机的正常工作没有影响,放电在两种屏压加载下都表现出稳定的趋向。由场致电子发射理论解释了放电机理,分析了弧放电损坏的稳定性,由实验结果推导了定弧的场增强因子。

激光打靶过程中的电磁脉冲特性

为诊断激光打靶产生的电磁脉冲信号分布,选取环天线作为主要电磁脉冲信号采集装置,对靶室内外信号同时进行测试。从天线设计制作到天线标定,描述了脉冲诊断系统的搭建。通过对信号进行采集及处理,对比分析了靶室外、法兰口及靶室内脉冲信号的频域特性和强度。得出靶室内受到电磁脉冲辐射强度最大且频谱分布最广,其次是法兰口,靶室外电磁脉冲信号最弱。总结多次激光打靶电磁脉冲信号频域分布,可看出波峰主要出现在0.5,1.2,3GHz。电磁脉冲时域结果规律性展示出脉冲持续约100ns,因靶室内回波振荡,电磁脉冲信号于几ns处及几十ns处有较明显峰值蔟。

基于神光Ⅲ原型装置开展的激光直接驱动准等熵压缩研究进展

整形激光驱动准等熵压缩是高效的物质动态压缩方式,是开展材料高压压缩特性研究的重要手段.本文系统介绍了近年来基于神光III原型激光装置开展的整形激光直接驱动准等熵压缩研究工作:创立了凝聚态物质的准等熵压缩理论模型,改进了实验设计方法和数据处理方法,掌握了制靶工艺,开展了激光加载实验并在多种靶型中实现了数百GPa的准等熵压缩.实验获取的参数范围超过传统加载方式,数据质量达到国际先进水平.