激光间接驱动冲击波实验测量

在神光Ⅱ高功率激光装置上,利用光学条纹相机观测台阶靶背面的冲击波加热发光,对样品中冲击波的平面性和冲击波速度进行了测量。通过冲击波法测得的腔内辐射温度与软X光能谱仪的测量结果一致,验证了冲击波速度测量的可信度。实验结果表明:在8路能量各为260 J、波长为351 nm的激光注入腔靶时,激光间接驱动的冲击波阵面在288μm范围内平面性较好,Al样品中的冲击波速度为3.15×106cm/s,对应的冲击波压力为1.66×1012Pa。

惯性约束聚变反应速率测量

聚变反应速率是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数,为测量聚变反应速率,研制了一套由闪烁体及鼻锥部分、光学系统和条纹相机组成的测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的聚变反应速率测量系统进行了聚变反应速率测量。在DT中子产额约为1010条件下,首次获得了聚变反应速率随时间的变化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行详细分析后表明,系统的时间分辨力优于30ps。

光学条纹相机扫描速度实验标定

为实现冲击波速度的精确测量,对光学条纹相机进行了标定,得到了处于不同扫速档时狭缝上不同位置在不同时间区域的扫描速度。标定结果表明,在10ns/15mm档和5ns/15mm档时,初始时刻的扫描速度明显慢于结束时刻。而对于相机的2ns/15mm档,初始时刻的扫描速度更快。相机扫描速度在不同时间差别较大,表明随着相机的老化,采用平均扫描速度和扫速非线性进行数据处理已不适用。

高时间分辨的聚变反应峰值时刻测量

聚变反应峰值时刻是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的具有高时间分辨的聚变反应历程测量系统对聚变反应时间过程进行了测量,通过引入时标光获得了对应不同碳氢(CH)烧蚀层厚度的聚变反应峰值时刻数据,测量结果表明:在当前的实验条件下,聚变反应峰值时刻落后入射激光0.7～1.0ns,增加烧蚀层厚度或氘氚(DT)燃料气压均会导致聚变反应峰值时刻与入射激光间的相对延时增加。

高时间分辨的聚变反应历程测量系统设计

为了测量惯性约束聚变实验中聚变反应的时间过程,提出了一种高时间分辨的聚变反应历程测量系统设计。该系统主要由闪烁体及鼻锥、光学成像系统和条纹相机系统三部分组成。用于能量分别为2.45MeV和14.03MeV的聚变中子测量时,系统的时间分辨分别优于55ps和40ps,对应的测量下限中子产额分别为1.5×109和4×108。

用于激光驱动冲击波诊断的成像型VISAR设计

利用激光驱动冲击波是高压状态方程研究的主要手段之一,一般利用扫描光学高温计(SOP)对冲击波进行诊断,但SOP存在的靶场干扰、无法实现弱冲击波测量和状态方程绝对测量等缺陷。为解决这些问题,提出了一种用于激光驱动冲击波诊断的双灵敏度成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)设计,并给出了VISAR各组成部分的技术要求。

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%。

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。

光学条纹相机时间扫描性能应用

对相机全屏扫速性能进行了系统分析,发现基于相机整体的平均扫速及扫速非线性处理扫描时间的传统方法不能反映相机空间畸变现象,并且扫速非线性放大了数据处理不确定度,从而降低了相机应用价值。建立了一套基于全屏扫速及扫速不确定度的扫描时间精细处理方法,它自洽消除了相机的空间畸变和扫速非线性的系统性影响。开展了理论分析和验证实验,结果表明:精细处理方法很容易使扫描时间数据处理相对不确定度降低到1%以内,显著提高了条纹相机时间扫描精度和应用可靠性。

全光扫描装置设计及实验研究

针对惯性约束聚变研究中高时间分辨测量的需求,详细分析并设计了一种新型的高时间分辨的全光扫描装置。该装置根据光生载流子效应、波导传输和棱镜色散原理,采用全光学元件,实现了全光器件的类条纹相机扫描功能。设计制作了具有棱镜结构和光偏转功能的全光扫描模块。以1053nm激光为传输光,527nm激光为泵浦光,完成了脉宽为8ps的脉冲激光信号作用下的光偏转实验。从技术上验证了全光扫描技术的可行性。

成像型任意反射面速度干涉仪数据处理方法

采用傅里叶变换方法,列出了对成像型任意反射面速度干涉仪得到的干涉条纹图进行处理的过程。利用文献结果,处理了冲击波整形时产生的有间断干涉条纹图,对处理结果进行了分析。结果表明:条纹图要干净,条纹间距清晰、均匀,应使用1维傅里叶变换的方法处理条纹图,减小滤波的难度。研究了冲击波测试当中条纹丢失的问题,提出了间断条纹图间断起始点相位确定的方法。对透明和不透明靶产生条纹图的不同进行了讨论,得出对透明靶产生的条纹图应采用适当的条纹外延技术进行预处理后再进行常规处理。

神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统

近背向散射光诊断系统的建立对于精密测量近背向散射光能量份额具有重要意义,它为惯性约束聚变物理实验激光能量与靶耦合效率参数提供了重要的数据支撑。介绍了神光Ⅲ原型装置的近背向散射光诊断系统,包括其主要功能、技术要求、光学设计与机械设计要点。该诊断系统以离轴椭球镜及靶室外的光学传递组为核心元件,具有灵活可靠的支撑和调节结构。在原型装置上使用该系统进行了打靶试验考核,结果表明该系统能进行稳定测量,数据结果符合预期。

超快中子探测器闪烁体性能计算

超快中子探测器是ICF聚变反应速率测量系统的核心部件。利用蒙特卡罗粒子输运工具包Geant4模拟了一种超快中子探测器——BC-422型闪烁探测器的中子探测过程,计算出了几种厚度的BC-422型闪烁体的探测效率、输出光信号强度和时间分辨力;对比了闪烁体的2种不同反射表面对输出光信号强度和时间分辨力的影响。计算的结果显示:设计适当的BC-422型闪烁探测器能够测量的最低中子产额在108量级,对DT中子的信号时间分辨力好于20 ps,对DD中子的信号时间分辨力达到30 ps,能够用于大型激光装置及其原型的聚变反应速率测量。

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流（1.6-4.4keV）份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。

辐射驱动冲击波速度被动式测量

在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上采用了辐射驱动冲击波速度被动式测量技术,对冲击波发光图像信噪比进行了理论分析和实验研究,结果表明:靶室内杂散光比冲击波信号至少强4个量级以上,是影响信噪比的关键因素。据此提出了信噪比控制技术,通过电磁屏蔽优化,采用了基于光触发的快时间分辨测量技术,提高了冲击波速度测量精度。基于冲击波测量辐射温度,对辐射驱动冲击波速度被动式测量技术进行了考核。实验测量的冲击波发光图像清晰,数据信噪比及冲击波速度和物理预期一致,验证了技术的可靠性。

激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来,四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立,部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识,还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响,促进了实验技术的精密化发展。在未来,还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术,面向点火黑腔条件,大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度,开展新物理机制的探索和研究,在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。

基于旋滤波的散斑干涉图预处理方法

介绍了旋滤波算法中窗口大小变化对滤波效果的影响,得出旋滤波的窗口应该取在约1/4条纹宽度的结论。处理了大散斑噪声的干涉图,发现窗口尺寸必须超过散斑尺寸才能得到比较好的滤波效果。确定了旋滤波算法应用的范围是大于散斑尺寸,且在1/4条纹宽度处比较合适。针对滤波后条纹对比度降低的问题,使用灰度拉伸的方法进行对比度增强。

神光Ⅲ原型装置的全孔径背向散射诊断技术

为了更好地研究神光Ⅲ原型实验中激光与等离子体相互作用产生的散射光,研制了新的全孔径背向散射诊断系统。该系统根据布里渊散射与拉曼散射的性质区别,使用二向色镜对散射光进行分光提纯,采用真空滤波器、挡光板、高反滤波片以及改变倍频晶体角度等进行消杂光处理,进而减少杂散光对测量结果的影响。同时,该系统采用特制的全口径大光斑激光器模拟打靶散射光对光路透过率进行标定。实验结果表明:新的全孔径背向散射诊断系统工作状态稳定,明显减少了杂散光的影响,所测数据更加真实可靠。

光学条纹相机扫描速度和非线性的测试

介绍了光学条纹相机的扫描速度测试实验和非线性计算过程以及结构、工作原理,并讲述了实验是以YAG染料激光器为光源,利用标准具的精确距离得到相机所测条纹图上相邻两条纹之间的时间间隔,以此推算条纹相机的扫描速度,并用重复测量的方法推算出相机的扫速非线性。

基于神光Ⅲ原型装置的冲击点火分解实验

冲击点火是一种新型点火方式,介绍了国内进行的冲击点火分解实验。实验结果表明:相比于方波脉冲,在冲击峰整形脉冲作用下激光与等离子体相互作用明显增强,背向散射光的份额增加,散射光谱来自于不同密度的等离子体区域。实验中也观察到了方波条件下冲击波在CH样品中的传播过程,与模拟计算结果较为符合。