开拓创新 持续发展中的神光装置

高功率激光物理国家实验室是中国科学院和中国工程物理研究院合办的跨部门的科学技术研究实体。实验室主要从事高功率激光实验装置的工程研制，开展高功率激光物理和技术的研究；保障激光装置高质量运行．并开展激光等离子体物理研究。

神光装置实验和诊断技术进展专题·编者按

目前,随着以神光Ⅲ装置——这个世界上输出能力第二的大型激光装置的建成,我国已具备了研究极端条件下高能量密度物理领域前沿问题的条件.中国工程物理研究院（中物院）激光聚变研究中心已经在神光Ⅲ、神光Ⅲ原型以及神光Ⅱ装置上开展了多年的激光惯性约束聚变（Inertial Confinement Fusion,ICF）研究,取得了大量具有国际先进水平的研究结果,并发展了一系列达到国际先进技术水平的诊断技术.

神光装置φ200mm口径KDP晶体高功率倍频激光系统

报道了φ２００ｍｍ口径ＫＤＰ晶体高功率倍频激光系统的研制结果，并实现了神光装置信频激光打靶。五十枪次全口径打靶实验表明，倍频激光系统性能稳定。实验中，当入射基频激光强度大于１．５ＧＷ／ｃｍ２，倍频器的外部转换效率保持在６０％以上。最大入射基频激光能量为３５７．８Ｊ时，输出倍频激光能量为２２３．４Ｊ，倍频转换效率为６５．６％。

神光装置倍频激光能量测量

给出了监测倍频激光的能量计的技术参数，在神光装置中实测了倍频激光能量及其转换效率。并对监测倍频激光的能量计对标方法进行了讨论。

神光Ⅲ主机装置编组站稳定性设计

为使神光Ⅲ主机装置的打靶精度达到30μm,本文以稳定性指标为前提设计了该装置的靶场编组站,并对编组站刚架和传输反射镜组件进行了优化。采用钢筋混凝土结构支撑编组站刚架,在编组站刚架主框架内增加斜撑,以减小并合理分布编组站刚架的质量载荷,同时对局部的横梁增加人字形斜撑。设计了反射镜架且使其基频远高于编组站刚架基频以抑制编组站反射镜在随机宽频振动激励下的角度漂移。对靶场结构有限元(FEA)模型的力学分析表明,编组站中87%的传输反射镜的角度漂移低于0.48μrad,根据靶场系统中各元件漂移对光路定位误差的影响公式进行分析,结果显示编组站反射镜角度漂移可以满足靶场各单条光路定位误差不超过12.9μm的稳定性指标,证明所设计的神光III主机装置编组站可以满足相应的稳定性要求。

神光Ⅲ主机装置真空靶室组件研制

针对神光Ⅲ主机装置真空靶室系统横向刚度较弱、必须进行现场精密加工和安装等研制中的技术难题,对真空靶室组件的结构和整体加工工艺进行了设计。结合靶场总体稳定性设计思路,设计了垂直支撑结构和能提供摩擦阻尼耗能的横向支撑结构,并对壁厚进行了优化设计。通过使用开孔器、六维调节结构和激光跟踪仪,设计修配调整垫等,解决了现场精密加工问题,实现了靶室与靶场基准体系的精密对接。计算结果表明,48束打靶透镜平均平动位移均方根值为2.8μm。建成后,靶室中心高度偏差为±0.12mm,水平偏差达到±0.18mm,各重要联接法兰对心偏差达到0.35～0.40mm。

神光Ⅱ升级装置X光针孔相机研制

针孔相机是激光焦斑及打靶瞄准精度监测的主要工具。针对神光Ⅱ升级装置开展针孔相机的研制工作。通过各项参数和结构的优化设计,完成神光Ⅱ升级装置针孔相机诊断系统的设计、研制和集成调试,并进行性能测试实验。结果表明:针孔相机探测能区到达1.0～5.5keV,空间分辨力优于20μm,放大倍率5.13～9.99。针孔相机可用于神光Ⅱ升级装置开展激光焦斑及打靶瞄准精度监测工作。

神光Ⅲ原型装置中鬼像的近轴计算与分析

针对神光Ⅲ原型装置,提出了一种在复杂的光学系统中进行鬼像分析的有效方法。该方法的特点在于结合了近轴光线追迹法和二叉树的数据存储结构,能对整个神光Ⅲ原型装置中可能产生的1至多阶(最高6阶)鬼像进行全面的分析,且耗费时间较短。通过分析找出了神光Ⅲ原型装置中鬼像能量较集中的几个光学表面,它们分别是:泡克尔斯盒中一个开关的前后表面,经过主放大级后的垂直反射镜面和折返系统末端的一块透镜的后表面等,这些结果都将为设计阶段排除高能量鬼像对系统元件可能造成的损伤提供有力的参考。

神光Ⅱ升级装置软X光能谱仪研制

软X光能谱仪（SXS）是惯性约束聚变黑腔辐射流、辐射温度测量的主要诊断设备。根据神光Ⅱ升级装置实验需求，完成软X光谱仪系统研制，并开展了性能研究。谱仪采用环形透镜成像准直方法保证瞄准精度，通过固定角度平面镜安装机构来减少角度偏差。利用滤片、平面镜以及X光二极管（XRD）探测器的标定实验结果，得到谱仪测量能区为0．05～4．97keV。在短脉冲激光装置上开展通道时间响应性能研究，确定系统时间分辨力为99．22ps。

神光Ⅲ激光装置能源模块的可靠性增长评定

能源模块是神光Ⅲ激光装置最重要的单元模块之一,其可靠性水平直接关系到神光Ⅲ激光装置的可靠性、稳定性、能量转换效率以及装置的造价。为了评估能源模块的可靠性,提出了根据模块试验运行过程特点的两阶段评估法。第1阶段的失效数据较多,采用传统的Weibull寿命数据方法评估;第2阶段失效数据较少,采用一种综合利用第1阶段可靠性评估结果的Bayes评估方法。给出了第1阶段的可靠度函数和首发打靶可靠度,第2阶段可靠度的计算方法以及首发可靠度。结果表明能源模块的可靠性增长呈阶段增长方式,在每一阶段中可靠性水平保持不变。

神光Ⅲ主机装置X光静态成像系统研制

针对神光Ⅲ主机装置的靶室结构和打靶方式要求,基于针孔成像原理,成功研制出应用于神光Ⅲ主机装置的X光静态成像系统。该系统采用模拟靶组件进行离线瞄准,并可进行在线轴向和指向调节,调节精度分别为81μm、40μm。针孔组件和滤片组件的自动更换使系统实现了真空环境下的在线快速切换和运行。同时使用有限元软件ANSYS对系统的变形与应力进行模拟分析以保证系统的可靠性。系统搭载X光CCD在神光Ⅲ主机装置上进行激光打靶考核,实验结果表明,该系统达到神光Ⅲ主机装置使用要求。

神光Ⅲ原型装置靶室电磁干扰测量与分析

为研究电磁干扰对诊断设备的影响,提出了利用天线进行靶室内外强电磁干扰测量的方法,研制了适应于神光Ⅲ原型装置靶室的天线测试系统。测试系统测量频谱范围100MHz^1.25GHz,并对靶室内外打靶时刻的电场进行初步测试。测量结果表明距靶室中心550 mm处电场干扰峰值强度达到26019V/m,靶室外距靶室中心2200 mm处峰值强度为978V/m。通过实验研究,提出用于该激光装置的电子学物理诊断设备设计时需具备的屏蔽性能要求。

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10μm,测速范围为10～50 km.s-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km.s-1。

神光Ⅲ原型装置直接驱动均匀辐照设计及在快点火中的潜在应用

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。

用于神光II激光装置的X光针孔相机

研制了用于神光II激光装置的X光针孔相机。在神光II激光装置上,作为主要设备的X光针孔相机发挥了重要作用。对神光II激光装置惯性约束聚变(ICF)进行研究的X光针孔相机及利用该相机在ICF相关研究中获得典型的实验结果做了介绍。

中国的神光——神光Ⅱ高功率激光实验装置

惯性约束聚变(ICF)研究的长远目标,是实现可控核聚变,为人类提供理想的能源。神光Ⅱ高功率激光装置是由中国科学院、中国工程物理研究院、国家高技术863计划支持的大科学工程项目。该装置是目前我国规模最大、国际上为数不多的高性能高功率固体激光装置,是我国中近期惯性约束聚变重要实验平台。

神光Ⅱ装置中驱动式弹性联轴器的研制

在神光Ⅱ装置精密化研究过程中,研制了一种新型驱动式弹性联轴器,实现电机驱动平移,有效补偿两轴的空间位移,缓冲和减小两轴传动引起的振动,提高光束控制的稳定性和精度,已广泛应用于高功率激光装置和各种光学实验中。

神光Ⅲ原型装置能源模块150路放电电流异常性检测方法

为了快速判断神光Ⅲ原型装置能源模块150路放电电流的异常性,采用MATLAB小波工具箱提供的一维离散小波变换的分解函数编程和自创的逐点比较算法相结合,对波形异常情况进行判断。经工程应用,该法切实可行,缩短了神光III原型装置故障判断所消耗的时间,为主机装置中千余路波形的快速判断奠定了基础。

神光Ⅲ装置电磁脉冲测量

针对神光Ⅲ装置电磁脉冲辐射的特点,结合装置靶场特殊试验环境,设计了电磁脉冲辐射测量装置,能够捕获试验中产生的高功率超宽带瞬态电磁脉冲信号,为评估装置电磁辐射环境和开展电磁兼容研究提供了手段。

神光III原型装置计算机集中控制系统数据库设计

神光III原型装置,采用两级数据库设计,包括总控和服务FEP及分控服务FEP。数据库同步方案包含系统公用表及各类基础表同步、试验数据表同步及采用联机分布式事务管理约束对参数表同步。并以方案为中心进行试验,其参数录入、数据采集、存储、分析遵循程序运行及管理流程。方案的优化过程需要操作人员的介入。