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10 μm,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。     

用于平面靶X射线诊断的1维KBA显微镜

对用于神光Ⅱ装置4.75 keV能点平面靶成像诊断的1维KBA显微镜进行了实验研究。基于空间分辨力和工作环境要求,设计了1维KBA显微镜的光学结构,并与传统KB显微镜的成像性能进行了对比分析。设计和制备了可同时工作于8 keV和4.75 keV能点的双能点多层膜KBA物镜,解决了系统装调问题。利用神光Ⅱ装置第九路激光打击Ti靶产生的X射线作为背光源照射1 500目金网,进行了4.75 keV网格成像实验,结果表明:在整个背光源照明区域内,系统的实际分辨力约为4 m,系统的有效视场受背光源大小的限制。     

基于神光Ⅲ原型的双轴速度干涉仪

在激光惯性约束聚变研究中不对黑腔和靶丸做额外处理的条件下,靶丸的早期驱动对称性一直缺少直观的观测手段.介绍了基于神光III原型装置发展的双轴任意反射面速度干涉仪技术及相应的实验结果.通过在靶丸内部安装小反射镜的方式,获得靶丸赤道及极区的冲击波速度历程.根据材料的反射率及其受X射线的影响程度,确定Al为现阶段反射镜的合适材料.对汇聚几何效应下的数据判读问题进行了分析,发现靶装配精度对该技术的影响很大.通过实验完成了双轴VISAR诊断技术的探索,可为进一步发展双轴速度干涉仪和多轴速度干涉仪的工作提供参考.     

束靶耦合传感器光学及机械设计

利用共轭原理设计了用于惯性约束聚变的束靶耦合传感器,不仅解决高精度打靶,同时避免模拟准直光在瞄准过程中直接辐照实验靶。根据束靶耦合传感器的设计功能和工作原理,进行系统的光学设计和机械结构设计,通过成像实验采集的图像光学分辨力达到6 m,束靶耦合精度8.8 m。该束靶耦合传感器已经成功应用于神光-Ⅲ原型装置,通过针孔相机采集的四孔CH靶图像,统计计算得到装置的打靶精度优于25 m,满足设计打靶的束靶耦合精度的指标。     

神光Ⅱ与神光Ⅲ原型上的辐射驱动小收缩比内爆靶设计

本文建立辐射驱动小收缩比(5至10倍)的内爆靶丸的设计方法,并利用辐射流体力学程序Multi-1d对神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置的辐射驱动小收缩比内爆靶丸进行模拟计算,设计出小收缩比内爆靶丸的构形,计算结果给出压缩比、中子产额、压缩面密度随燃料压力变化等内爆物理参量.神光Ⅱ装置上的内爆靶燃料分别采用DD气体和DT气体两种;神光Ⅲ原型装置的内爆靶燃料采用DD气体.神光Ⅱ上小收缩比内爆实验结果与模拟结果基本一致,表明Multi-1d用于设计此类实验的可靠性. 关键词： 辐射驱动 小收缩比 内爆 面密度     

成像型任意反射面速度干涉仪研制

成像型任意反射面速度干涉仪是激光驱动冲击波研究的重要诊断设备,主要应用于惯性约束聚变脉冲整形实验、高压状态方程实验研究和材料特性研究.基于传统任意反射面速度干涉仪的特点,研制了一台基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪,该系统可用于测量自由面速度及透明介质中的冲击波速度.给出了成像型任意反射面速度干涉仪的详细设计要点.对系统性能进行了分析及测试,结果表明时间分辨优于30 ps,物方空间分辨约为10 μm,测速范围为6～45 km/s.     

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1.0～5.5 keV,空间分辨力优于20 m,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II装置上速度干涉仪的研制及应用

任意反射面速度干涉仪(VISAR)具有很高的测试精度, 能实现冲击波速度、粒子速度的连续测量, 是目前冲击波传播相关物理实验的主要诊断设备. 神光II高功率激光装置上的速度干涉仪其空间分辨率优于7 μm, 靶面视场约为1 mm, 探针光脉冲宽度约为 60 ns, 能满足各类冲击波相关实验的诊断. 该VISAR系统用偏振分光镜和波片系统组成了能量调节系统, 极大地方便了探针光能量和条纹相机匹配的调节; 利用新颖的探针光引入系统, 极大地提高了探针激光的能量利用率 (相对其他方法, 能量利用率提高了3倍). 该速度干涉仪已成功应用于状态方程实验、等熵压缩实验和冲击波追赶实验. 本文利用激光脉冲整形技术获得了无冲击压缩实验图像, 利用石英作为标准材料获得了聚苯乙烯 (CH)的Hugoniot数据, 利用双脉冲激光获得了石英材料中冲击波追赶 的实验图像并与理论模拟进行了对比, 实验和模拟符合得比较好. 实验结果表明, 神光II装置上的速度干涉仪能满足不同时间尺度(亚ns---几十ns) 冲击波传播相关物理实验的诊断, 为进一步开展CH的高精度Hugoniot参数测量、 高压无冲击压缩实验和冲击波时空整形实验奠定了基础.     

基于激光驱动等离子体X光源的X射线相衬成像

为了诊断惯性约束聚变(ICF)内爆靶丸球壳的多层信息,在神光Ⅱ激光器上对激光驱动等离子体X光源的相衬成像进行了研究。利用神光Ⅱ第9路激光驱动平面Ti靶获得X光源,在10μm的针孔约束下作为次级点光源对样品成像,用X光胶片记录。成功地将相衬成像技术应用于ICF实验,综合考虑成像放大倍数、分辨力、成像衬度和抑制烧蚀碎片等因素,选择合适的实验条件,成功获得了清晰的双层内爆靶丸球壳结构,空间分辨力优于10μm。     

靶丸变形实验的多群扩散整体数值模拟

神光Ⅱ装置上靶丸压缩实验中,黑腔长度的变化会影响靶丸赤道和两极受到的辐照强度,从而导致燃料区被压缩成不同的形状。介绍了辐射多群扩散建模下的辐射流体力学方程组及其数值方法。采用最近研制的二维总体LARED集成程序,对神光Ⅱ不同长度黑腔靶丸压缩变形实验进行了整体数值模拟。结果表明辐射多群扩散建模可以反映腔内辐照均匀性变化情况,靶丸压缩形状与神光Ⅱ实验定性一致。     

神光-Ⅱ和神光-Ⅲ原型内爆对称性实验的模型分析

内爆靶丸的X光辐射驱动对称性分析和控制能力演示是惯性约束聚变(ICF)研究最重要的课题之一, 目前国内外已展开许多实验和模拟研究.建立了一种ICF内爆对称性分析的简化模型, 利用该模型分析了神光-Ⅱ和神光-Ⅲ 原型激光装置上的内爆对称性实验. 与实验结果比较表明,计算最佳腔长与实验值基本相符;靶丸压缩变形因子计算结果也与实验测量值接近. 模型的有效性得到验证,可为即将开展的神光-Ⅲ 主机内爆对称性实验参数设计和结果分析提供参考.     

“神光-Ⅱ”装置倍频激光直接驱动冲击波平面性的实验研究

 设计了3套针对“神光-Ⅱ”倍频激光直接驱动的透镜阵列均匀辐照系统，并对冲击波的平面性进行了实验研究。结果表明，冲击波的平面性与透镜阵列参数、平面靶厚度、靶面位置等有关，采用列阵元数为121的透镜阵列进行激光束匀滑驱动的冲击波平面性最好，间接说明它在靶面的激光辐照是最均匀的；另外，随着靶厚的增加，冲击波平面性变差，平面区变小；而且冲击波平面性随靶面离焦位置的变化成一定的周期性变化，第2套透镜阵列焦点处的冲击波平面性最好。     

斜入射激光驱动的冲击波在样品中传播特性的实验研究

在“神光-Ⅱ”高功率激光装置上，利用弯折靶、双台阶靶实验及通过对等离子体喷射状态的实验测量，研究了激光斜入射情况驱动的冲击波传播特性.结果表明，即使在大角度(约45°)斜入射的激光驱动下，靶材料中的冲击波依然是沿着靶面法线方向传播的，并能形成很好的一维正击波. 关键词： 斜入射 冲击波 弯折靶 双台阶靶 激光状态方程     

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288 mm范围内平面性较好，Al样品中的冲击波速度为3.15×10⁶ cm/s，对应的冲击波压力为1.66×10¹² Pa。     

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。     

神光Ⅱ激光装置集中控制系统设计

为提高神光Ⅱ激光装置的计算机控制水平,以控制系统软件开发工具EPICS为框架,设计并开发了神光Ⅱ装置的集中控制系统。具体介绍了该控制系统的总体结构和软件的逻辑组成,并以数据库和驱动程序为实例探讨了在Linux环境下EPICS软件的开发和应用。实验结果表明:该控制系统能够满足神光Ⅱ装置对计算机集中控制系统的功能要求,也为高功率激光装置的集中控制提供了新方案。     

利用LARED-H后处理程序计算神光-Ⅱ黑腔辐射温度

编制了二维非平衡激光靶耦合程序LARED-H的后处理程序,利用LARED-H计算的黑腔内等离子体状态量,求解定态多群光子输运方程,算出到达激光入射口的辐射强度及等效辐射温度.计算结果与神光-Ⅱ黑腔实验测量结果进行了比较.     

神光Ⅱ装置直接驱动柱形靶压缩

在神光Ⅱ激光装置上,针对外径260 m的柱形靶,采用大焦斑拼接的办法（焦斑直径约200 m）,开展了八路激光直接驱动压缩实验。利用第九路激光驱动钼X射线背光,使用Kirkpatrick-Baez显微镜成像以及条纹相机记录的方法,获得了柱形靶内爆流线图,据此给出的压缩后密度约为初始密度的120倍。该密度处于快点火电子产生区和能量沉积区密度之间,正是电子束需要传输的密度区域。神光Ⅱ皮秒激光运行后,可以利用这种压缩的柱形靶开展电子束在稠密等离子体中传输的实验研究。     

X光分幅相机在黑腔等离子体填充特性研究中的应用

 在神光Ⅱ装置上2.4 ns长脉冲三倍频激光（激光能量8×300 J）与腔靶耦合实验研究中,X光分幅相机通过激光注入孔观测获得了3种腔尺寸腔内Au等离子体径向运动时空分辨图像。用MATLAB对图像进行了定量处理,结合时间分辨辐射温度测量结果分析表明：在腔内不充气、无低Z衬垫情况下,标准腔（800 μm×1 350 μm）在激光脉冲作用到约1.5 ns时出现明显的Au等离子体堵腔效应;当腔尺寸放大到1.25倍（1 000 μm×1 800 μm）和1.5倍（1 200 μm×2 100 μm）时,腔内等离子体基本不堵腔。给出了3种腔尺寸不同时期腔内Au等离子体径向聚心速度,分析表明：大腔的聚心速度比小腔的慢,后期比初期慢。     

基于成像板-X射线条纹相机的精密耦合技术

为实现惯性约束聚变(ICF)实验中同时获取靶点的X射线1维动态和2维静态积分图像,提出了一种全新的X射线图像采集方法。结合成像板与X射线条纹相机的工作特性,通过在阴极狭缝前精密耦合成像板,实现X射线图像到达狭缝的同时采集其外围区域的静态积分图像。该方法具有对靶点X射线图像的1维动态与2维静态图像对比分析、成像系统像面位置精密空间定位的功能。利用该方法在神光Ⅱ装置上实现搭载Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜获得内爆靶球压缩流线图,并应用于流体不稳定性实验中。