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激光装置上的针孔点背光成像技术实验研究

 在神光-Ⅱ激光器上开展了针孔点背光成像技术实验研究,利用第9路激光驱动平面钛靶获得4.75 keV的准单能光源,在10 μm的针孔约束下形成次级点光源对镍网格等样品成像。实验获取了清晰的网格图像,空间分辨力达到7 μm,并对烧蚀碎片、杂散光等该技术的关键性问题进行了系统深入的研究分析。实验结果表明：针孔点背光具有高空间分辨力、大视场等特点,优于传统背光技术。     

液氘状态方程实验数据测量

在神光Ⅱ高功率激光装置上建立了液氘状态方程实验研究系统, 在80 min内实现控温范围12–300 K可调、控温精度±0.03 K、机械震动 ≤20 μm的实验控制精度; 通过镀膜窗口质量筛选和靶体清洁工作解决了低温下窗口材料残余反射率高的难题, 获得了信噪比较好的实验图像; 利用神光II第九路输出3ω (351 nm)、3 ns、1000 J的能力, 采用阻抗匹配方法, 配合任意反射面速度干涉仪诊断系统, 在国内首次获得液氘在约60 GPa压力下的冲击绝热线实验数据, 数据与国外同压力区间数据符合较好, 为下阶段约100 GPa压力范围液氘状态方程的实验研究奠定了基础.     

用于冲击诊断的成像速度干涉仪

为了诊断测量激光驱动冲击波,研制了具有空间分辨力的成像型速度干涉仪.该干涉仪主要包括输入部分、像传递部分及干涉部分,探测光采用波长为532 nm的单纵模激光.在靶位放置一分线板,经过测量,其空间分辨力小于10μm.基于天光KrF准分子激光系统的参数,设计并自制含有烧蚀层的单台阶金属靶,利用成像型速度干涉仪测量到了金属铝...     

神光Ⅱ装置靶丸内爆过程X射线背光照相实验研究

在神光Ⅱ装置上,8路激光注入金柱腔靶产生X射线驱动位于柱腔中心的DD靶丸内爆,第9路激光辐照Pd背光靶产生的L线X射线透视内爆靶丸,用针孔成像方式获得靶丸的透视图像,高速X射线条纹相机记录靶丸透视图像,建立了间接驱动内爆靶丸背光照相的实验方法,清晰地观测到了靶丸内爆的过程,对透视图像分析获得了内爆靶丸壳层运动轨迹和速度的实验数据,所获实验结果可用于间接驱动靶丸优化设计,还可用于内爆动力学数值模拟建模和计算结果的验证。     

静-动加载相结合的材料状态方程实验平台的研制

根据神光-Ⅱ第九路高功率激光加载的特点,对传统静高压金刚石压砧装置进行了改进和优化设计,研制出了适合高功率激光加载条件下材料宽域状态方程研究的新型静高压靶.在神光-Ⅱ高功率激光装置上建立了基于静高压金刚石压砧和动高压激光相结合的材料宽域状态方程研究平台.利用这一平台开展了超纯水的宽域状态方程实验探索,获得了较好的实验结果.     

激光驱动冲击波在铝-金阻抗匹配靶中的传播稳定性

 针对神光Ⅱ第九路激光条件，利用1维JB程序和多台阶靶技术对冲击波在铝 金阻抗匹配靶中的传播稳定性进行了理论和实验研究，实验结果与理论结果基本吻合。结果表明，激光驱动冲击波在铝 金阻抗匹配靶中传播时，高阻抗待测材料金中的冲击波稳定传播最大距离急剧减小。因此，在进行铝-金阻抗匹配靶物理参数设计时，应保证高阻抗材料金台阶厚度满足冲击波传播稳定性，然后再按照阻抗匹配实验中两种材料的冲击波速度比来确定低阻抗标准材料铝的台阶厚度。根据神光Ⅱ第九路激光条件，铝-金阻抗匹配靶中铝基底厚度选取为30 μm左右较好，金台阶和铝台阶厚度应分别小于10 μm和17 μm。     

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。     

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。     

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。