神光Ⅲ主机高能X射线背光照相研究

在惯性约束聚变研究中获得滞止阶段内爆靶丸芯部状态图像具有极其重要的意义和价值。高功率密度拍瓦装置打击高Z金属靶产生轫致X射线（70 keV）光源,并利用康普顿背光照相获取该图像是重要的诊断方法。基于神光Ⅲ主机装置483 kJ的驱动能力开展相关背光照相性能研究。结合国外相关实验结果和数值模拟计算方法分别从光源亮度以及内爆过程产生的噪声分析入手,从理论上设计了整套康普顿成像系统。结果表明在神光Ⅲ主机上利用康普顿背光照相可以获得高质量的内爆压缩靶丸滞止阶段图像。     

多点光源相衬成像法应用于内爆背光照相实验

针对常规内爆背光照相中存在的光源均匀性差、 靶丸图像烧蚀层与气体层界面不清晰、 瞄准精度差等关键问题设计了新型的背光照相靶. 在神光II大型激光装置上采用阵列点光源结合相衬成像的方式获取了清晰的靶丸烧蚀层与气体层界面信息, 同时具备光源均匀性好, 成像视场大的优点; 采用诊断狭缝限光的方式大大提高了瞄准精度使得整体图像质量优于常规靶设计. 实验结果表明, 激光驱动等离子体产生的点光源结合相衬成像方法在精密物理诊断中具有重要的作用, 可以广泛应用于惯性约束聚变以及高能量密度物理研究. 关键词： 惯性约束聚变 背光照相 针孔点背光 相衬成像     

快点火锥壳靶内爆自发光图像数据处理

为研究快点火预压缩过程中导引锥对压缩靶丸芯部辐射对称性的影响,在神光Ⅲ原型上开展了快点火预压缩的自发光测量实验。采集了相同长度黑腔中不同类型靶丸的内爆自发光图像和不同长度黑腔中同类靶丸的内爆自发光图像,利用最小二乘椭圆拟合方法对芯部的自发光半峰值强度等高线进行椭圆拟合,通过椭圆特征来分析靶丸在最强发光时刻的压缩对称性。分析结果表明:导引锥的存在会使发光区域沿着赤道方向拉长,降低了压缩对称性;有锥靶丸在1600μm黑腔内的形变小于在1500μm和1700μm黑腔内的形变,压缩对称性可以通过调整黑腔长度来控制。     

X射线相衬成像技术应用于高能量密度物理条件下内爆靶丸诊断

内爆压缩过程中多层球壳靶丸变化规律的研究是惯性约束聚变的核心内容. 利用相衬成像技术可以提高低Z材料分界面成像衬度的特点在神光Ⅱ大型激光装置上开展了相关研究. 实验通过激光打Ti靶和针孔点背光的方式产生4.75 keV的X射线微点源, 针对内爆压缩过程中的靶丸样品投影成像获得了清晰的多层球壳靶丸图像, 空间分辨率优于10 μm.同时利用一维流体力学数值模拟程序分析了球壳运动的过程, 实验结果与数值模拟结果符合较好.表明了X射线相衬成像技术在高能量密度物理环境下仍然能够提高低Z材料分界面的衬度,获得高质量的物理图像,能够广泛应用于可控聚变能源、 天体物理等前沿科学领域.     

神光Ⅱ升级装置激光加速质子照相初步实验研究

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化,获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相,获得了优于20 m的高空间分辨网格图像,为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验,获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束,证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低,分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。     

基于神光Ⅲ原型装置的新型针孔点背光实验

在神光Ⅲ原型装置上发展和改进了新型针孔点背光技术. 通过1600 J/1 ns/351 nm激光与3 μm钛背光靶相互作用产生4.75 keV的点光源, 利用该点光源成像获得了高质量的钨丝以及靶丸图像, 并通过多种诊断设备获取了较为完整的背光源参数. 实验结果表明, 新型的针孔点背光具备高亮度、 高空间分辨等优点, 可以广泛应用于高能量密度物理研究中. 关键词： 高能量密度物理 惯性约束聚变 背光照相 针孔点背光     

神光Ⅱ激光装置X射线高分辨单色成像技术

介绍了基于球面弯晶的X射线高分辨单色背光成像技术。通过对球面弯晶背光成像系统的分析,获得成像关键性能参数随成像系统设计参数变化的关系,设计了应用于神光Ⅱ激光装置的单色背光成像系统。利用石英球面弯晶,采用Mg的类H共振发射线以及利用云母球面弯晶,采用Mo连续谱中3.14 keV能点进行背光实验,获得了内爆靶丸的单色投影图像,空间分辨在较大范围内好于5 m。这种成像技术在现阶段惯性约束聚变(ICF)实验研究中能够发挥许多重要的作用,特别是对内爆靶丸压缩流线的测量和流体力学不稳定性的诊断。     

示踪材料在内爆X光诊断过程中的作用

 激光聚变内爆实验中,在燃料中掺杂少量比例的中高Z材料,用X光光谱和X光成像测量掺杂元素的发射信息,诊断燃料的温度、密度和压缩形状。用辐射流体力学数值计算和X光成像后处理程序综合分析方法,给出了内爆靶丸优化设计,并讨论示踪材料在X光诊断中的作用。结果表明:在靶丸燃料D2中掺原子分数约1.0％的氩,内爆压缩中子产额下降约15％。由于氩线发射使整个燃料区X光发射强度提高约50倍,X光成像区域增大约30％,有利于实验诊断测量燃料芯部。为了测量燃料区的边界,在CH内壳层涂厚度0.05 μm的硫,分析表明硫Ly-α单能成像大小与流体力学计算的燃料区大小一致,可用于诊断燃料最终压缩界面。数值分析结果得到了神光Ⅱ间接驱动内爆物理相关实验的验证。     

基于基函数展开方法处理具有陡峭界面的Abel反演问题

在激光聚变研究中,存在大量具有陡峭不连续界面特性的靶丸等离子体诊断问题,需要借助Abel反演方法对结果进行分析。 提出了一种基于基函数展开处理不连续径向分布的Abel反演方法,采用带约束的Landweber迭代法求得优化结果。利用该算法可以对不连续阶跃分布进行比较准确的反演,获得阶跃结构特征。在理想情况下,针对不连续阶跃分布的反演方差好于10-4,即使在存在一定噪声的情况下也仍然可以获得较好的结果。该方法可用于对激光聚变研究中压缩过程中球壳的背光照相、自发光成像、光谱测量等诊断结果的数据分析。     

内表面掺硅聚苯乙烯空心微球初步研究

靶丸内表面掺杂诊断元素可以为内爆压缩界面的研究提供必要的手段。以二甲基二乙氧基硅烷为原料，利用乳液微封装技术和界面聚合技术可以实现单一内表面掺硅的空心聚苯乙烯微球的制备。X光照相和X能谱分析表明:内表面掺硅量比外表面高出2~3个数量级。均匀内表面掺硅层的厚度小于0.3μm，掺杂层厚度越小，均匀性越好。     

用于神光Ⅲ燃料面密度诊断的下散射中子探测系统设计

根据辐射屏蔽后5.5m测点处的辐射场情况,分别设计了电流型探测器系统和成像型探测器系统。通过Geant4数值模拟分析可得:在面密度达到10mg/cm2、初级中子产额为1012时,电流型探测器系统满足测量的信噪比,信噪比达到40∶1;在面密度达到10mg/cm2、初级中子产额为1011时,成像型探测器系统满足测量的信噪比,信噪比好于10∶1;面密度增大时,信噪比有所改善;但是当初级中子产额达到1012时,出现中子信号重叠现象,可通过缩短曝光时间或者减小塑料闪烁体厚度来降低中子重叠率。     

激光直接驱动内爆DT燃料面密度诊断

在神光Ⅱ基频光直接驱动内爆实验中,利用CR39径迹探测器测量了DT靶丸释放出的14MeV中子弹性散射后逃逸出燃料的反冲D核和反冲T核的数量,实现了激光聚变实验中燃料面密度〈ρR〉的诊断.测量结果表明,靶面激光照射均匀度对压缩状态具有一定程度的影响,爆推靶〈ρR〉低于烧蚀靶〈ρR〉一个量级左右,表明烧蚀靶压缩情况比爆推靶好,超热电子预热严重影响压缩 关键词： 惯性约束聚变 等离子体诊断 燃料面密度 CR39     

用于神光Ⅲ主机燃料面密度诊断的下散射法探测系统的准直设计

在惯性约束聚变实验中,用下散射法诊断燃料面密度对本底的屏蔽要求较高。分析了神光Ⅲ主机纯氘燃料靶在实际诊断环境中产生的本底辐射场,通过蒙特卡罗方法得知测量点处散射本底主要来源于初级中子与真空腔室、周围诊断平台、天花板和地板的作用。据此分析选取合适的材料和屏蔽方案。通过模拟计算,得到尺寸优化后的准直器设计方案,该方案达到了实验要求。     

大型激光原型装置低燃料面密度诊断技术

由于某大型激光原型装置内爆实验的燃料面密度很低,提出了利用充纯D燃料内爆产生的初级DD中子和次级DT中子的产额比值来诊断燃料面密度的方法。在该原型装置的首轮内爆实验中,利用研制的高灵敏塑料闪烁体探测器对初级DD中子产额和次级DT中子产额进行了测量。通过实验发现,当初级DD中子产额高于108时,可以测得次级DT中子实验数据。建立了均匀内爆模型,用初级和次级中子产额比值法对燃料面密度进行计算,获得的该原型装置首轮内爆实验燃料压缩的平均面密度小于4.0 mg/cm2。     

Optimal design of shock ignition target in order to stop generated hot electrons within the cold fuel

Generation of hot electrons (HEs) within ignitor pulse interaction with pre-compressed fuel is an important challenge in the shock ignition approach. Target optimization in order to prevent the destructive effects of HE is the main goal of the present work. In the first stage, the spectrum of electron energy generated during the interaction of ignitor pulse at different widths with the HiPER pre-compressed target has been estimated by applying particle simulation tool. Then, by changing the thickness of the cold fuel in the range of 185–225 μm, the corresponding areal densities are calculated using 1D hydrodynamic simulations. Finally, in order to assess the energy fusion yield, the iso-gain curves are obtained for different ignitor time windows as well as target thicknesses. Simulation results indicate that by decreasing the baseline, target thickness leads to a 17–70% increase in the fuel areal density. Subsequently, it has been demonstrated that by properly adjusting the parameters of ignitor pulse launch time and its width and employing a target with areal density high enough to stop the HEs, energy gain above 140 can be achieved. Optimal areas for shell thickness and ignitor time window are identified.     

激光间接驱动内爆靶丸的X光诊断

 报道了神光Ⅱ激光聚变实验中内爆燃料靶丸区电子温度、电子密度以及燃料面密度的X光诊断结果。在电子温度诊断中,采用X射线光谱学方法,根据聚变靶丸燃料区的Ar示踪元素的Ly-β线与He-β线的强度比推断出靶丸燃料区电子温度为(950±100) eV;在电子密度诊断中,利用靶丸燃料区Ar元素的He-β线Stark展宽确定聚变靶丸芯部的电子密度为(0.9±0.2)×10²⁴ cm^-3;在燃料区面密度诊断中,利用X光单能照相技术获得了内爆靶丸的燃料面密度为（3.2±0.5） mg/cm²。     

New multivariate noise model and data detection using the expectation maximization algorithm

A signal sequence detector in a high areal density recording channel is required to provide robust compensation against unexpected error events. Primarily, a number of error events are caused by media noise and nonlinear distortion. The same problem of signal sequence detection remains to be solved in a future magnetic recording system that comes in predisposed to trend for recording by large-sector size instead of existing single-sector one that consists of 512 information 8-bits bytes. For the above problem, this paper shows the signal estimation method based on statistical inference for such a finite mixture model with known number of degraded noise components. Our signal detection scheme with multivariate autoregressive models for total noise and the expectation maximization algorithm is applied to maximum a posteriori estimation for multivariate mixtures of noise. Furthermore, a non-binary low-density parity-check (LDPC) code is used for an error-correcting code that satisfies the specific run-length limited condition in the proposed system. It shows that the proposed error-correcting and signal detection methods are effective in estimating signal sequences degraded by media noise and in improving the error rate performances with respect to the conventional system using the binary LDPC code and univariate autoregressive model.     

含系统模糊的闪光照相正向成像技术研究及应用

<正>向成像技术是正向计算与反演相结合的密度重建技术的基础。为了正确获取闪光照相面光源下复杂客体的正向计算数值图像,提出了面光源点源化的思想,并用窗口化的探测系统模糊、径迹法等技术得到了更加准确的、含系统模糊的正向投影矩阵以及方程。利用含系统模糊的正向投影方程计算实验客体的正向投影,获得了与实验结果一致的边界信息。含系统模糊的正向投影方程和逆问题求解的约束共轭梯度法合成了整体密度重建方法。整体密度重建方法应用于FTO客体的模拟图像和实验图像,都能够将模糊控制在1~2个像素。     

Application of Emulsion Cloud Chamber to cosmic-ray muon radiography

Muon radiography (muography) is a powerful technique for probing the internal density profiles of volcanoes. A nuclear emulsion is a desirable detector for this purpose because of its light weight and because it does not require electricity for operation. One technical problem, however, is an existence of background noise signals caused by low energy charged particles. The present work proposes the use of Emulsion Cloud Chamber (ECC), which is a repeated structure of emulsion films and passive metal plates, to reject these noise particles. The performance of the background reduction is demonstrated by a test measurement at Showa-Shinzan Lava Dome, Hokkaido, Japan.     

Review of dark matter direct detection experiments

Matter, as we know it, makes up less than 5% of the Universe. Various astrophysical observations have confirmed that one quarter of the Universe and most of the matter content in the Universe is made up of dark matter. The nature of dark matter is yet to be discovered and is one of the biggest questions in physics. Particle physics combined with astrophysical measurements of the abundance gives rise to a dark matter candidate called weakly interacting massive particle (WIMP). The low density of WIMPs in the galaxies and the extremely weak nature of the interaction with ordinary matter make detection of the WIMP an extraordinarily challenging task, with abundant fakes from various radioactive and cosmogenic backgrounds with much stronger electromagnetic interaction. The extremely weak nature of the WIMP interaction dictates detectors that have extremely low naturally occurring radioactive background, a large active volume (mass) of sensitive detector material to maximize statistics, a highly efficient detector-based rejection mechanism for the dominant electromagnetic background and sophisticated analysis techniques to reject any residual background. This paper reviews currently available major technologies being pursued by various collaborations, with special emphasis on the cryogenic Ge detector technology used by the Cryogenic Dark Matter Search Collaboration (CDMS).