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.     

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。     

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     

基于速度干涉仪的冲击波精密调速实验技术研究

冲击波精密调速技术是惯性约束聚变研究的关键技术之一. 针对冲击波精密调速诊断技术的要求, 以神光III原型上脉宽为3 ns的两台阶整形激光脉冲为源, 用石英晶体做窗口材料, 模拟了双冲击在石英晶体中传输和追赶的过程. 利用两发典型双冲击波调速的实验数据, 验证了神光III原型具有的精密调速能力. 实验结果表明, 在驱动源、 靶和诊断系统参数一致的条件下, 两发实验获得的实验结果中两次冲击出现的时刻, 冲击波速度都很一致. 通过精细分析, 发现在两次冲击交会的时刻, 干涉条纹清晰度和完整性变化最大, 最终数据处理获得的冲击波速度偏差也最大. 同时, 在二次冲击的冲击波速度有较大增加的条件下, 并没有观察到冲击波阵面的反射率的明显增加. 本文的实验结果作为一个数据依据, 为全面开展冲击波调速实验提供了有效的方法.     

新型针孔点背光发光模型与实验研究

纳秒级强激光(～1014 W/cm2)与固体靶相互作用可以获得高亮度的Multi-keV能段X射线.在当前的高能量密度物理研究中利用这样的X射线背光源照相方式可以获得高质量的物理图像,具有重要的应用价值.以模拟计算与神光Ⅱ激光装置实验结果相结合的方式研究了激光等离子体发光模型.在该模型的基础上改进了针孔点背光成像技术,独立发展了针对低Z靶材料K线的准单能背向针孔点背光和针对中Z靶材料L带的高亮度侧向针孔点背光.在神光Ⅱ激光装置上通过新型针孔点背光对惯性约束聚变靶丸样品成像获得了高质量的静态靶丸流线图像,空间分辨优于10μm.实验结果表明新型的针孔点背光具备高亮度,高空间分辨,高图像衬度等优点可以广泛应用于高能量密度物理和惯性约束聚变的研究中.     

X射线背光成像的实现

为了实现对惯性约束聚变的诊断,获取聚爆过程中高温等离子体X射线能谱信息和内爆靶丸的二维空间分辨信息,利用晶体的布拉格衍射特性设计制作了球面晶体分析器,晶体弯曲半径为125 mm。为了验证球面晶体的空间分辨能力,搭建了背光成像平台进行了背光成像实验,石英球面晶体为衍射核心元件,接收装置IP板得到了Cu靶的二维空间分辨信息,基于石英球面晶体的成像平台得到的空间分辨率约为100 μm。     

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     

任意反射面速度干涉仪的研制及在激光状态方程中的首次应用

用于任意反射面的速度干涉仪（VISAR）在凝聚态物理、等离子体物理及惯性约束聚变（ICF）等领域都有广泛的应用,是冲击波传播相关的各种物理实验的重要诊断技术。这些实验包括高压状态方程实验、材料特性实验、瑞利-泰勒（R—T）不稳定性实验中的击波特性以及ICF冲击波的时间特性实验等。为了丰富状态方程的测试手段、拓展状态方程的研究内容,我们已着手研制VISAR速度干涉仪.     

神光-III激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中, 时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺, 而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源. 通过对物理需求的分析, 提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元, 采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形, 经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出, 从而降低了系统造价, 便于集中控制. 采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术, 实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出. 研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号, 为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准. 产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd: YAG棒状放大器后, 通过温控LBO晶体倍频, 然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统, 为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光. 系统已用于VISAR诊断物理实验, 获得了完整的冲击加载、减速的图像, 从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.     

X射线掠入射显微成像诊断技术研究进展

高精密的X射线成像诊断是深入理解内爆过程,揭示点火尺度下未知物理问题的关键。基于掠入射反射的X射线显微镜,结合亚纳米级的超光滑球面或非球面反射镜,能够实现空间分辨优于5 μm的高分辨成像。介绍了国际惯性约束聚变领域的X射线显微成像技术发展及应用,重点展示了我国在高分辨X射线（KB）显微镜、多通道X射线KB显微镜以及大视场X射线KBA显微镜方向的进展,分析了下一阶段超高分辨X射线显微成像的研究计划。通过不断的技术创新,我国的X射线显微成像诊断能力已经达到国际先进水平。     

惯性约束聚变靶三维成像研究

利用计算机层析技术，采用乘代数重建法，编制出三维图像重建程序ＣＴ３Ｄ，通过五个方位对“星光Ⅱ”装置的惯性约束聚变靶进行Ｘ光成像，重建出靶等离子体的三维图像，获得了较好的结果，表明该技术在惯性约束聚变实验中应用的可能性。     

神光-Ⅲ激光装置时标激光和任意反射面速度干涉仪探针光源产生技术

在惯性约束聚变研究中,时标激光是对物理诊断数据进行分析的重要时间标尺,而任意反射面速度干涉仪(VISAR)光源则是冲击波精密诊断必不可少的探针光源.通过对物理需求的分析,提出对时标激光与VISAR光源共用脉冲产生单元,采用时分复用技术实现二者在同一台幅度调制器上的精密整形,经1×2分束后再通过声光开关进行选择输出,从而降低了系统造价,便于集中控制.采用了脉冲稳偏、高稳定空间放大、高精度温控谐波转换技术及可快速插拔精密复位的光纤耦合和传能技术,实现了时标和VISAR光源脉冲的高稳定输出.研制的时标激光系统可产生与主激光高精度同步的12路二倍频、4路三倍频时标信号,为神光-III激光装置物理实验提供了重要的时间基准.产生的VISAR光源脉冲在经过光纤系统和Nd:YAG棒状放大器后,通过温控LBO晶体倍频,然后经1 mm芯径的多模传能光纤传输至成像型VISAR系统,为物理实验提供了单纵模、高亮度、可精密整形的脉冲激光.系统已用于VISAR诊断物理实验,获得了完整的冲击加载、减速的图像,从而为冲击波调速及相关高压物理实验提供了可靠的技术手段.     

针孔辅助点投影诊断方法实验研究

针孔辅助点投影背光成像是近几年国外新兴的等离子体诊断技术,在惯性约束聚变相关物理实验诊断中具有重要的应用前景.为验证这一诊断方法的实用性,在神光Ⅱ第九路平台上开展了演示实验.利用激光驱动平面Ti靶获得约4.7 keV的Ti K壳层X射线,在十几微米的针孔约束下作为次级点源并对Au栅格样品投影成像,并用CCD记录.实验成功获得了清晰的样品二维空间分辨的时间积分图像,空间分辨力优于16.1 μm.实验结果表明针孔辅助点投影具有较高的空间分辨力、较大的视场、较高的图像对比度,将成为瑞利泰勒不稳定性研究、激光状态方程研究等物理实验的重要诊断方法之一.     

多层膜KB在内爆自发射诊断中的应用

在神光Ⅲ原型装置上开展了辐射驱动内爆自发射的高分辨多能点诊断技术研究。利用双周期多层膜KB的选能能点,配合多级记录系统,实现了内爆自发的高空间分辨准单色成像。实验结果表明,利用胶片可以获得发射2.5 keV和3.5 keV的清晰图像,利用CCD可以获得8 keV的窄能带清晰图像。实验结果可以很好用于芯部不对称性、电子温度分布以及密度分布的分析处理,为惯性约束聚变精密物理实验研究提供了新的诊断技术和方法。     

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。     

超高压高精度激光状态方程实验测量

材料高压下的状态方程（EOS）在天体物理、材料科学和惯性约束聚变（ICF）等研究领域中都是十分重要的。2004年在“神光”-Ⅱ装置上进行了单路倍频激光直接驱动的Al-Cu阻抗匹配靶实验和Cu-Al阻抗反匹配实验，目的是提高冲击波速度的测量精度和准确性，同时校验测量方法的实用性和可靠性。     

菲涅耳波带板应用于聚变靶的高分辨X射线成像分析

在惯性约束核聚变研究中,为了实现1μm高空间分辨keV-X射线成像,文中发展了菲涅耳波带板(FZP)直接成像的分析方法,并通过数值计算研究了FZP的成像特性.针对钛K_α线(光子能量4.51 keV,波长0.275 nm),提出了FZP参数,对制作技术的要求较低.研究了靶尺度的影响.FZP的有效视场使它能够对数毫米大尺度靶实现高分辨成像.还研究了入射光的光谱带宽对成像的影响.FZP的色差有助于单色成像,但是带宽超过限度会导致像的反衬度降低.这些结果表明FZP应用于聚变点火靶的高空间分辨X射线成像的能力,也为应用提出了要求. 关键词： X射线成像 惯性约束核聚变 菲涅耳波带板     

激光间接驱动惯性约束聚变二维总体程序——LARED集成程序

介绍了辐射流体力学程序LARED集成程序的物理背景、模型方程、数值方法和数值算例。该程序主要应用于激光间接驱动惯性约束聚变的二维整体模拟,兼顾激光直接驱动、辐射驱动靶丸内爆过程和流体不稳定性等物理过程的数值模拟。通过与实验数据、一维辐射流体力学程序进行比对,验证了程序的可靠性。该程序实现了多群输运建模下NIF点火靶的全过程数值模拟,并已应用于惯性约束聚变的物理研究。     

高时间分辨的二维空间成象技术研究

对惯性约束聚变靶丸芯部诊断的测量仪器要求具有10ps的时间分辨,为了满足此要求,采用多针孔线阵配X光条纹相机,由多个针孔的一维条纹图象的数据,利用图象处理技术重建出二维图象,由此获得一项高时间分辨的二维空间成象技术(MIXS).此技术利用现有的设备获得比X光分幅相机高得多的时间分辨的二维图象.利用此技术可获得研究激光聚变内爆过程所需的时空图象,并可以对压缩过程的对称性进行研究.     

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.