基于多通道Kirkpatrick-Baez显微镜的内爆热斑不对称性实验研究

利用多通道Kirkpatrick-Baez显微镜具有约3μm的空间分辨能力,对内爆压缩热斑的细节可以进行空间分辨测量。通过赤道和极区两个正交方向对柱腔辐射驱动内爆热斑的X射线自发射进行测量,获得了热斑区在两个正交方向的二维X射线强度空间分布。X射线图像数据处理结果表明,赤道区表征内爆热斑不对称性的2P分量比极区的约高8%,极区的0P分量比赤道区大2μm。内爆热斑在极区的压缩要强于赤道区,反映了极区的辐射驱动要比赤道区的强,这导致靶球在压缩停滞阶段形成的热斑形状呈扁椭球。     

腔靶X射线辐射特性实验研究

在上海“神光”装置上,对柱形腔靶X射线辐射的温度、光谱以及时间特性进行了实验研究,得到内爆区轴向温度随空间位置的变化特征。观测到腔内激光直接烧蚀靶物质产生的第一次X射线辐射和等离子体运动、汇聚形成的第二次X射线辐射,两次辐射的时间间隔为1.2ns。通过测量源区和内爆区X射线辐射空间能谱结构,结果表明源区X射线辐射能谱是非平衡的,而内爆区X射线辐射能谱近似为Planck谱。 关键词：     

“神光”-Ⅱ内爆动力学研究进展

在2004年的“神光”-Ⅱ内爆实验中，设计了球壳内界面涂S、且氘燃料区中掺Ar的辐射驱动内爆靶球（图1），实验排布如图2所示：针孔阵列一晶体谱仪（PA--CS）置于正西水平方向；正东水平方向放置时间分辨的晶体谱仪（扫描晶体谱仪S—CS），测量靶球内爆中心和S线谱发射的时间过程；正南水平方向放置一台针孔阵列—X射线分幅相机（XFC），监测靶丸内爆压缩发光图像；闪烁体探测器在靶室外东南方向监测内爆中子产额：软X光能谱仪在水平东偏北方向监测腔内辐射温度。由数千个针孔组成的针孔阵列和平面晶体组成的二维单色成像系统的测量原理如图3所示。     

强光一号兆安电流钨丝X箍缩实验研究

为了获得更高亮度的X射线点源,在"强光一号"装置上开展钨丝X箍缩实验研究.基于能量平衡方程,估算了1 MA电流热斑等离子体平衡半径为1—10μm.实验中,测试钨丝直径为25—100μm,丝根数为2—48,负载线质量为0.18—6.9 mg/cm;负载电流峰值为1—1.4 MA,10%—90%前沿为60—70 ns."强光一号"装置上匹配的X箍缩负载为30或32根25μm钨丝X箍缩,这种负载一定概率产生单个脉冲X射线辐射,辐射时刻位于电流峰值附近,典型参数为keV X射线脉宽1 ns,辐射功率35 GW,产额40 J,热斑尺寸～30μm.然而,兆安电流X箍缩通常产生多个热斑及多个脉冲X射线辐射.keV能段首个脉冲X射线辐射时刻与负载线质量正相关,并受到负载丝直径的影响.多个X射线脉冲可能由二次箍缩和局部箍缩产生,多个热斑可能由交叉点处微Z箍缩的长波长扰动和短波长扰动引起.与百千安电流X箍缩相比,兆安电流X箍缩热斑亮度更高,但X射线辐射脉冲的单一稳定性还有待于进一步改善.     

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。     

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

辐射驱动内爆流线实验测量

内爆速度的测量是惯性约束聚变研究中的核心问题, 是判断聚变点火反应的关键物理量. 在神光II激光装置上, 利用KB显微镜配合时间分辨为10 ps的条纹相机, 对1600 J激光能量注入, 3倍频, 脉宽为1 ns黑腔辐射驱动CH靶球, 获得了清晰的辐射驱动内爆流线轨迹X射线图像. 通过流线轨迹图像给出了最大内爆速度为160 km/s. 利用Multi1D程序对内爆压缩流线和壳层速度变化进行了模拟, 实验数据和理论模拟较符合.     

激光聚变冲击波点火的热斑形成机制

通过对冲击波点火内爆过程的数值模拟分析点火热斑压缩及形成机制。分析了传统中心点火的内爆过程,热斑主要经历冲击波压缩和惯性压缩过程,点火主要通过惯性压缩来实现。并仔细分析了冲击波点火的内爆压缩过程,从内爆角度来看冲击波点火并不是压缩和点火分开的两步过程,点火冲击波实际参与压缩过程,点火冲击波对热斑的直接影响很有限,热斑仍然主要通过壳层的惯性压缩实现点火。利用惯性压缩的定标关系及冲击波碰撞对壳层影响规律分析了热斑增压的物理机制,冲击波点火是通过点火冲击波与回冲击波的碰撞来提高壳层的密度,从而实现热斑压力的提升。     

ICF内爆压缩X光成像过程数值模拟

 基于定态局域热动平衡辐射输运方程求解和光线追踪方法,编制了X光成像后处理程序,能够数值再现ICF内爆压缩X光成像过程。将该程序用于神光Ⅱ装置间接驱动内爆物理的理论设计和实验数据分析。模拟结果表明：燃料区压缩后的尺寸、燃料区掺Ar和内壳层涂S两元素特征谱线发光时序及发光持续时间等过程,后处理方法结果与诊断测量数据基本符合。     

在间接驱动内爆实验中采用花生腔增强对称性调控

在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究.采用传统充气直柱金壁黑腔设计,在激光脉冲作用后期,腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动,导致靶丸赤道驱动偏弱,形成不可接受的扁圆内爆.本文采用新型的花生腔设计,通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置,补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响,获得球对称的靶丸辐射驱动.在靶丸驱动辐射温度相同的条件下,由于驱动对称性得到显著改善,实验观测到花生腔内爆热斑接近球形,中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%;而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%.模拟计算和实验结果一致表明,在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中,花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素,增强辐射驱动和内爆对称性调控,并提高内爆性能.     

神光III主机极向驱动靶丸表面辐照均匀性

极向驱动是在间接驱动构型的激光装置中,通过重瞄各束激光的位置,实现较均匀的靶丸表面激光辐照,以研究直接驱动惯性约束聚变的关键物理问题.介绍了神光III主机装置的激光排布和焦斑特点,以及激光束重瞄方法和靶丸表面激光辐照均匀性优化原则.给出了三阶和五阶超高斯近似下的激光焦斑强度分布,Φ540 μm靶丸在能量沉积满足cos²γ和cos γ假设时靶丸表面最均匀辐照的移束参数,以及二维辐射流体程序模拟最优移束时的内爆对称性结果.二维模拟结果表明,按cosγ假设移束的热斑更对称.分析了激光的束间功率不平衡、激光束重瞄精度和靶丸定位精度对靶丸表面辐照均匀性的影响.模拟结果表明,为了不显著降低靶丸表面辐照均匀性,需要将束间功率不平衡控制在5%以内,激光束重瞄精度和靶丸定位精度控制在7 μm以内.     

单色化X射线显微成像实验研究

围绕激光惯性约束聚变(ICF)内爆压缩阶段高空间分辨、高能谱分辨的诊断需求,提出了一种将KB显微镜和衍射晶体组合的大视场、单色化成像系统。在实验室条件下,利用Fe靶X射线光管,采用KB显微镜结合高定向热解石墨(HOPG)对网格进行背光成像,晶体选能后的成像结果表明,系统的视场能达到800μm,其中高分辨区域成像的分辨率为37μm。采用能谱探测器测试成像能谱,结果表明,系统的能量分辨率为28,验证了系统的单色性能。该系统兼顾了大视场、空间分辨和能量分辨,对内爆压缩阶段实验中热斑结构及混合效应的研究具有重要应用。     

平行面多金属钨丝Z箍缩实验研究

 利用“阳”加速器对平行面多金属钨丝（直径17 μm，丝间距1 mm，丝数3根或5根）负载进行了Z箍缩聚爆实验研究。在峰值为350 kA,上升沿约80 ns的电流作用下，使用针孔成像技术和X射线诊断技术，获得多钨丝等离子体融合图像及相应的软X射线辐射信号。对金属丝聚爆过程中负载电流变化对实验影响进行了分析，并探讨了引起聚爆过程中的等离子体柱腊肠型不稳定性、扭曲型不稳定性和“热点”及其周围弥散斑等现象的原因。     

“阳”加速器钼丝X-pinch初步实验研究

 在“阳”加速器上进行了直径分别为10, 15, 20 μm, 交叉角为32°,45°,60°的钼（Mo）丝X-pinch实验。“阳”加速器产生的电流峰值约520 kA，上升时间80 ns。实验中通过X射线功率谱仪和纳秒分幅相机等仪器对Mo丝X-pinch辐射特性进行了诊断。实验表明：Mo丝X-pinch过程中会出现多次X射线爆发，箍缩过程中产生的热点辐射出能量超过3 keV的X射线，探测到的最小热点直径小于30 μm。     

基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜表征X射线光源参数

X射线光源的焦斑尺寸和焦深对X射线光谱学,尤其是对于微区X射线衍射与荧光分析等领域十分重要的参数。如何高效而准确的表征这些参数对于X射线光源的应用和发展至关重要。现有的光源参数表征方法,尤其在表征微焦斑光源的参数时,都存在自身的局限性。锥形单玻璃管X射线聚焦镜是一种常用的X射线聚焦器件。根据锥形单玻璃管X射线聚焦镜滤波特性和几何特点,分析得到聚焦镜的聚焦光能量上限的大小受到光源焦斑尺寸的影响,提出这个能量上限与光源尺寸和光源到聚焦镜入口的距离之间的数学关系。设计了一种基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数的方法。对锥形单玻璃管X射线聚焦镜的参数进行测量和确定后,将聚焦镜放置要测量的光源前,与光源形成聚焦光路。在光路准直并确保只有在聚焦镜内发生单次全反射的X射线射出聚焦镜的情况下,通过改变聚焦镜与光源焦斑距离并利用能谱探测系统来探测聚焦光并得到多个对应的聚焦光能谱。对所得能谱进行计算与分析,得到各能谱中的能量最大值,即聚焦光的能量上限。利用聚焦光能量上限、光源焦斑尺寸和光源到聚焦镜的距离之间的关系并结合线性拟合法,可同时得到光源焦斑尺寸和焦深。选用制造商给出焦斑尺寸约60 μm,焦深为20 mm的微焦斑钼靶光源作为测量对象,利用基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征方法测量的结果为焦斑尺寸为60.1 μm,焦深为19.7 mm。用小孔成像法表征该光源焦斑尺寸为60.3 μm,焦深为20.1 mm。相较于现有的方法,基于锥形单玻璃管X射线聚焦镜的表征X射线光源参数方法对表征微焦斑光源有一定优势,对表征高能X射线光源有潜在发展和利用价值。     

“阳”加速器钛丝X箍缩光源辐射特性实验研究

为了利用X箍缩产生的点光源作为背光光源对丝阵Z箍缩内爆早期的负 载内部结构进行背光照相, 在"阳"加速器(电流峰值为500-800 kA, 上升时间约80 ns)上开展了钛丝(丝交叉角度为60°) X箍缩光源辐射特性的初步实验研究. 通过X射线二极管探测器、透射光栅谱仪、晶体谱仪和狭缝相机等诊断设备获取了箍缩点光源的辐射功率达到1.5 GW左右, 辐射能量约为1 J, 光子能量为keV量级的辐射能谱范围主要集中在1-4 keV能段, 点光源尺寸小于15 μm, 其时间尺度(辐射脉冲半高宽)达到了200 ps. 对光源特征信息进行了初步分析, 同时掌握了有效获取钛丝X箍缩单脉冲点光源的方法.     

激光非均匀性对内界面变形影响的数值模拟

 使用LARED-S程序,参照NIF直接驱动DT点火靶,模拟研究了激光非均匀性对高收缩比球内爆内界面变形的影响。2维数值模拟计算表明：直接驱动高收缩比内爆对驱动激光非均匀性非常敏感,内界面流体不稳定性的发展严重破坏靶丸的对称压缩,使中心热斑的体积显著减小。以最大压缩时扰动增长幅度不超过热斑半径的1/3为限,模拟给出不同模数的低阶扰动模(模数小于等于12)对驱动激光均匀性的要求在2.5%～0.25%之间,其中模数在8～10之间的扰动模对激光功率均匀性的要求最严格,约为0.25%。     

激光位移传感器传感探头微小型光学系统设计

光斑质量直接影响激光位移传感器测量的精度。为了提高激光位移传感器传感探头光学系统的成像质量,设计了传感探头四片式微小型光学系统。本文在理想成像基础上,分析光束在光学系统中能量传递的变化规律,对比光电探测器的感光能力,利用光学设计软件(ZEMAX)实现了激光位移传感器传感探头微小型光学系统的设计。通过理论计算分析,严格控制传感探头孔径光阑的大小,对光学系统进行优化处理,成像最大弥散斑半径低于3. 3μm,空间分辨率120lp/mm以下的传递函数MTF(Modulation Transfer Function)值大于0. 5,光线扇形图的最大像差小于5μm,畸变量低于0. 1859%。该光学系统具有良好的成像效果,可以满足激光位移传感器探测系统对成像系统成像光斑质量的要求,以保证传感器的测量精确度优于5μm。     

铝丝阵Z箍缩辐射形成特征实验研究

基于多种诊断设备获得的物理参数和物理图像,分析了8 mm铝丝阵内爆各阶段的辐射特征。 实验结果表明,铝丝阵的先驱等离子体在形成后未出现明显不稳定性特征。在向心箍缩阶段,出现了泡-钉（bubble-spike）结构,并伴有局部热点。结合分析空间分辨能谱图像,表明热点的形成与等离子局部的高温高密状态有关。通过对X光条纹像进行时间和空间的定标,得到透过50 m Be膜的等离子体热点的空间尺寸约为0.8mm,持续时间小于10 ns。     

光源尺寸和光谱带宽对波带板成像的影响

X射线菲涅耳波带板成像能实现亚微米空间分辨能力,有可能应用于激光等离子体或聚变靶的高分辨X射线成像诊断.之前的数值模拟研究表明,成像分辨能力受光源尺寸、入射光或成像光谱带宽的影响.本文报道在632.8 nm为中心波长的可见光波段,对波带板成像的数值模拟和原理性验证实验.数值模拟表明:随着扩展光源尺寸增加,视场中央分辨能力基本不变,而像对比度下降;随着成像的光谱带宽的增加,视场中央分辨能力与像对比度同时下降.实验证实了数值模拟的结论,且实验与数值模拟结果的定量比较也符合得较好.