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《強(qiáng)激光與粒子束雜志》2016年第8期

摘要:

在神光Ⅲ和神光Ⅲ原型裝置上基于平面孔靶研究了激光掛邊及本底X光發(fā)射情況。能量卡計(jì)直接測(cè)量激光掛邊份額；X光針孔相機(jī)給出本底X光發(fā)射的空間圖像；平響應(yīng)X光探測(cè)器測(cè)量本底X光的強(qiáng)度。實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明：在神光Ⅲ原型上800μm注入孔時(shí)，針孔圖像中本底X光計(jì)數(shù)與黑腔漏失輻射流計(jì)數(shù)的比值約為1．2％；在神光Ⅲ上1000μm注入孔時(shí)，平響應(yīng)X光探測(cè)器測(cè)得的本底X光干擾的峰值約為2．7％，能量卡計(jì)測(cè)得的激光掛邊份額約為2．6％。此外，根據(jù)神光Ⅲ的實(shí)驗(yàn)參數(shù)模擬計(jì)算了激光掛邊份額和本底X光的干擾。與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比說明了該模型的正確性，可以用該模型評(píng)估激光掛邊及本底X光發(fā)射情況，同時(shí)可以用該模型指導(dǎo)注入孔尺寸的選擇。

關(guān)鍵詞：

平面孔靶；激光掛邊；本底X光；X光針孔相機(jī)；平響應(yīng)X光探測(cè)器

激光間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變（ICF）［13］通常利用Au黑腔將激光轉(zhuǎn)換為X光，由X光驅(qū)動(dòng)黑腔內(nèi)的氘氚靶丸內(nèi)爆并最終達(dá)到聚變點(diǎn)火。作為靶丸內(nèi)爆的直接驅(qū)動(dòng)源，黑腔內(nèi)的X光輻射流需要精密測(cè)量。最常用的方法是通過測(cè)量從黑腔激光注入孔（LEH）漏失［45］的X光來定量腔內(nèi)的X光輻射流。然而，從注入孔漏失的X光只是腔內(nèi)X光的小部分，所以這種測(cè)量容易受到本底X光的干擾。注入孔邊沿掛邊的激光所轉(zhuǎn)換的X光是本底X光的主要來源。激光掛邊份額定義為掛邊的激光能量與總激光能量的比值。實(shí)驗(yàn)上獲得激光掛邊份額以及隨著產(chǎn)生的本底X光強(qiáng)度評(píng)估本底對(duì)輻射流測(cè)量的影響具有重要意義。以往的實(shí)驗(yàn)通過結(jié)合平面孔靶和能量卡計(jì)來獲得激光掛邊份額［6］。將一個(gè)平面孔靶放置于靶點(diǎn)處，單束激光注入平面孔靶，能量卡計(jì)放置在注入孔的另一側(cè)用于收集穿過的激光能量。總的激光能量減去穿孔的激光能量即為掛邊的激光能量，從而由激光掛邊能量和總激光能量獲得激光掛邊份額。激光掛邊份額和激光轉(zhuǎn)換效率相結(jié)合可以估算由激光掛邊帶來的本底X光。然而，該方法只能對(duì)一束激光進(jìn)行單次測(cè)量，并且不能直接獲得由激光掛邊帶來的本底X光；此外，激光轉(zhuǎn)換效率是一個(gè)難以精確診斷的量，因此該方法估算的本底X光可能存在較大誤差。本文在該方法的基礎(chǔ)上進(jìn)行推廣。仍然將平面孔靶置于靶點(diǎn)處，多束激光單側(cè)注入平面孔靶，X光針孔相機(jī)平響應(yīng)X光探測(cè)器置于激光的同側(cè)用于觀察和測(cè)量掛邊激光所產(chǎn)生的本底X光。這種方法既能獲得激光掛邊的直接圖像，又能夠直接測(cè)量本底X光強(qiáng)度，并能對(duì)多束激光入射的情況進(jìn)行觀測(cè)。通過對(duì)比平面孔靶的本底X光和腔靶的LEH漏失X光，獲得了本底X光對(duì)黑腔輻射流測(cè)量的干擾。同時(shí)，根據(jù)實(shí)驗(yàn)參數(shù)模擬計(jì)算了激光掛邊和本底X光，與實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比說明了模型的正確性。

一、實(shí)驗(yàn)排布

實(shí)驗(yàn)在神光Ⅲ原型和神光Ⅲ上進(jìn)行。實(shí)驗(yàn)布局如圖1所示，靶沿軸線豎直放置在球形靶室中心，激光通道對(duì)稱分布靶室的上下半球。X光針孔相機(jī)放置在上半球，其與靶軸線的夾角為20°。一組平響應(yīng)X光探測(cè)器放置在上半球的不同角度，以此獲得不同觀測(cè)角的LEH漏失輻射流和本底X光輻射流數(shù)據(jù)。事實(shí)上，腔靶有上下兩個(gè)激光注入孔，它們分別對(duì)上端和下端注入的激光存在掛邊效應(yīng)。考慮到對(duì)稱效應(yīng)，可以僅研究上端激光在上注入孔的掛邊情況，此時(shí)只有上端激光注入，如圖1所示。由于研究的是上端注入激光的掛邊效應(yīng)和對(duì)應(yīng)的本底X光，因此XPHC和FXRD也放置在靶室的上半球。

二、實(shí)驗(yàn)結(jié)果

2.1針孔相機(jī)測(cè)量結(jié)果

2.2犉犡犚犇測(cè)量結(jié)果

2.3激光穿孔效率與激光掛邊份額 

三、模擬計(jì)算與分析

3.1激光掛邊份額．

3.2本底X光

3.3分析

通過上述計(jì)算結(jié)果與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比，說明了計(jì)算的正確性。然而，實(shí)驗(yàn)得到的激光掛邊份額和本底X光強(qiáng)度都略高于計(jì)算值。這可能是因?yàn)閷?shí)際的激光條件更加惡化，或者多束激光交叉時(shí)導(dǎo)致了激光光斑的增大，從而提高激光掛邊份額和本底X光強(qiáng)度。式（2）假設(shè)本底X光是在上半平面均勻分布，然而圖4顯示本底X光強(qiáng)度與角度呈負(fù)相關(guān)關(guān)系。這可能是因?yàn)楸镜譞光有前向發(fā)射的趨勢(shì)。此外，模型只能給出本底X光強(qiáng)度的峰值，并不能給出本底X光強(qiáng)度的時(shí)間行為。在黑腔實(shí)驗(yàn)中，我們往往更關(guān)注黑腔峰值輻射流，因此也更關(guān)注峰值本底X光強(qiáng)度及其對(duì)黑腔峰值輻射流的影響。則該簡(jiǎn)化模型可以用于估計(jì)神光Ⅲ上激光的掛邊份額及其對(duì)應(yīng)的峰值本底X光。本實(shí)驗(yàn)通過平面孔靶直接測(cè)量了激光掛邊份額及對(duì)應(yīng)的本底X光。在腔尺寸相同的情況下，認(rèn)為腔內(nèi)的輻射流不變，此時(shí)本底X光的干擾將高達(dá)13％。這既嚴(yán)重地干擾了黑腔漏失輻射流測(cè)量的準(zhǔn)確性，也嚴(yán)重的浪費(fèi)了激光能量。在腔尺寸相同的情況下，認(rèn)為腔內(nèi)的輻射流不變，此時(shí)本底X光的干擾將高達(dá)13％。這既嚴(yán)重地干擾了黑腔漏失輻射流測(cè)量的準(zhǔn)確性，也嚴(yán)重的浪費(fèi)了激光能量。

四、結(jié)論

本文基于平面孔靶研究了激光掛邊及其隨著產(chǎn)生的本底X光發(fā)射情況。X光針孔相機(jī)獲得了本底X光發(fā)射的空間圖像；FXRD直接測(cè)量了本底X光的強(qiáng)度。通過平面孔靶與腔靶的實(shí)驗(yàn)結(jié)果對(duì)比，獲得了激光掛邊帶來的本底X光對(duì)黑腔漏失輻射流測(cè)量的影響。在神光Ⅲ的現(xiàn)有實(shí)驗(yàn)條件下，注入孔1000μm時(shí)帶來的本底X光干擾小于FXRD本身的測(cè)量不確定度，可以認(rèn)為此時(shí)本底X光對(duì)黑腔漏失輻射流的測(cè)量沒有影響。同時(shí)，本文建立了一個(gè)簡(jiǎn)單模型用于計(jì)算激光掛邊份額及其對(duì)應(yīng)的本底X光峰值。計(jì)算與實(shí)驗(yàn)的對(duì)比說明了該簡(jiǎn)化模型的正確性，可以由該模型指導(dǎo)激光注入孔的尺寸設(shè)計(jì)。

作者:李琦 李三偉 郭亮 李志超 楊冬 單位:中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心清華大學(xué)工程物理系