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黑腔关键区域等离子体状态及时空演化特性实验研究

文章来源:《强激光与粒子束》编辑部   时间:2019-11-08

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激光间接驱动ICF黑腔中不同等离子体区域由于其主导物理过程不同而具有完全不同的辐射性质和运动特征。这些等离子体及其代表的不同能段X光发射位置和运动特性包含了丰富的物理内涵,比如电子热传导能显著影响激光烧蚀以及X光发射位置,比如腔内激光烧蚀与辐射烧蚀相互竞争决定了X光发射位置的运动。开展黑腔分解实验研究有助于进一步理解激光注入、激光吸收、X光转换和辐射场对称性时空演化等物理过程。

1  充气黑腔内部特征区域等离子体状态

黑腔等离子体状态是理解和研究黑腔辐射源的首要因素,美国NIC点火攻关与预期差距,一定程度上与对黑腔等离子体状态预测不准有关。充气黑腔内部特征区域等离子体状态参数测量的难点在于四倍频汤姆逊散射实验技术,一般实验中能够收集到的汤姆逊散射光能量只有入射激光的10-9,属于极弱信号测量。此外,黑腔中存在各种波段的干扰源,任何一种都能够湮灭所需求的汤姆逊散射信号,装置越大环境越复杂,受到的干扰因素越多,干扰强度越大。2017年度在国内某大型激光装置上首次开展了四倍频汤姆逊散射实验,实验通过对四倍频探针光光斑品质的控制、等离子体状态调控、诊断系统瞄准定位、波长定标等多方面改进,实现了复杂充气黑腔等离子体状态参数测量的重大技术突破。

黑腔关键区域等离子体状态及时空演化特性实验研究

实验首次获得了多环激光辐照复杂充气黑腔(柱腔和六孔球腔)不同特征位置的四倍频汤姆逊散射实验光谱,典型结果如图1所示。通过光谱拟合获得了该区域的等离子体状态参数,通过理论光谱与实验光谱的比对,建立了黑腔关键区域等离子体状态和动力学特性的实验研究能力,加深了对激光靶物理过程的理解。

2  激光打击点金泡膨胀特性

黑腔中激光打击点离化的金等离子体会不断向腔中心膨胀形成金泡。由于金泡等离子体状态及其运动特性对黑腔靶丸辐照对称性起主导作用,2017年度在国内某大型激光装置上开展了金泡膨胀特性研究实验。为了便于实验结果与模拟结果对比,主要采用16束激光单环照射在柱状直筒腔(腔直径f2.8 mm,腔长2.08 mm)腰部,形成二维柱对称分布等离子体。实验关键诊断设备为一台首次应用于靶室上极点位置的透射式双频16X光分幅相机(XFC),用于获取高时间分辨、高空间分辨的金M带、金NX光图像。

2给出了不同实验条件下XFC获得的金N带前沿移动随时间演化结果。随着时间的推移,由于腔壁等离子体逐渐向轴心方向移动,金泡前沿的半径会逐渐减小。当提高充气密度时,能够有效地抑制金泡的膨胀,因此提高充气密度能有效地降低金泡的膨胀速度。实验同时获得了多角度多能段辐射流数据,在相同实验条件下获得的主要数据重复并且自洽,实验获得的金泡等离子体膨胀速度比传统常用模型模拟结果慢,与改进模型(唯象模型)吻合良好,利用本实验数据可以进一步校验修正唯象模型中电子能量和辐射能量之比例。

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3  DH脉冲条件下激光注入孔堵孔特性

目前在ICF研究中激光注入孔(LEH)的尺寸是DH靶设计的难点,过大的LEH会增加辐射流漏失降低能量利用效率,过小的LEH会因为孔附近等离子体的干扰影响激光能量传输效率甚至改变激光能量沉积位置,最终降低能量利用效率和破坏辐照对称性。在大能量、长脉冲激光驱动充气腔所形成的接近DH状态的辐射源环境中,注入孔的堵孔行为极其复杂。一方面堵孔受到LEH附近金等离子体、金泡区等离子体、腔内低Z气体等离子体运动的共同作用和影响;另一方面堵孔涉及电子热传导、X光发射与吸收、辐射不透明度与辐射输运等多种物理机制的定量描述。理论上讲在没有明显堵孔的情况下LEH越小辐射流漏失越少,黑腔保温效果越好,黑腔耦合效率越高,因此从DH靶黑腔设计的角度,往往采用合适的较小LEH,既没有堵孔现象,又可能最大的提高激光腔靶能量耦合效率。开展此项研究有助于二维辐射流体力学建模和数值计算方法的检验,是DH靶设计验证的重要实验。

实验主要采用32路激光按照8 ns整形脉冲共80 kJ能量从两端注入充气柱腔,为了从实验上区分和观察腔内不同区域等离子体状态及其演化过程,我们在实验中首次同时采用两台高时间分辨大动态范围X光条纹相机(XSC)、两台高灵敏带通分频X光分幅相机(XFC),分别从靶室上极点、斜上16°、赤道面三个方位对LEH堵孔行为进行观测和研究。通过改变LEH尺寸获得了不同条件下高质量的等离子体X射线发射时空演化图像和高精度分频辐射流以及散射光能量等数据,上极区斜16°针孔配X光条纹相机获得了不同条件下敞口端X光发射的时间连续空间一维分辨的X(2.0~3.3 keV)图像,见图3所示,图像清晰地展示了激光弹着点移动、金泡等离子体膨胀、注入孔附近等离子体缩孔和堵孔等过程。上极点X光分幅相机获得的不同条件下注入孔X光发射图像清晰地展示了从激光预脉冲阶段的腔壁X光发射,到主脉冲前期的注入孔附近X光发射,到主脉冲后期注入孔中心的X光发射的演化过程,主要实验数据相互自洽,由于驱动器输出较为稳定和靶加工质量较高,在相同条件下不同发次获得的实验数据一致性很好。

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