核物理与等离子体物理学科研究进展 核物理与等离子体物理是我院重要的学科领域,它主要涉及：武器物理中与核、等离子体有关的基础和技术手段研究。其中含：高温、高密度等离子体物理；核物理及中子学；反应堆物理及应用；强激光物理及技术；高功率脉冲和加速器技术；核测试及等离子体诊断；激光核聚变中的微靶制备技术；X光激光等分学科。1998年度各分学科持续发展并获得了长足进步。 1 高温、高密度等离子体物理 作为我院高温高密度等离子体物理的主要研究领域, 惯性约束聚变(ICF)由理论、实验、驱动源、诊断、制靶等五大部分组成。 1.1 理论物理 1.1.1 激光靶耦合计算中非局域电子热传导的影响 过去的电子热流计算中一直采用Spitzer-Harm的经典热传导公式加限流处理，在计算激光与金靶耦合时，存在着电子温度偏高，激光吸收效率和X光转换效率偏低的问题。本项研究首先利用非局域电子热传导的唯象公式，并提出一种修正公式，得到了合理的结果。 1.1.2 非平衡X光辐照Au平面靶的一维多群辐射输运计算 首次利用一维多群辐射输运程序与多群辐射吸收系数，计算了非平衡X光辐照Au平面靶的辐射烧蚀和再发射过程。结果表明：对高Z介质，辐射与物质相互作用的弛豫过程较快，与Planck谱比较，低频光较少，高频光较多。另外，再发射谱与等效Planck谱十分接近，只是在峰值附近出现崎变。分析看到，出现崎变的区域正好对应吸收系数谱中N，O吸收峰之间的谷区。 1.1.3 Nova靶丸压缩对称实验的数值模拟 利用简化的三维辐射输运程序和二维内爆动力学程序配合，计算了腔靶长度为2000、2400、2800mm条件下靶丸辐照均匀性和内爆压缩过程。计算最后得到压缩后的靶丸形状分别为香肠状、球状和铁饼状，这与实验定性相符。 1.1.4 中心D- T中子点源对不同材料穿透率实验的理论分析 采用一维Sn程序，ENDF-B6数据，计算了中心D-T中子点源对铁、氘化锂、氢化锂、水、聚乙烯、含硼聚乙烯等材料的球壳的穿透谱，通过对计算结果与实验结果的分析， 14MeV中子在一薄铝壳外的泄漏谱作为D-T中子源比较合适。 1.1.5 辐射不透明度和原子参数 发展了一种快速计算离子组态结构参数的方法。即采用HFS自洽场平均原子模型得到“最可几”离子的结构参数，如能级，波函数，自洽势和化学势等，然后，以此离子作为参考离子，求出离子结构与离子类型的显式依赖关系，从而确定不同离子类型的结构参数。 研究了自由电子背景涨落对能级、谱线跃迁等过程的影响，对谱线的模糊程度给出一个判据。完成了原子分子数据库的管理系统的研制，实现了在微机上对数据的检索和查询。 1.1.6 强场物理和其它基础研究 重点研究了在强光场中原子的多光子电离、阈上电离及稳定化现象，发展了描述多光子电离的QED方法，研究了双色超强激光场中原子的稳定化现象和隧穿区域双色光的电离问题，用我们的模型描述了再散射过程并解释了有关实验现象。 在非线性动力学方法方面，研究了一维原子链的公度椃枪?/FONT>(CI)相变。用压缩态(Squeezed state)方法研究了几何相位(Berry)问题，给出了广义简谐系统中几何相位与Hanney角之间的关系。还研究了量子混沌、控制混沌及其同步化现象。 1.2 ICF实验研究 逐步实现实验诊断精密化，建立基准、基础结果和数据。以此为基本出发点并结合考虑创新特色，1998年惯性约束聚变诊断方法和技术研究取得了如下研究成果和进展。 1.2.1 辐射输运 1998年继续探索辐射输运的实验方法，以金箔背侧X光作为辐射源，对缝靶的源区和激光注入作了改进。要点是增加缝腔长度观察输运效果。首次采用双缝靶结构，基本思想一是利于用软X光12分幅相机和软X光扫描相机对同一发靶同时进行能谱时空分辨诊断，二是可以对照单缝、双缝靶和无缝靶的输运效果，增加实验结果的信息量，以利于分析结果。在星光II装置上，获得了缝靶丰富的辐射能谱与时、空分布实验结果。 1.2.2 辐射不透明度（辐射自由程） 辐射不透明度表征高温稠密等离子体对于X光辐射的吸收特性，对ICF和核武器等高温物态系统的辐射能量传输起支配作用。在1998年的研究工作中，提出了具有创新性的自背光法辐射不透明度实验方法，这不同于国外采用的背光法。针对星光II装置的实际条件，设计自背光靶、创造源区、透射区和自发射区条件，配合空间分辨诊断技术（窄缝透射光栅、X光CCD记录），首次由同一发打靶同时测得了碳氢（C8H8）发泡材料和铝膜半样品靶的源区、透射区和自发射区辐射分布图像。进而，对C8H8发泡材料样品界定以温度和密度。 1.2.3 激光等离子体物理基础研究 建立了新的时间分辨以及谱分辨的多角度散射光测量系统，在星光II装置上开展了等离子体流的速度、临界面行为等的初步物理研究。在星光II装置上首次获得了有意义的辐射驱动冲击波发光时空分布图像。初步开展了注入口与腔壁对激光注入影响的分解研究。 1.2.4 精密化进展 辐射温度是描述腔辐射场特征最基本的物理量。在星光II装置上首次采用辐射温度精确测量的方法棾寤鞑ú馕路ǎ鄄斓搅思浣忧寤鞑ǚ⒐馐笨辗植纪枷瘢玫搅讼嘤Φ姆湮露取Ｊ状尾捎寐瞬ú罘址ǔ醪讲獾眉す獾壤胱犹逖乔?/FONT>X光辐射谱。原则上该法可改善原有亚千能谱仪的能道单色性。首次利用北京同步辐射新束线对若干类探测元、器件进行了标定实验探索，取得了一些初步结果。 获得了透射光栅用X光CCD和胶片记录的软X光谱解谱结果进行比对的初步结果。对激光打靶电磁干扰信号进行了跟踪观察和实验积累。 1.3 诊断技术 软X光扫描相机时标技术取得突破，为X光辐射时间行为与入射激光进行时间关联研究打下了基础。演示了多针孔软X光扫描相机二维空间、时间分辨诊断技术。X光环孔显微镜在星光II装置上考核获得初步结果。，Wolter X光显微镜的改造正按照神光II靶室的几何尺寸继续进行。时空分辨XUV谱仪研制工作有进展，在星光II装置上，平焦场谱仪部分测到了发泡铝靶等离子体辐射时空积分谱，门控MCP做了抗直穿X光试验，结果良好。 1.4 ICF靶制备 1.4.1 神光Ⅱ首轮直接驱动出中子靶的理论设计 在直接驱动出中子实验中，要求靶球纵横比大、充燃料气体气压高（1.5MPa），同时靶球内要充0.03~0.05MPa的少量诊断气体Ne。为此，玻璃球直径和壁厚分选，壁厚均匀性和球形度分选；靶球作耐外压试验；讨论球内气压与球外气压关系；分步充气实验；充D、T靶球保气半寿命研究（室温和低温保存）；充诊断气体Ne研究；球内燃料气体D、T含量测定。 1.4.2 靶材料研制 利用低压等离子体聚合化学气相沉积（LPPCVD）技术，可以制备CH涂层和金属掺杂聚合材料涂层。结合反弹盘技术研制微球表面涂敷CH涂层和靶丸表面掺杂CH涂层。利用LPPCVD掺杂技术，可以在CH涂层中掺杂原子百分比为0.05%～5%的金属，表面粗糙度为50～300nm, 厚度均匀性为1%～5%。 用热诱导倒相技术，制备低密度聚-4-甲基-1-戊烯（PMP）材料，缓慢冷却，经过凝胶、凝固变成固体，用超精密车床切割成一定直径和长度，用超临界CO2萃取，制成圆柱形PMP泡沫，其密度可达20mg/cm3 。 1.4.3 靶球制备技术 1998年对液滴法－多温区高温制球炉制球工艺（包括玻璃球配方、小孔板直径等）作了较详细研究，主要目的是研制纵横比大、耐压强度高的空心玻璃微球，通过实验研究，已经制备出壁厚小于1mm，直径大于f 300mm的空心玻璃微球，表面粗糙度为100nm, 靶球耐压强度可达3.6MPa。 1.4.4 柱腔成型与微加工研究 用精密电火花定位和精确旋转技术已能在整体式柱腔靶上制备双诊断孔，诊断孔可以是圆形，也可以是方形、长方形，双诊断孔位置精度±10mm，角度精度±2°。 1.4.5 靶参数测量研究 用低能X光源测量薄壁玻璃球和塑料球壁厚和壁厚均匀性，用低能X光显微辐射照相技术获得双层塑料球（PS+PVA）的双层照相，为双层球制备工艺提供了测量和监测手段。 1.4.6 充诊断气体（Ne）研究 实验摸索充D、T燃料气体后靶球充诊断气体Ne的条件，解决了不能同时向靶球内充D、T、Ne的困难，已制备出充有D、T、Ne的内爆出中子靶球。 1.5 ICF驱动源技术 1.5.1 神光Ⅲ关键单元技术预研和总体技术研究 完成了《神光Ⅲ原型装置概念设计报告》（第二版）的编制，确立了装置的总体技术路线，分解了各分系统的技术指标。 三片组放大器组件是神光Ⅲ主放大器的原型单元。在研制成功新一代三片组单孔径激光功率放大器组件的基础上，优化了氙灯规格（f17~f25mm）、放电脉宽（625~500ms）、放电网络分布参数，系统测量了氙灯放电回路各部分损耗，进一步完善了神光Ⅲ三片组单孔径放大器组件（SSA）的机构。完成了SSA的性能实验，获得了小信号增益系数的实验数据。 阵列式多程放大系统具有能量转换效率高、结构紧凑、效费比高等优点，是神光-Ⅲ拟采用的总体技术方案。1×2阵列多程放大系统的建立，将为神光Ⅲ原型装置提供开展总体技术研究的实验台。 通过对多程放大系统主要物理问题的分析及综合模拟，完成了TIL主放大级的初步优化设计，测试了将用于TIL主放大级的磷酸盐钕玻璃N31在短脉冲下（亚纳秒）的饱和通量，得出饱和通量受输出通量影响的经验关系式，综合考核了我国新型号激光玻璃（N31）和脉冲氙灯的性能指标，并为神光Ⅲ原型装置的设计提供了实验数据。 初步建立了模拟多程放大激光系统能流分布和光传输的二维计算程序。利用这些相关的理论分析和模拟计算工具，开展了多程放大系统主要物理问题的研究，对将用于原型装置主放大级的四程放大系统进行了初步的优化设计，利用光线追迹并通过三维矩阵与代数运算相结合的方法，开发了分析多程放大系统光路稳定性的仿真软件。利用开发的软件，我们完成了系统中各单个元件稳定性对打靶弹着点的影响的模拟计算，得出了相应的关系式及关系曲线。并提出用随机打靶的统计方法来分解系统的稳定性指标。 为解决制备高功率激光光学元件激光破坏的问题，研制提高光学薄膜抗损伤阈值的激光预处理系统，采用了一系列新技术实现了预处理过程的一体化控制。制备了小口径（f 30mm）化学高反膜片和物理高反膜片样品，初步获得了SOL–GEL膜、PVD膜两者损伤阈值比对的实验数据。初步建立了光学元件库存的计算机管理（MIS）系统。 建立并完善了用于空间束匀滑的二元光学器件（随机位相板、相息相位板、连续分布相位板）的设计程序，制作了两块100 mm×100mm的随机相位板和两块50 mm×50mm的相息相位板，并用He-Ne光进行了桌上试验，观察到了空间束匀滑的初步效果。建立了用于谐波分离的二元光学件设计程序，制作了20 mm×20mm的闪耀合成光栅，并用三种激光波长开展了桌上实验研究，得到了零级衍射效率（h1ω＝3.3％，h2ω＝3.1％，h3ω＝82.2％）和光束分离角（q1w＝15mrad，q2w＝7.5mrad）的实验数据。 1.5.2 星光Ⅱ维护和运行 在星光Ⅱ激光装置中，改进了靶室真空系统，改造了所有激光能量卡计，实现了整个驱动器能量测量链的自动采集、数据处理，建立了计算机联网集中显示和测量结果多终端传送体系，满足了装置精密化物理实验的要求。圆满完成了原子参数实验、中波合作研究项目、X射线激光和ICF实验的运行任务，打靶约558发次，成功率≥90%。最大三倍频激光能量≥100J。 2 核物理与中子学 2.1 中子学基准与中子屏蔽特性 建立了铁、铅及聚乙烯平板组合三维基准装置，实验装置由100cm×80cm见方的Fe、Pb、PE、Fe组成。14MeV中子由K400加速器提供，绝对中子产额用记录D-T反应伴随a 粒子的方法得到，放在由聚乙烯和铁组成的屏蔽体内的NE-213谱仪测量中子泄漏能谱。获得了Pb中的绝对反应率及反应率分布、PE与Fe接触界面上的绝对反应率，0o、20o、40o方向的中子角通量谱和中子角通量分布，源中子角通量分布，反应率误差4％~ 6％，中子角通量谱误差8％~10％，实验结果可为中子输运模型提供积分检验。利用MCNP/3D程序完成三维基准装置和铁、水交替球柱组合二个装置的模拟计算。本年度中建立了钒球实验装置及小型NE- 213中子探测器。 2.2 室温核聚变 含氘(氢)金属异常现象研究也称室温核聚变，主要进展是使用6kV以下的直流电压放电，测量到比理论计算大102~103倍的气体放电中子，为进一步测量束靶中子所占的份额，设计了伴随粒子法测量中子用的放电室和相应装置；使用Si-Li半导体探测器、NeI探测器、热释光X射线探测器、X光胶片及特征X射线法分别测量了直流电压放电情况下，气体放电中从阴极发射出的X射线和阳极发射出的X射线(韧致辐射)，为进一步研究阴极X射线性质及原理，拟测量阴极X射线原始谱和纵向(轴向)及横向分布，设计了测量“阴极X射线”原始谱用的放电室、相应的测量系统。 3 反应堆物理及应用 3.1 临界次临界及快中子脉冲堆实验 3.1.1 中子注量测量系统研制 准确地测量CFBR Ⅱ堆的中子注量，是利用CFBR Ⅱ堆开展中子物理和抗辐射加固试验研究的基础。本项目研究采用箔片激活法和中子计数法技术，通过建立相应的测量系统，在CFBE Ⅱ堆基准状态(堆体周围无实验物)和非基准状态两种典型情况下，测量不同探测器多个核素的单核反应率，借助于SAND Ⅱ迭代方法和M.C分析程序等，求得中子注量Φ(E)。完成了中子注量测量系统对中子场变化的选用性研究。 3.1.2 CFBR Ⅱ堆提高脉冲产额实验研究 1998年度工作的主要目的是将CFBR Ⅱ快中子脉冲堆的脉冲裂变产额从1.4×1016裂变/脉冲提高到3.0×1016裂变/脉冲。采用一维Sn理论计算结果与实验测量结果建立的外推关系作指导，依据正确的实验方法和严格的控制程序，完成在堆上进行的实验。结果表明，安全控制参数均在限值以下，达到的具体指标为：裂变产额2.08×1016裂变/脉冲，脉冲半高宽度84ms，脉冲前沿（功率)上升周期25.4ms。堆体测点瞬时温升95.71℃，堆体测应力82.56MPa。 3.2 实时中子照相实验 反应堆实时中子照相系统是CMRR的配套设施,转换屏光学性能实验有助于提高实时中子照相技术水平。通过300＃堆上实验，绘出转换屏发光照度绝对值与中子束注量率的关系曲线，推导出中子注量率为108n/(cm2×s)时，ZnS(Ag)6LiF(NE426)转换屏发光照度的绝对值，为在CMRR上建立实时中子照相系统提供理论依据。 4 高功率脉冲及加速器技术 加速器是许多重要物理实验和工业生产领域的必备工具。 4.1 10MeV直线感应加速器 1993年投入运行以来，运行良好，目前已达到可把2.1kA、70ns(FWHM)脉宽的电子束，加速到10MeV，并在重金属靶上聚焦成f 4mm焦点，在距靶1m处，每脉冲产生2.96×10-2C/kg的X射线照射量可用于闪光X光照相。 4.2 10MeV直线感应加速器升级 10MeV直线感应加速器升级为12MeV后达到打靶束流2.6kA，束流脉宽(FWHM)89ns，焦点f 4～f 5mm，在距靶1m处，每脉冲的X射线照射量增加到3.95×10-2C/kg。 4.3 20MeV 直线感应加速器预研
为进一步满足高精度物理实验要求，一台新的20MeV直线感应加速器正在筹划之中，关键技术和部件的预研工作，已取得重要进展。该加速器的主要设计指标是，加速电子束流3.0kA，束流平顶部分(幅度的±1％)宽度60ns，输出能量18~20MeV，打靶焦点≤f 1.5mm，每个脉冲在距靶1m处的X射线照量≥0.077C/kg。 5 X光激光 5.1 类Ni离子X光激光实验 目前，国际范围内的实验室X光激光研究继续朝着提高亮度、缩短波长、提高效率，实现它在激光聚变、生命科学等研究领域中的实际应用方向推进。我们着重研究预 －主脉冲激光驱动类Ni离子X光激光，以较高的效率获得较短波长的X光激光输出。1998年在神光Ⅱ特别是在GEKKOⅫ装置上进行的类Ni离子X光激光实验，取得了重要的进展。 神光Ⅱ装置八路激光通到靶场，结合装置总体调试，进行了X光激光实验试打靶，在200~350J范围内，靶面激光辐照强度为5×1013~8×1013W/cm2。在这样比较低强度的驱动激光条件下，观测到类Ni镝、铒、镱的软X光激光输出波长分别为5.86、5.43、5.02nm，已经相当接近在生命科学研究中具有重要应用价值的2.3~4.5nm“水窗”波长。实验还测出类Ni镝和镱的增益系数G分别为1.4和1.6cm-1，增益长度乘积GL值分别为2.8和3.2。 组队赴日与大阪大学加藤义章小组在GEKKOⅫ装置上进行实验，利用两路宽约100ps的预-主脉冲激光驱动类Ni离子X光激光，以较高的效率获得较短波长的X光激光输出。1998年在神光Ⅱ特别是在GEKKOⅫ装置上进行的类Ni离子X光激光实验，取得了重要的进展。 神光Ⅱ装置八路激光通到靶场，结合装置总体调试，进行了X光激光实验试打靶，在200 ~350J范围内，靶面激光辐照强度为5´1013~8´1013W/cm2。在这样比较低强度的驱动激光条件下，观测到类Ni镝、铒、镱的软X光激光输出波长分别为5.86、5.43、5.02nm，已经相当接近在生命科学研究中具有重要应用价值的2.3~4.5nm“水窗”波长。实验还测出类Ni镝和镱的增益系数G分别为1.4和1.6cm-1，增益长度乘积GL值分别为2.8和3.2。 组队赴日与大阪大学加藤义章小组在GEKKOⅫ装置上进行实验，利用两路宽约100ps的预-主脉冲基频激光，并采用了双靶对接方案。成功获得了波长13.9nm的类Ni银软X光激光饱和输出，增益系数G≈15cm-1，比不久前英国卢瑟福实验室的G值大得多。实验得到的高强度近水窗类Ni镱和铪软X光激光输出，是目前国际同类实验的最好结果。还观测到波长分别为4.48、4.31nm的类Ni钽和钨的软X光激光输出，已经进入水窗波段。5.2 获得短波长高强度X射线激光 用星光Ⅱ装置上200ps脉宽的中短脉冲激光驱动，获得了类Ne铬离子高强度X射线激光，波长为28.5nm，强度为1995年获得的波长32.6nm类Ne钛X射线激光的3倍，它是比类Ne钛激光更优良的应用研究用X射线激光源。
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