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毕碧, 周维民, 单连强, 等. 皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
引用本文: 毕碧, 周维民, 单连强, 等. 皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
Bi Bi, Zhou Weimin, Shan Lianqiang, et al. Density diagnosis based on ps-duration-pulse X-ray backlighting for fast ignition compression[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
Citation: Bi Bi, Zhou Weimin, Shan Lianqiang, et al. Density diagnosis based on ps-duration-pulse X-ray backlighting for fast ignition compression[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050

皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度

doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
基金项目: 国家自然科学基金项目(11875048,11775202);科学挑战专题项目(TZ2018005)
详细信息
    作者简介:

    毕 碧(1985—),女,博士,助研,从事快点火物理研究;angela-023@163.com

    通讯作者:

    周维民(1978—),男,博士,研究员,从事高能量密度物理研究;zhouwm@caep.cn

    谷渝秋(1968—),男,研究员,从事高能量密度物理研究;yqgu@caep.cn

  • 中图分类号: O536

Density diagnosis based on ps-duration-pulse X-ray backlighting for fast ignition compression

  • 摘要: 为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数,并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础,在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源,测量了成像分辨率、光通量,获得了短脉冲背光源的辐射特性,进一步成功演示了基于这种短脉冲背光照相技术的间接驱动快点火预压缩密度诊断。实验所得图像与模拟图像结构一致,实测压缩过程中的面密度达到50 mg/cm2。实验还发现了压缩不对称引起的流体不稳定性特征,为后续实验提供了改进方向。
  • 图  1  实验排布

    Figure  1.  Experimental setup

    图  2  神光-II升级皮秒激光实测焦斑,10%(白线)50%(黑线)峰值强度等高线

    Figure  2.  Measured laser spot of ps laser at SG-II-updated facility,10%(white line) and 50%(black line)level contour of peak intensity

    图  3  静态背光图像和成像分辨率

    Figure  3.  Statical backlight image, improved image and calculation result

    图  4  内爆压缩结果

    Figure  4.  Implosion compression results

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-01-19
  • 修回日期:  2020-03-11
  • 网络出版日期:  2020-03-18
  • 刊出日期:  2020-03-06

皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度

doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
    基金项目:  国家自然科学基金项目(11875048,11775202);科学挑战专题项目(TZ2018005)
    作者简介:

    毕 碧(1985—),女,博士,助研,从事快点火物理研究;angela-023@163.com

    通讯作者: 周维民(1978—),男,博士,研究员,从事高能量密度物理研究;zhouwm@caep.cn谷渝秋(1968—),男,研究员,从事高能量密度物理研究;yqgu@caep.cn
  • 中图分类号: O536

摘要: 为了给快点火集成耦合效率的计算提供关键参数,并为后期高密度压缩奠定高能背光的诊断基础,在神光-Ⅱ升级装置上利用皮秒短脉冲激光驱动产生了X射线背光源,测量了成像分辨率、光通量,获得了短脉冲背光源的辐射特性,进一步成功演示了基于这种短脉冲背光照相技术的间接驱动快点火预压缩密度诊断。实验所得图像与模拟图像结构一致,实测压缩过程中的面密度达到50 mg/cm2。实验还发现了压缩不对称引起的流体不稳定性特征,为后续实验提供了改进方向。

English Abstract

毕碧, 周维民, 单连强, 等. 皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
引用本文: 毕碧, 周维民, 单连强, 等. 皮秒短脉冲X射线背光诊断快点火靶丸压缩面密度[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
Bi Bi, Zhou Weimin, Shan Lianqiang, et al. Density diagnosis based on ps-duration-pulse X-ray backlighting for fast ignition compression[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
Citation: Bi Bi, Zhou Weimin, Shan Lianqiang, et al. Density diagnosis based on ps-duration-pulse X-ray backlighting for fast ignition compression[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 042001. doi: 10.11884/HPLPB202032.200050
  • 惯性约束聚变(ICF)使用高功率高能量外部能源驱动燃料靶丸内爆,压缩燃料到高温高密度极端状态,促使聚变快速发生发展直至燃烧,在惯性约束时间内放出聚变能,为人类提供干净新型能源。1994年,Tabak等人提出了惯性约束的快点火方案[1],其核心思想是将压缩和点火分开:先用多束激光将燃料压缩到高密度状态;在最大压缩时刻用另一束超短超强激光产生高能粒子束,在高密度燃料边缘附近沉积能量,产生热斑点火。在增益系数基本相同的条件下,快点火所需驱动能量低于中心点火,允许点燃非球形结构的燃料,这些优势使得快点火成为探索惯性约束聚变点火的一种途径[2-5]

    评估快点火科学可行性的一个重要参数是超短超强激光到燃料的能量耦合效率。能量耦合效率的估计依赖于燃料密度、体积和温度变化量。其中,燃料压缩密度或面密度一般通过背光X射线吸收率或者质子能损方法测量[6-13]。但在目前的间接驱动快点火中,因为质子和中子的产额较低,质子能损方法并不适用。背光X射线吸收率方法通过ns级激光照射金属靶产生背光X射线,利用分幅相机测量X射线被压缩靶丸吸收后的光谱图像,通过透过率和吸收系数反推靶丸密度。这种方法不仅可以从直观清晰的压缩靶丸图像中测量压缩半径,还可以给出时间分辨达50 ps的压缩靶丸密度演化[11]。但ns级长脉冲产生的类He线背光源往往能段较低,适用于数十mg/cm2的燃料诊断,而对约300 mg/cm2的高面密度燃料穿透力不足。利用ps级短脉冲PW激光可以激发高能Kα背光源,诊断高密度的物质,而且短脉冲背光源发光时间极短,大大提高了成像的时间分辨。美国Omega-EP装置利用10 ps PW激光产生8.048 keV的背光源,诊断获得了直接驱动快点火预压缩燃料的密度[14]。我国神光-Ⅱ升级装置拥有八路ns级的压缩激光和第九路 ps级的PW激光,为间接驱动预压缩密度诊断提供了短脉冲背光实验平台。相较于纳秒级长脉冲激光驱动的X射线源,短脉冲皮秒PW激光打靶能够产生更高能的X射线,但同时也会伴生超热电子和γ光子给探测设备带来非常强的电磁干扰。此外,间接驱动的复杂黑腔环境和未经束匀滑处理的不均匀高能X射线焦斑也显著增加了对内爆靶丸实验诊断的难度。这些都是发展短脉冲超强激光X射线背光预压缩密度诊断技术所必须克服的困难。

    本工作基于神光-Ⅱ升级装置开展了ps短脉冲X射线背光成像技术研究。实验成功测量了背光光谱、背光分辨率,获得间接驱动快点火预压缩靶丸的背光图像,实测图像与模拟图像一致,面密度超过50 mg/cm2。实验还发现,壁厚不均匀和压缩不对称导致压缩燃料出现流体不稳定性的尖刺结构,这为后续提高压缩密度提供了改进方向。

    • 实验排布如图1(a)所示,第九路皮秒激光脉宽10 ps,能量300 J,功率密度高于9×1016 W/cm2,斜入射在30 μm厚的Ti平面靶上,产生4.5 keV的Kα源。我们利用了KB显微镜配置成像板来测量背光图像,背光靶的光谱由单光子CCD监测。快点火间接驱动预压缩实验中,腔壳靶主体部分由CD球壳、导引锥、黑腔构成,具体结构见图1(b)所示。空心CD壳层的内半径为220 μm,壳层厚度为50 μm,外涂10 μm CH;导引金锥,张角40°。金黑腔尺寸为长2 400 μm,直径1 400 μm,注入孔直径850 μm,腔壁厚25 μm,腰部开有500 μm×500 m的对穿诊断孔,黑腔内充有0.07 MPa的戊烷,动态实验中,Ti靶距离靶丸中心3.1 mm。八束纳秒激光注入黑腔驱动内爆压缩,黑腔的辐射温度由位于黑腔上方的XRD探测器测量。

      图  1  实验排布

      Figure 1.  Experimental setup

      KB显微镜由两块光轴正交放置的球面镜构成,通过光线的反射避免γ的干扰,通过对反射膜的选择控制背光的单色性[15]。实验中KB显微镜距离靶心19 cm,放大10倍,在4.5~4.75 keV能段反射率~60%,KB显微镜立体角为1×10−6。为滤除低能X射线和屏蔽干扰粒子,在KB显微镜前放置20 μm Be滤片,在成像板前放置了20 μm Ti滤片,组合滤片在4.5~4.75 keV能段的透过率为40%。在激光能量280 J、脉宽10 ps的情况下,与靶面法线夹角45°的单光子CCD测得光子产额为1.73×1013个/sr,转换效率为5×10−4。综上,成像板上的光通量为2.49×106个,成像板上单位像素元的光通量为4.31×104个。

    • 首先在不放置黑腔的情况下,用KB显微镜测试第九路激光照射背光靶产生的X光源的亮度分布。KB测量的焦斑图像如图2所示。10%峰值亮度的边缘线由图中白色曲线勾勒,该区域大小为225 μm×188 μm;50%峰值亮度的边缘线由图中黑色曲线勾勒,焦斑的半高全宽为45 μm×48 μm。

      图  2  神光-II升级皮秒激光实测焦斑,10%(白线)50%(黑线)峰值强度等高线

      Figure 2.  Measured laser spot of ps laser at SG-II-updated facility,10%(white line) and 50%(black line)level contour of peak intensity

      在放置黑腔靶但不注入纳秒激光的情况下,我们以锥顶模拟刀边测量成像分辨率。靶丸壳层的初始密度仅1 g/cm3,导引锥的锥顶宽度为32 μm,张角为40°。在没有压缩激光注入黑腔时,4.5 keV的X射线完全透射壳层,但会被高密度的导引锥吸收,因此背光图像中仅有导引锥的阴影。在激光条件和诊断参数设置相同的条件下,KB镜测量得到的静态背光图像如图3(a)所示,右侧阴影部分为导引锥,与虚线所勾勒的导引锥设计尺寸相符。图3(a)图2的光斑分布相似,因此我们以图2的焦斑为参考,去除图3(a)中的焦斑不均匀性影响。以最高亮斑为特征点,将图2图3(a)配准,然后在图3(a)中扣除背光影响,改善后的图像见图3(b)。受上述简单算法的影响,处理后的图像有光斑的部分伪影,但强度已经明显降低,可用于后续分析。取图像中一行数据,见图3(b)中黑色虚线,绘制出归一化的强度分布Ix,见图3(c)中蓝点所示。对该数据进行拟合,拟合公式为$f({I_x})= - 0.402[{\rm{tanh}}(0.286{I_x})- 1] + 0.11$,拟合误差RMS为0.056,拟合结果见图3(c)中绿色实线所示。对拟合曲线求导得到类高斯分布曲线,放大8倍后见图3(c)红色虚线。该分布的半高全宽就是成像分辨率,为12.5 μm。KB显微镜的分辨率为10 μm,因此背光源不均匀和图像处理过程对分辨率的影响约为${({12.5^2} - {10^2})^{1/2}} = 7.5$ μm。

      图  3  静态背光图像和成像分辨率

      Figure 3.  Statical backlight image, improved image and calculation result

    • 快点火间接驱动预压缩实验中,8束方波脉冲的压缩能量共计12.2 kJ,平均脉宽2 448 ps,实测波形见图4(a)黑色实线,由XRD测得的辐射温度见图4(a)红色实线。图4(b)是该时刻背光图像经过背光不均匀性去除和图像增强处理后的结果,图像左侧暗区域为压缩靶丸壳层,右侧暗区为导引锥。图4(c)是模拟得到的最大压缩时刻密度图,图4(d)是根据公式$\rho R(x,y)= {\rm{ln}}({I_0}/I)/2\mu $计算得出的面密度图,其中ρRxy)是燃料点(xy)处的面密度,I0是背光强度,I是衰减后的强度,μ是冷物质的质量吸收系数,由于冷物质质量吸收系数比热物质的质量吸收系数高,所以该公式计算得到的面密度会比实际面密度低。对比图4(c)图4(d)可以发现,实验测量得到的压缩壳层结构和模拟结果非常接近,在导引锥的影响下,压缩壳层呈现月牙状,高密度区域并不集中在球心,而是在远离锥顶的球环上。于该测量时刻壳层还没有完全聚心,在距离锥顶~100 μm处面密度大约51 mg/cm2。此时,壳层顶端(最左侧)已经出现了流体不稳定性引起的尖刺结构,锥体前端结构也已经开始变形。该结果说明目前的靶设计,可能会导致压缩后期靶丸破裂,应该从靶丸壁厚均匀性和辐照均匀性上做进一步改进[4, 8],以提高压缩对称性,进一步提高压缩密度。

      图  4  内爆压缩结果

      Figure 4.  Implosion compression results

      比较图4(b)图3(b),可以看到金锥区域出现一定程度的变形,这来主要自两方面因素,一方面是黑腔中的硬X射线穿透靶壳直接辐射烧蚀锥体表面引起的膨胀变形,另一方面是由于聚芯等离子体的非对称撞击。我们知道在燃料的最大压缩时刻,超短超强相对论皮秒激光要从空心锥内沿着锥轴注入锥顶,产生强流电子束进而加热燃料。因此,在最大压缩时刻需要保持激光通道的通畅。从目前的照相结果看,锥的变形并未影响到我们关心的锥轴线附近区域。在更高驱动能量下,锥体可能会受到严重的变形,锥体张角、锥芯距离等参数都是后续实验需要优化的因素。基于KB显微镜的背光成像技术在中心点火中也有广泛应用,使用匀滑纳秒强激光驱动的X射线源可以实现强度分布更均匀的背光照相,当然使用相对论皮秒激光可以产生能量更高的X射线源。

    • 基于神光-Ⅱ升级装置,测量了短脉冲皮秒激光驱动的X射线源的辐射特性,获得了背光强度、背光分布等实验数据,并成功利用KB显微镜演示了间接驱动快点火锥壳靶预压缩密度诊断,获得了预压缩锥壳靶的密度分布。实测图像与模拟图像结构一致,预估面密度超过50 mg/cm2。实验同时发现了压缩过程中由于壁厚不均匀和压缩不对称导致的流体不稳定性的尖刺结构。下一步工作将通过改善靶丸壁厚不均匀性、改进腔靶结构、改变脉冲形状来进一步提高压缩密度和面密度。

参考文献 (15)

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