平面孔靶对X光及激光的研究范文

《强激光与粒子束杂志》2016年第8期

摘要:

在神光Ⅲ和神光Ⅲ原型装置上基于平面孔靶研究了激光挂边及本底X光发射情况。能量卡计直接测量激光挂边份额；X光针孔相机给出本底X光发射的空间图像；平响应X光探测器测量本底X光的强度。实验结果表明：在神光Ⅲ原型上800μm注入孔时，针孔图像中本底X光计数与黑腔漏失辐射流计数的比值约为1．2％；在神光Ⅲ上1000μm注入孔时，平响应X光探测器测得的本底X光干扰的峰值约为2．7％，能量卡计测得的激光挂边份额约为2．6％。此外，根据神光Ⅲ的实验参数模拟计算了激光挂边份额和本底X光的干扰。与实验结果的对比说明了该模型的正确性，可以用该模型评估激光挂边及本底X光发射情况，同时可以用该模型指导注入孔尺寸的选择。

关键词：

平面孔靶；激光挂边；本底X光；X光针孔相机；平响应X光探测器

激光间接驱动惯性约束聚变（ICF）［13］通常利用Au黑腔将激光转换为X光，由X光驱动黑腔内的氘氚靶丸内爆并最终达到聚变点火。作为靶丸内爆的直接驱动源，黑腔内的X光辐射流需要精密测量。最常用的方法是通过测量从黑腔激光注入孔（LEH）漏失［45］的X光来定量腔内的X光辐射流。然而，从注入孔漏失的X光只是腔内X光的小部分，所以这种测量容易受到本底X光的干扰。注入孔边沿挂边的激光所转换的X光是本底X光的主要来源。激光挂边份额定义为挂边的激光能量与总激光能量的比值。实验上获得激光挂边份额以及随着产生的本底X光强度评估本底对辐射流测量的影响具有重要意义。以往的实验通过结合平面孔靶和能量卡计来获得激光挂边份额［6］。将一个平面孔靶放置于靶点处，单束激光注入平面孔靶，能量卡计放置在注入孔的另一侧用于收集穿过的激光能量。总的激光能量减去穿孔的激光能量即为挂边的激光能量，从而由激光挂边能量和总激光能量获得激光挂边份额。激光挂边份额和激光转换效率相结合可以估算由激光挂边带来的本底X光。然而，该方法只能对一束激光进行单次测量，并且不能直接获得由激光挂边带来的本底X光；此外，激光转换效率是一个难以精确诊断的量，因此该方法估算的本底X光可能存在较大误差。本文在该方法的基础上进行推广。仍然将平面孔靶置于靶点处，多束激光单侧注入平面孔靶，X光针孔相机平响应X光探测器置于激光的同侧用于观察和测量挂边激光所产生的本底X光。这种方法既能获得激光挂边的直接图像，又能够直接测量本底X光强度，并能对多束激光入射的情况进行观测。通过对比平面孔靶的本底X光和腔靶的LEH漏失X光，获得了本底X光对黑腔辐射流测量的干扰。同时，根据实验参数模拟计算了激光挂边和本底X光，与实验结果的对比说明了模型的正确性。

一、实验排布

实验在神光Ⅲ原型和神光Ⅲ上进行。实验布局如图1所示，靶沿轴线竖直放置在球形靶室中心，激光通道对称分布靶室的上下半球。X光针孔相机放置在上半球，其与靶轴线的夹角为20°。一组平响应X光探测器放置在上半球的不同角度，以此获得不同观测角的LEH漏失辐射流和本底X光辐射流数据。事实上，腔靶有上下两个激光注入孔，它们分别对上端和下端注入的激光存在挂边效应。考虑到对称效应，可以仅研究上端激光在上注入孔的挂边情况，此时只有上端激光注入，如图1所示。由于研究的是上端注入激光的挂边效应和对应的本底X光，因此XPHC和FXRD也放置在靶室的上半球。

二、实验结果

2.1针孔相机测量结果

2.2犉犡犚犇测量结果

2.3激光穿孔效率与激光挂边份额 

三、模拟计算与分析

3.1激光挂边份额．

3.2本底X光

3.3分析

通过上述计算结果与实验的对比，说明了计算的正确性。然而，实验得到的激光挂边份额和本底X光强度都略高于计算值。这可能是因为实际的激光条件更加恶化，或者多束激光交叉时导致了激光光斑的增大，从而提高激光挂边份额和本底X光强度。式（2）假设本底X光是在上半平面均匀分布，然而图4显示本底X光强度与角度呈负相关关系。这可能是因为本底X光有前向发射的趋势。此外，模型只能给出本底X光强度的峰值，并不能给出本底X光强度的时间行为。在黑腔实验中，我们往往更关注黑腔峰值辐射流，因此也更关注峰值本底X光强度及其对黑腔峰值辐射流的影响。则该简化模型可以用于估计神光Ⅲ上激光的挂边份额及其对应的峰值本底X光。本实验通过平面孔靶直接测量了激光挂边份额及对应的本底X光。在腔尺寸相同的情况下，认为腔内的辐射流不变，此时本底X光的干扰将高达13％。这既严重地干扰了黑腔漏失辐射流测量的准确性，也严重的浪费了激光能量。在腔尺寸相同的情况下，认为腔内的辐射流不变，此时本底X光的干扰将高达13％。这既严重地干扰了黑腔漏失辐射流测量的准确性，也严重的浪费了激光能量。

四、结论

本文基于平面孔靶研究了激光挂边及其随着产生的本底X光发射情况。X光针孔相机获得了本底X光发射的空间图像；FXRD直接测量了本底X光的强度。通过平面孔靶与腔靶的实验结果对比，获得了激光挂边带来的本底X光对黑腔漏失辐射流测量的影响。在神光Ⅲ的现有实验条件下，注入孔1000μm时带来的本底X光干扰小于FXRD本身的测量不确定度，可以认为此时本底X光对黑腔漏失辐射流的测量没有影响。同时，本文建立了一个简单模型用于计算激光挂边份额及其对应的本底X光峰值。计算与实验的对比说明了该简化模型的正确性，可以由该模型指导激光注入孔的尺寸设计。

作者:李琦 李三伟 郭亮 李志超 杨冬 单位:中国工程物理研究院激光聚变研究中心清华大学工程物理系