Z箍縮動態(tài)黑腔陰影像診斷研究*

陳法新 馮璟華 李林波 楊建倫 周林 徐榮昆 許澤平

(中國工程物理研究院核物理與化學研究所,綿陽 621900)

(2012年6月27日收到;2012年9月26日收到修改稿)

1 引言

Z箍縮黑腔研究是Z箍縮聚變研究中的關鍵環(huán)節(jié),其中動態(tài)黑腔(見圖1)是在軟X射線波段實驗室內可以實現(xiàn)的最接近黑體輻射的源之一,同時也是輻射輸運基礎研究和間接驅動的慣性約束聚變最有力的X射線源[1],因此在各種黑腔研究中受到廣泛的重視.目前動態(tài)黑腔的實驗研究主要集中在輻射場診斷方面,測量由軸向診斷孔輻射的X光功率和X光圖像[2,3],部分實驗測量了示蹤元素的能譜[4].這些黑腔實驗基本上都是在具有大脈沖電流的Z裝置上開展的,而在小電流裝置上,如1 MA左右,基本沒有開展過類似實驗,因為小電流裝置上的Z箍縮軸向黑腔輻射場測量有很大困難,一方面在這類裝置上黑腔輻射溫度低,X光輻射強度也很低,這就要求用于軸向測量的黑腔靶上診斷孔盡量大,另一方面又要求在軸向診斷視野內盡量不要有絲等離子體進入,否則絲等離子體的輻射會對測量結果產(chǎn)生極大的干擾,這就要求診斷孔盡量小,因此選擇大小合適的軸向診斷孔至關重要.如何確定軸向診斷孔的大小,在這樣小的脈沖電流裝置上徑向探針光陰影像不失為一個有力的工具,通過分幅陰影像的定量分析可以提供動態(tài)黑腔徑向箍縮數(shù)據(jù),為軸向診斷孔徑的選擇提供依據(jù).另外,對帶泡沫柱的動態(tài)黑腔中絲等離子體與泡沫相互作用的時間演化圖像未見有文獻報道,而該類數(shù)據(jù)對提高動態(tài)黑腔物理認識非常重要.本文正是通過分幅陰影像呈現(xiàn)了從固體絲膨脹消融到先驅等離子體與泡沫相互作用,從泡沫的箍縮到反彈膨脹的全過程演化圖像,同時提供動態(tài)黑腔的徑向箍縮速度,這些數(shù)據(jù)也為黑腔動力學模擬程序提供了定標參數(shù).

圖1 含泡沫柱鎢絲陣動態(tài)黑腔實物圖

2 陰影像的物理內涵

利用準平行激光束作為探針光源,令其入射到Z箍縮等離子體上,由于激光同等離子體相互作用,一方面逆韌致吸收等吸收機制導致通過等離子體后的激光光強被衰減,衰減量與激光通過的不同路徑上的等離子體狀態(tài)參量如密度、溫度的不同而不同,另一方面由于等離子體密度分布的不均勻,其等效折射率也發(fā)生了變化,透過的激光光線就會發(fā)生偏折,這也會導致激光光強分布發(fā)生變化[5].激光在等離子體中的輸運結果到底哪種物理機制起主導作用還是兩者不可偏廢,既反映了本次實驗探針光陰影像的物理內涵,同時對診斷系統(tǒng)的參數(shù)設計亦具有指導意義.因為如果吸收機制起主導作用,那么透過等離子體的光強分布就取決于準平行入射后光線的衰減變化,診斷系統(tǒng)對收光角的要求就會大為降低,即不用追求大的收光角以增加可測等離子體的密度梯度范圍;相反,如果偏折機制起主導作用,勢必要盡量增大收光角.

圖2 266 nm激光與密度鐘形分布等離子體作用后的光強分布

鑒于探針光用的激光光強較弱(本次實驗為12 ns,脈沖能量為30 mJ),吸收效應僅考慮線性吸收即可.為了能夠定量地提供判據(jù),針對Z箍縮等離子體的密度分布特點,設計了兩種具有代表性的軸對稱密度分布形式:鐘形分布和雙峰分布.通過光跡追蹤的辦法模擬計算了兩種密度分布形式下吸收與偏折效應的比較結果,其中,線性逆軔致吸收中線性吸收系數(shù)為[6]

式中,ne,nc為等離子體密度和對應探針光波長的截止密度(1/cm3),Z為等效電荷數(shù),Te為等離子體電子溫度(keV),lnΛ為庫侖對數(shù).而光線輸運偏折計算采用正則方程:

當密度僅沿半徑方向變化時,則光線徑跡方程為

在鐘形密度分布下,計算結果如圖2所示,在雙峰分布下的計算結果如圖3所示.其中,探針光波長為266 nm.

圖3 266 nm激光與密度雙峰分布等離子體作用后的光強分布

由圖2和圖3可知,兩種密度分布形勢下,雖然探針光經(jīng)過等離子體時僅考慮吸收效應和僅考慮偏折效應造成的出射光強分布很不相同,在雙峰分布時,由于偏折角很大,不同收光角下的分布也很明顯,但當同時計及逆軔致吸收和偏折效應時,即光跡追蹤的每一步的空間位置由偏折效應確定,輸運的權重由吸收效應確定,最后出射的光強分布與僅計算吸收效應時的光強分布相當.因此,從這些計算結果來看,Z箍縮探針光陰影成像主要反映了激光與等離子體相互作用的逆軔致吸收效應.

3 診斷系統(tǒng)主要構成

實驗用激光器具備12 ns脈寬和30 mJ/266 nm激光脈沖能量輸出能力.將激光器輸出的12 ns脈沖分成兩束,相對延時后有效寬度近30 ns,系統(tǒng)的時間分辨是基于記錄單元像增強器的門寬.系統(tǒng)具備四分幅成像能力,時間分辨約為2.5 ns,靜態(tài)空間分辨優(yōu)于70μm,系統(tǒng)分光入射單元和分幅成像單元光路圖見圖4.

圖4 (a)分光入射;(b)成像單元示意圖

4 實驗布局及結果分析

實驗在西北核技術研究所的“強光一號”脈沖功率裝置上開展,負載脈沖電流峰值約為1.3 MA,上升時間(10%—90%)約為80 ns,動態(tài)黑腔負載如圖1所示.鎢絲陣直徑有8和12 mm兩種,均為42根直徑4.2μm的鎢絲構成,泡沫(C15H20O6)柱直徑3 mm.

首先,以Φ8 mm鎢絲陣為例,不同發(fā)次按時間順序將典型時刻的箍縮演化圖像列于圖5中,其中某些圖像中心的亮點是成像系統(tǒng)自身的缺陷所致,陰影像中的時間參考零點均是每發(fā)次的徑向X光功率峰值時刻.

從圖5中可以明顯看出,在X光峰前約70 ns時先驅等離子體已經(jīng)與泡沫柱有明顯的相互作用,此時絲直徑也已由最初的4.2μm膨脹到70—200μm,后續(xù)的時間里可以清楚地看到先驅等離子體向內箍縮運動徑跡,在X光峰前45 ns時靜態(tài)絲位置還留有大量剩余質量,X光峰前約24 ns時由陰影像上已經(jīng)無法再看到殘留在絲原位上的質量,此時大部分鎢絲質量極有可能已經(jīng)消融殆盡,而具有內爆聚芯行為的等離子體相互融合成“尖刺”狀向內發(fā)展,X光峰前約14 ns時鎢等離子體主要質量已經(jīng)作用到泡沫上,此時泡沫的直徑也明顯被壓縮,由Φ3 mm變?yōu)榧sΦ2 mm.由前述過程很明顯可以看出,首先,先驅等離子體形成并向軸向運動,該過程一直持續(xù)到鎢絲幾乎全部消融(在絲原位已看不到絲的本來形狀).可以認為這一過程是先驅等離子體不斷向軸向注入,且泡沫柱上的鎢等離子體質量是不斷增加的.隨著鎢絲幾乎全部消融,主體鎢等離子體開始向軸運動,但是可以看出這時的等離子體并非以較薄的殼層結構向內箍縮,而是分布在整個有效的半徑空間.因此作用到泡沫上的等離子體是持續(xù)且不斷增多的,當然或許在某個瞬間有鎢等離子體質量上的陡然增加(即鎢主體等離子體與泡沫作用瞬間),這種作用形式很難形成良好的黑腔壁,進而影響泡沫中黑腔輻射場的品質.在X光峰附近泡沫柱與部分鎢等離子體的混合邊界平均直徑僅為Φ1 mm,X光峰后16 ns明顯看出箍縮到芯后的反彈膨脹,此時泡沫與鎢等離子體混合柱已經(jīng)膨脹到約Φ3.6 mm.對于Φ12 mm的絲陣陰影像反映的黑腔動力學演化圖像與Φ8 mm絲陣是一致的.

接下來,對不同發(fā)次探針光陰影像參考時間“標準點”,是采用每發(fā)次徑向X光功率峰時刻還是負載電流時間波形中某些特征時間點的合理性做出判斷.

為了回答該問題,我們先將每發(fā)次相對X光峰值不同時刻泡沫柱(覆蓋有鎢等離子體)平均半徑進行判讀,再根據(jù)每發(fā)次X光峰值相對電流波形的時間,將泡沫柱的判讀數(shù)據(jù)關聯(lián)到電流波形的特征時刻.

各分幅成像時刻以X光功率峰值時刻、電流峰的10%幅度時刻和電流峰的70%幅度時刻為參考,如圖6(a)—(c)所示,上面的十字叉代表了每幅圖像的拍攝時刻在相應時間波形上的位置;圖6(d)—(f)是相應的以該拍攝時間序列為參考,泡沫箍縮半徑隨時間的演化圖像,可以看出泡沫箍縮過程的物理圖像發(fā)展以X功率峰為參考時間點有明顯的箍縮-滯止-反彈三個階段,而以電流波形特征點為參考時間點數(shù)據(jù)顯得較為雜亂,因此以X光功率峰為參考時間點更具合理性.

圖5 動態(tài)黑腔動力學演化過程 (a)?69.5 ns,289#;(b)?45.5 ns,288#;(c)?24.3 ns,292#;(d)?13.7 ns,303#;(e)0.2 ns,301#;(f)15.9 ns,302#

圖6 以不同特征時間點為參考成像時刻分布以及相應分布下的泡沫半徑演化

圖7 泡沫柱與鎢等離子體混合界面徑向時間演化曲線

下面以X光功率峰為參考時刻,對Φ8 mm,Φ12 mm和混合不分類(是指將Φ8 mm和Φ12 mm的絲陣數(shù)據(jù)不區(qū)分的放在一起)三種情況下的泡沫柱半徑隨時間的演化曲線進行3階多項式擬合(圖7),通過擬合得到的表達式,求解瞬時箍縮速度(圖8),不分類負載泡沫柱最小箍縮速度為1.0×106cm/s,最大箍縮速度為6.0×106cm/s.

圖8的泡沫柱徑向箍縮速度演化曲線有一個交叉點,該時刻之前Φ12 mm絲陣泡沫柱徑向箍縮速度較大,隨著時間的推移,Φ8 mm絲陣泡沫柱徑向箍縮速度越來越大,但由于Φ12 mm絲陣統(tǒng)計數(shù)據(jù)還不夠多,因此該結論還需要有更多實驗數(shù)據(jù)支持.

圖8 箍縮速度演化

圖9 展示了不同發(fā)次帶泡沫柱鎢絲陣徑向X光功率的時間演化.由圖9中可以看出,X光功率呈現(xiàn)雙峰結構,而第一個X光峰主要位于主X光峰(幅度最大者)前10—16 ns范圍內,由絲陣的動力學演化過程可以判斷,主X光峰是泡沫柱箍縮到芯時刻爆發(fā)的X光輻射,那么可以判斷第一個X光峰應該是主體鎢等離子體與泡沫相互作用的時刻,此時大量鎢等離子體攜帶的動能轉化為泡沫等離子體內能,并以輻射能的形式釋放出來.所以,第一個峰值時刻對應的陰影圖像恰好反映了主體鎢等離子體與泡沫柱相互作用的形態(tài).該時刻所對應的陰影像如圖10所示,其在整個時間演化圖像(見圖5)中的圖像形態(tài)(即泡沫徑向邊界外已觀測不到等離子體)符合以上的判斷,說明結果是自洽的.

圖9 不同發(fā)次徑向X光功率

圖10 第一個X光峰值時刻的陰影圖像

5 結論

通過探針光陰影像的診斷方式獲得了Z箍縮動態(tài)黑腔的徑向分幅圖像,不同發(fā)次不同時刻的陰影圖像展示了從鎢絲膨脹消融到先驅等離子體向心運動,從先驅等離子體與泡沫柱相互作用到泡沫柱的箍縮滯止反彈膨脹等一系列動力學過程的演化圖像.

基于Z箍縮等離子體密度軸對稱分布模型,建立了徑向密度呈鐘形分布和雙峰分布的兩種密度分布形式,通過模擬計算266 nm激光與等離子體相互作用的兩種不同效應:逆軔致吸收和光線偏折,結果顯示激光透射出等離子體后的光強分布主要表征了逆軔致吸收效應的影響,說明類似實驗中可測等離子體密度梯度范圍和成像系統(tǒng)靈敏度與增大收光角關系不大.

陰影圖像時間演化說明,在長達約50 ns時間內絲等離子體以“雨”的形式持續(xù)與泡沫相互作用,在整個箍縮階段并未觀察到形成等離子體殼層結構.定量數(shù)據(jù)分析表明,泡沫柱的最大箍縮速度為6.0×106cm/s,最小箍縮速度為1.0×106cm/s,在軸上滯止的直徑約為1 mm.該數(shù)據(jù)也為動態(tài)黑腔軸向輻射測量診斷孔的選擇提供了定量的參考.

[1]Apruzese JP,Clark R W,Kepple P C,Davis J 2005 Phys.Plasmas 12 012705

[2]Sanford T W L,Lemke R W,Mock R C,Chandler G A 2004 Phys.Plasmas 9 3573

[3]Sanford T W L,Nash T J,Mock R C 2005 Phys.Plasmas 12 022701

[4]Sanford T WL,Nash T J,Mock R C 2006 Phys.Plasmas 13 012701

[5]Hutchinson I H 2002 Principle of Plasma Diagnostics(Cambridge:Cambridge University Press)p129

[6]Chang T Q 1991 Laser Plasma Interaction and Laser Fusion(Changsha:Hunan Science and Technology)p23(in Chinese)[常鐵強1991激光等離子體相互作用與激光聚變(長沙:湖南科學技術出版社)第23頁]