神光III激光裝置直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆靶產(chǎn)生的連續(xù)譜X光源?

王雅琴胡廣月?趙斌鄭堅(jiān)3)

1)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)現(xiàn)代物理系,近地空間重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026)

2)(南京工程學(xué)院數(shù)理部,南京 211167)

3)(上海交通大學(xué),IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

神光III激光裝置直接驅(qū)動(dòng)內(nèi)爆靶產(chǎn)生的連續(xù)譜X光源?

王雅琴1)胡廣月1)?趙斌2)鄭堅(jiān)1)3)

1)(中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)現(xiàn)代物理系,近地空間重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,合肥 230026)

2)(南京工程學(xué)院數(shù)理部,南京 211167)

3)(上海交通大學(xué),IFSA協(xié)同創(chuàng)新中心,上海 200240)

(2017年3月9日收到;2017年4月5日收到修改稿)

激光驅(qū)動(dòng)的內(nèi)爆靶通過(guò)軔致輻射過(guò)程可以產(chǎn)生覆蓋1—100 keV能區(qū)的小尺寸、短脈沖和高亮度的光滑連續(xù)譜X光源,可用于高密度等離子體的點(diǎn)投影照相和吸收譜診斷等.本文對(duì)30—180 kJ輸出能量的神光III激光裝置直接驅(qū)動(dòng)氘氚冷凍靶產(chǎn)生的連續(xù)譜X光源輻射特性進(jìn)行了模擬研究,為優(yōu)化內(nèi)爆光源提供物理基礎(chǔ).采用了美國(guó)OMEGA激光裝置和美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)使用的定標(biāo)率來(lái)給出不同驅(qū)動(dòng)能量時(shí)的靶參數(shù)和激光脈沖參數(shù).研究發(fā)現(xiàn),內(nèi)爆靶丸在停滯階段瞬時(shí)的密度和溫度劇增可以產(chǎn)生尺寸約100μm、發(fā)光時(shí)間約150 ps的X光脈沖;X光輻射主要產(chǎn)生于被壓縮的氘氚冰殼層內(nèi)側(cè)、而不是中心的高溫氣體熱斑區(qū);等離子體的自吸收可以顯著降低1—3 keV的較低能區(qū)的X光發(fā)射,但對(duì)更高能區(qū)沒(méi)有影響;X光輻射主要集中在<30 keV的較低能區(qū),氘氚聚變反應(yīng)可以增強(qiáng)>30 keV的硬X光輻射、但對(duì)<30 keV的較軟的X光輻射沒(méi)有明顯貢獻(xiàn).

X光源,內(nèi)爆靶丸,軔致輻射

1 引言

寬帶光滑連續(xù)譜X光源在慣性約束核聚變[1]和高能量密度物理[2]實(shí)驗(yàn)中有重要的應(yīng)用.具有代表性的是K殼層X(jué)射線吸收譜診斷[3?11]和K邊擴(kuò)展X射線吸收精細(xì)結(jié)構(gòu)(extended X-ray absorption fi ne structure,EXAFS)診斷[12?18].這兩種診斷技術(shù)需要使用光滑連續(xù)譜的X光源作探針,通過(guò)測(cè)量X光穿越物質(zhì)后產(chǎn)生的吸收譜結(jié)構(gòu)來(lái)診斷物質(zhì)的溫度、密度參數(shù)或相變等過(guò)程.目前常用的產(chǎn)生光滑連續(xù)譜X光源的辦法是使用激光燒蝕高Z物質(zhì)[3?8](例如釤(Sm)、金(Au)、鉍(Bi)或鈾(U)),產(chǎn)生的M帶、N帶及其之間的軔致輻射譜作為光滑連續(xù)譜X光源,但即使使用原子序數(shù)很高的鈾元素(U,Z=92)作靶材料,產(chǎn)生的M帶連續(xù)譜往高能方向也只能推進(jìn)3.5 keV左右,僅能滿足原子序數(shù)Z<18的中低Z物質(zhì)的診斷需求,原子序數(shù)更高的物質(zhì)的參數(shù)診斷需要光子能量大于3.5 keV的光滑連續(xù)譜X光源.

最近,內(nèi)爆靶或稱之為“動(dòng)力學(xué)黑腔”的靶被用于產(chǎn)生0.8—25 keV能區(qū)的寬帶光滑連續(xù)譜X光源[9?11,17?19],它的基本原理是利用壓縮至聚心階段的內(nèi)爆靶中高溫高密度等離子體的軔致輻射過(guò)程來(lái)產(chǎn)生光滑連續(xù)譜X光源,內(nèi)爆過(guò)程的固有特征決定了產(chǎn)生的X光源是短脈沖(<200 ps)、小尺寸(<100μm)和高亮度的,軔致輻射的產(chǎn)生過(guò)程保證了產(chǎn)生的X光源是高度光滑的寬帶連續(xù)譜.目前內(nèi)爆光源已成功應(yīng)用于高密度物質(zhì)的K殼層吸收譜[10,11]和K邊EXAFS診斷[17,18]中,但對(duì)內(nèi)爆靶產(chǎn)生X光源的專門(mén)研究還非常稀少[9,10,16,19],其中的物理機(jī)制和物理規(guī)律還很不清楚.例如最近美國(guó)OMEGA激光裝置的實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示沒(méi)有填充氣體的內(nèi)爆球殼比填充了氪(Kr)氣體的球殼在大于10 keV能區(qū)有更高的X光發(fā)射效率[19],這與之前小于10 keV的實(shí)驗(yàn)測(cè)量結(jié)果恰好相反[16].所以我們需要研究?jī)?nèi)爆光源的特征,并以此為基礎(chǔ)來(lái)優(yōu)化內(nèi)爆光源[20].

已經(jīng)建成的神光III激光裝置[21]將是國(guó)內(nèi)未來(lái)一段時(shí)期內(nèi)進(jìn)行內(nèi)爆光源實(shí)驗(yàn)的主要裝置,因此本文針對(duì)神光III激光裝置的30—180 kJ驅(qū)動(dòng)能量,對(duì)激光直接驅(qū)動(dòng)冷凍氘氚(DT)靶產(chǎn)生的連續(xù)譜X光輻射進(jìn)行了模擬研究,激光參數(shù)覆蓋了美國(guó)OMEGA裝置[22]和國(guó)內(nèi)神光III激光裝置[21]的實(shí)驗(yàn)參數(shù)范圍.我們利用輻射流體程序計(jì)算了輻射的時(shí)空演化、殼層對(duì)X光的自吸收以及DT聚變反應(yīng)對(duì)輻射的影響,為1—100 keV能區(qū)的內(nèi)爆光源優(yōu)化提供理論參考.在高于100 keV能區(qū),皮秒拍瓦超短脈沖激光有明顯的優(yōu)勢(shì),這不在本文的研究范圍內(nèi)[23].

2 靶丸設(shè)計(jì)與光譜計(jì)算模型

這里使用冷凍DT球型靶,如圖1所示,DT冰殼層內(nèi)充DT氣體,最外面覆蓋碳?xì)?CH)燒蝕層.經(jīng)過(guò)整形的激光脈沖均勻輻照靶丸使其壓縮,并在停滯階段產(chǎn)生X光.為了簡(jiǎn)化設(shè)計(jì)過(guò)程,我們以O(shè)MEGA激光30 kJ驅(qū)動(dòng)能量的實(shí)驗(yàn)參數(shù)為基礎(chǔ),參考美國(guó)國(guó)家點(diǎn)火裝置(NIF)和OMEGA裝置的縮比方法[24],來(lái)對(duì)更高驅(qū)動(dòng)能量的靶丸尺寸和激光脈沖波形進(jìn)行設(shè)計(jì).為保證球形靶表面激光強(qiáng)度相同,對(duì)于不同的靶丸,其激光總能量E、脈沖加載時(shí)間t、激光功率P以及靶丸半徑R有以下變換尺度[24]:E～R3,t～R,P～R2.30 kJ激光能量的OMEGA裝置靶丸半徑為0.46 mm,其中包括100μm的DT冰和360μm的DT氣體,外面覆蓋1μm的CH燒蝕層[24];使用的2.5 ns的激光脈沖包含0.75 TW的基底脈沖和32 TW的峰值脈沖.由于神光III裝置可以產(chǎn)生60—180 kJ的激光能量,根據(jù)上述變換尺度,靶丸尺寸是OMEGA靶丸的1.26—1.82倍.圖1給出了30,60和180 kJ的激光波形和相應(yīng)的靶丸結(jié)構(gòu).DT氣體、DT冰和CH燒蝕層的初始密度分別為0.5,0.224和0.94 g/cm3.

圖1 (網(wǎng)刊彩色)30,60,180 kJ驅(qū)動(dòng)激光能量時(shí)的DT靶結(jié)構(gòu)(a)和激光波形(b)Fig.1.(color online)The DT target(a)and laser pulse(b)pro fi les designed for 30,60,and 180 kJ laser energy.

使用一維輻射流體程序Multi-1D計(jì)算內(nèi)爆靶的時(shí)空演化過(guò)程[25],DT和CH的狀態(tài)方程取自SESAME數(shù)據(jù)庫(kù),并使用列表不透明度數(shù)據(jù).Multi-1D程序?qū)す鈧鬏斶^(guò)程進(jìn)行了理想化處理,使得靶丸聚心時(shí)激光強(qiáng)度無(wú)限制的增高,導(dǎo)致30 kJ驅(qū)動(dòng)能量時(shí)模擬的激光吸收率(0.67)高于OMEGA激光裝置類似研究的一維模擬結(jié)果(0.4)[24],產(chǎn)生的中子產(chǎn)額(6×1014)也高于OMEGA激光裝置類似研究的中子產(chǎn)額(1.8×1014).為了使本文的模擬結(jié)果盡可能真實(shí)地評(píng)估聚變反應(yīng)的影響,需要采用一些處理方法來(lái)降低中子產(chǎn)額,這可以通過(guò)人為改變激光吸收率、改變靶丸結(jié)構(gòu)或者改變物理模型來(lái)實(shí)現(xiàn).這里通過(guò)降低激光吸收率來(lái)達(dá)到這一目的,我們將激光波形乘上統(tǒng)一的比例系數(shù),使得30 kJ時(shí)激光吸收率降至0.45,這樣中子產(chǎn)額和壓縮比與OMEGA模擬結(jié)果一致;但是因?yàn)闆_擊波調(diào)速不是理想情況,壓縮之后靶丸面密度相比OMEGA類似研究的一維模擬結(jié)果降低了30%.本文也沒(méi)有考慮復(fù)雜的非理想過(guò)程如流體不穩(wěn)定性等的影響,因?yàn)槲覀兊哪康氖亲鲆?guī)律性研究,為優(yōu)化內(nèi)爆X光源提供物理基礎(chǔ),而不是追求精確的定量化研究.

Multi 1D程序給出靶丸內(nèi)爆過(guò)程的溫度密度分布模擬結(jié)果,再利用后處理程序計(jì)算X光光譜,計(jì)算X光光譜的模型如圖2所示.靶丸被分成多個(gè)均勻殼層,靶丸每個(gè)體積元發(fā)射的X光穿出等離子體時(shí)會(huì)被部分吸收,我們沿著某一探測(cè)方向?qū)蝹€(gè)體積元輻射的X光的吸收過(guò)程進(jìn)行計(jì)算,再對(duì)所有體積元求和來(lái)得到整個(gè)靶丸的輻射能譜.

X光的輻射率εν可用以下公式描述[26,27]:

其中Ne,Te,ni,zi,h和v分別代表電子密度、電子溫度、離子密度、電離度、普朗克常數(shù)和光子頻率.等離子體自吸收主要包括自由態(tài)-自由態(tài)吸收和束縛態(tài)-自由態(tài)吸收過(guò)程,本文算例中DT和CH都基本全部電離,所以只考慮自由態(tài)-自由態(tài)吸收過(guò)程[26,27],吸收率κff為

圖2 計(jì)算輻射光譜的模型示意圖(a)靶丸被分為多層,X光沿著探測(cè)方向傳輸;(b)單個(gè)發(fā)射X光的體積元Fig.2.Schematic illustration of the model used to calculate the radiation spectrum:(a)Multi-layer uniform spherical shells and radiation transport integrated along x direction;(b)individual element on the shell that emits X-rays.

3 模擬結(jié)果與內(nèi)爆光源特征分析

3.1 內(nèi)爆靶的溫度密度分布

Multi-1D程序可以模擬激光驅(qū)動(dòng)的靶丸內(nèi)爆過(guò)程,并給出溫度密度分布.60 kJ驅(qū)動(dòng)激光能量時(shí)等離子體溫度密度分布如圖3所示,CH層和約50μm厚的DT冰被激光燒蝕形成大尺度的高溫低密度的冕區(qū)等離子體,剩余物質(zhì)約在3.4 ns時(shí)達(dá)到最大壓縮,此時(shí)大部分動(dòng)能轉(zhuǎn)換成熱能,在停滯時(shí)刻等離子體形成25μm半高全寬(FWHM)的中心熱斑,等離子體密度最大區(qū)域位于DT冰內(nèi)側(cè)半徑約50μm處,壓縮狀態(tài)維持了約150 ps后靶丸開(kāi)始稀疏膨脹.

圖3 (網(wǎng)刊彩色)60 kJ驅(qū)動(dòng)激光能量時(shí)DT靶丸的溫度(a)和密度(b)的時(shí)空演化Fig.3.(color online)The temporal histories of the density(a)and temperature(b)pro fi les of the DT ice capsule driven by a 60 kJ laser beam.

3.2 輻射的時(shí)空分布

由(1)式可知,等離子體密度或溫度的升高都可以增強(qiáng)軔致輻射.內(nèi)爆靶的中心氣體熱斑區(qū)和最外側(cè)的冕區(qū)等離子體的溫度高但密度低,而壓縮后的DT冰殼層的密度高但溫度低,這使得輻射的空間分布變得復(fù)雜.圖4給出了中心DT氣體熱斑區(qū)、壓縮后的DT冰殼層和最外側(cè)的冕區(qū)等離子體產(chǎn)生的1—100 keV能區(qū)的軔致輻射譜,這三個(gè)區(qū)域都可以產(chǎn)生X光發(fā)射且均呈指數(shù)衰減趨勢(shì).由高溫的中心DT氣體熱斑和較冷的DT冰殼層產(chǎn)生的點(diǎn)狀X光源出現(xiàn)在激光結(jié)束后的停滯階段(見(jiàn)圖5),而大尺度的冕區(qū)等離子體輻射的X光產(chǎn)生于激光作用期間,因此可以使用帶門(mén)控的探測(cè)器將二者分開(kāi).點(diǎn)狀光源的X光輻射主要產(chǎn)生于溫度低但密度高的DT冰殼層,高溫中心DT氣體熱斑的輻射只在大于45 keV的高能區(qū)占優(yōu)勢(shì).為了優(yōu)化內(nèi)爆靶X光源的輻射,應(yīng)該優(yōu)先嘗試改善壓縮殼層的等離子體參數(shù).

圖4(網(wǎng)刊彩色)30—180 kJ(a)—(c)驅(qū)動(dòng)激光能量時(shí),內(nèi)爆X光源不同殼層區(qū)域貢獻(xiàn)的輻射能譜(紅色點(diǎn)虛線表示被壓縮的DT冰層,藍(lán)色實(shí)線表示DT氣體層,粗黑色虛線和細(xì)黑色虛線分別表示全時(shí)刻積分和靶丸停滯階段積分的冕區(qū)等離子體輻射的X光能譜)Fig.4.(color online)Spectra emitted by the compressed DT ice shell(red dotted line),the DT gas core(blue line),the coronal plasma at stagnation time(thin black dashed line),and the coronal plasma integrated in the whole time(thick black dashed line)in the range 1–100 keV for laser energies of 30–180 kJ(a)–(c).

圖5 (a)中X光輻射功率的時(shí)空演化圖可以進(jìn)一步將內(nèi)爆光源的X光輻射區(qū)域精確定位于壓縮后的DT冰殼層的內(nèi)側(cè).圖5(a)—圖5(d)都是60 kJ激光驅(qū)動(dòng)下的結(jié)果,圖5(e)給出了不同能量驅(qū)動(dòng)的內(nèi)爆光源尺寸比較.由圖5(a)與圖3對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),X光輻射主要產(chǎn)生在等離子體溫度和密度最高的3.37 ns時(shí)刻左右,持續(xù)約150 ps.圖5(b)顯示X射線主要產(chǎn)生于等離子體密度高、但溫度比熱斑區(qū)稍低的壓縮殼層,最亮的X射線產(chǎn)生于DT冰殼層的內(nèi)側(cè),這使得X光輻射的空間分布表現(xiàn)為中空的輻射球結(jié)構(gòu),如圖5(c)所示.但在實(shí)驗(yàn)中觀察不到空心球結(jié)構(gòu),成像探測(cè)器記錄的X光空間分布沿著視線方向進(jìn)行了一維積分,如圖5(d)所示,因此測(cè)量到的X光源呈現(xiàn)為均勻的發(fā)光盤(pán)結(jié)構(gòu),這與大多數(shù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果一致[28].輻射球的內(nèi)外徑與驅(qū)動(dòng)能量有關(guān),如圖5(e)所示,在30 kJ,光源內(nèi)外直徑為50和90μm,而在180 kJ,它們?yōu)?00和170μm,輻射球的外徑大小決定了點(diǎn)投影成像的空間分辨率.我們發(fā)現(xiàn),如果使用理想的準(zhǔn)等熵內(nèi)爆靶,輻射區(qū)域外側(cè)的旁瓣將被抑制,只有壓縮殼內(nèi)層有很薄的X光發(fā)射峰,并且此時(shí)靶丸面密度更高、壓縮得更致密,空心輻射球會(huì)變得更小[29].

圖5 (網(wǎng)刊彩色)(a)譜積分后的X光輻射時(shí)空演化,紅線表示DT冰和DT氣體分界面,白線表示DT冰和冕區(qū)的分界面;(b)內(nèi)爆靶在3.37 ns時(shí)刻的徑向密度分布(藍(lán)色虛線)、溫度分布(黑色點(diǎn)線)和輻射分布(紅色實(shí)線);(c)3.37 ns時(shí)刻輻射功率空間分布的二維截面;(d)20μm空間分辨的探測(cè)器測(cè)量到的X光源圖像,(a)—(d)均為60 kJ驅(qū)動(dòng)激光能量;(e)30—180 kJ驅(qū)動(dòng)激光能量的內(nèi)爆光源尺寸變化Fig.5.(color online)(a)Spatial and temporal evolutions of the spectrally integrated x-radiation using a 60 kJ laser driver,inset curves are the interfaces of the corona and compressed DT ice(red line),and the DT ice and DT gas(white line);(b)radial density(blue dashed line),temperature(black dotted line),and radiation(red line)pro fi le at 3.37 ns with a 60 kJ driver;(c)2D cross sectional spatial distribution of X-ray power at 3.37 ns,again at 60 kJ;(d)X-ray spot seen by the imaging detector with 20-μm spatial resolution at 60 kJ driver;(e)size comparison of implosion sources driven by 30–180 kJ laser beams.

3.3 自吸收效應(yīng)的影響

如圖4和圖5所示,X光的輻射主要產(chǎn)生于壓縮殼層內(nèi)側(cè),X光穿越殼層等離子體時(shí)的自吸收過(guò)程可能會(huì)明顯改變輻射光譜結(jié)構(gòu).圖6給出了三種驅(qū)動(dòng)能量時(shí),自吸收效應(yīng)對(duì)內(nèi)爆光源的X光光譜的影響特征.發(fā)現(xiàn)等離子體的自吸收效應(yīng)在低于3 keV的較軟X光能區(qū)時(shí)比較明顯;激光能量越高,壓縮靶丸面密度越大,自吸收效應(yīng)越顯著,但自吸收只是減少1—3 keV能區(qū)范圍內(nèi)的軟X射線發(fā)射,對(duì)更硬的X光影響很小.如前所述,我們模擬的壓縮靶丸的面密度只有準(zhǔn)等熵壓縮時(shí)的2/3,如果采用理想的準(zhǔn)等熵內(nèi)爆,更高的壓縮靶丸面密度將使自吸收效應(yīng)更強(qiáng),影響的能區(qū)范圍可能會(huì)延伸到1—5 keV區(qū)域.

圖6 (網(wǎng)刊彩色)是否考慮自吸收效應(yīng)的輻射光譜(不包括冕區(qū)),其中實(shí)線表示考慮了自吸收效應(yīng),虛線表示不考慮自吸收效應(yīng)(a)1—100 keV能譜;(b)1—10 keV能譜Fig.6.(color online)The observed emission spectra with/without(w/o)considering the self-absorption(solid curves/dotted curves),X-rays emitted by the coronal plasma are excluded:(a)Spectrum in the range 1–100 keV;(b)spectrum in the range 1–10 keV.

3.4 DT聚變反應(yīng)的影響

DT聚變反應(yīng)可以釋放能量并加熱等離子體從而改變X光輻射.在Multi-1D模擬程序中,我們可以打開(kāi)或關(guān)閉聚變反應(yīng)過(guò)程,來(lái)比較X光輻射光譜的差異.如圖7(a)和圖7(b)所示,聚變反應(yīng)會(huì)適當(dāng)增加電子溫度并改變輻射的區(qū)域,升高的電子溫度將增強(qiáng)X光輻射,但聚變能的增加主要影響較硬X光的輻射.例如,對(duì)于180 kJ激光驅(qū)動(dòng)的光源,圖7(a)顯示DT氣體的輻射能譜在光子能量高于20 keV時(shí)有明顯的增強(qiáng),DT冰的輻射在高于10 keV時(shí)增多.由圖7(b)給出的180 kJ激光驅(qū)動(dòng)的內(nèi)爆靶輻射空間分布可以發(fā)現(xiàn),打開(kāi)聚變反應(yīng)后,能量高于30 keV的X光輻射增強(qiáng)了61%,而能量低于30 keV的X光輻射僅增強(qiáng)了11%,基本可以忽略.這是因?yàn)榫圩兎磻?yīng)速率對(duì)離子溫度非常敏感,絕大多數(shù)的聚變反應(yīng)發(fā)生在低密度、高溫度的中心熱斑區(qū),能量高于30 keV的硬X光輻射產(chǎn)生在溫度較高的中心區(qū)域(圖7(b)),所以聚變反應(yīng)釋放的能量對(duì)硬X光的輻射影響更大;但低于30 keV的軟X光輻射產(chǎn)生在密度高但溫度稍低的DT殼層區(qū)域,在這個(gè)區(qū)域聚變反應(yīng)概率很小,對(duì)X光輻射的影響基本可以忽略.

圖7(c)給出了不同驅(qū)動(dòng)能量下DT聚變反應(yīng)對(duì)輻射能譜的影響,可以看出激光能量越高,聚變反應(yīng)對(duì)輻射的影響越大.但聚變反應(yīng)釋放的能量相對(duì)于激光驅(qū)動(dòng)能量的比重一直很小,所以對(duì)X光輻射的貢獻(xiàn)很小.模擬結(jié)果表明,30,60和180 kJ的激光驅(qū)動(dòng)時(shí),聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量(相對(duì)于驅(qū)動(dòng)激光能量的比例)為0.5 kJ(1.67%),1.3 kJ(2.17%)和6.2 kJ(3.44%).聚變反應(yīng)產(chǎn)生的能量大部分是中子的能量,僅有20%能量是α粒子攜帶,其中更少一部分被等離子體俘獲.所以,聚變反應(yīng)導(dǎo)致的等離子體能量增加非常微弱,驅(qū)動(dòng)能量為30,60,180 kJ時(shí),等離子體能量增加分別只為0.42%,0.54%和0.85%.由于光源的輻射能主要來(lái)自低于30 keV的軟X光,并且聚變反應(yīng)產(chǎn)物在等離子體中的能量沉積非常微弱,所以聚變反應(yīng)對(duì)X光的總輻射能量沒(méi)有明顯提升.表1顯示,打開(kāi)聚變反應(yīng)僅能使激光到X光轉(zhuǎn)換效率提升3.8%—7.7%.如果只關(guān)注總的輻射能或者低于30 keV的X光輻射,則可以忽略DT聚變反應(yīng)對(duì)光源的影響.對(duì)激光能量高于180 kJ的準(zhǔn)等熵內(nèi)爆光源,聚變反應(yīng)可能會(huì)成為重要的影響因素.

表1 是否打開(kāi)聚變反應(yīng)時(shí)譜積分后的內(nèi)爆光源輻射能量和轉(zhuǎn)換效率(不包括冕區(qū))Table 1.Spectrally integrated emission energies and energy conversion efficiencies with the fusion reaction switching on or o ff.The X-rays emitted by the coronal plasma are excluded.

圖7 (網(wǎng)刊彩色)(a)打開(kāi)(實(shí)線)或關(guān)閉(虛線)DT聚變反應(yīng)時(shí),180 kJ激光驅(qū)動(dòng)的內(nèi)爆靶DT冰(紅色曲線)和DT氣體(藍(lán)色曲線)產(chǎn)生的輻射能譜對(duì)比;(b)打開(kāi)(實(shí)線)或關(guān)閉(虛線)DT聚變反應(yīng)時(shí),180 kJ激光驅(qū)動(dòng)的內(nèi)爆靶在輻射峰值時(shí)刻的徑向密度分布(藍(lán)色曲線)、溫度分布(黑色曲線)和輻射功率分布(紅色曲線);(c)打開(kāi)(實(shí)線)或關(guān)閉(虛線)DT聚變反應(yīng)時(shí),不同驅(qū)動(dòng)激光能量時(shí)的內(nèi)爆X光譜對(duì)比(不包括冕區(qū))Fig.7.(color online)(a)The emission spectra contributed by the DT ice layer(red curves)and the DT gas core(bule curves)when switching on(solid curves)or switching o ff(dotted curves)the DT fusion reaction,the laser energy is 180 kJ;(b)spatial pro fi les of the density(blue curves),temperature(black curves),and radiation power(red curves)from the compressed capsule at the peak emission when switching on(solid curves)or switching o ff(dotted curves)the DT fusion reaction,the laser energy is still 180 kJ;(c)X-ray spectra at di ff erent laser energies,with(solid curves)or without(dotted curves)the fusion reaction,the X-rays from the coronal plasma are excluded.

4 結(jié)論

本文對(duì)30—180 kJ能量的神光III激光裝置驅(qū)動(dòng)DT冷凍靶產(chǎn)生的內(nèi)爆連續(xù)譜X光源進(jìn)行了模擬研究,發(fā)現(xiàn)內(nèi)爆X光輻射主要產(chǎn)生于停滯階段的高密度壓縮殼層內(nèi)側(cè),對(duì)內(nèi)爆光源進(jìn)行優(yōu)化應(yīng)重點(diǎn)改善殼層內(nèi)側(cè)等離子體參數(shù);等離子體的自吸收效應(yīng)會(huì)顯著減小低于3 keV的較軟X光輻射,但對(duì)更高能區(qū)的X光輻射影響很小;內(nèi)爆光源的輻射主要集中在<30 keV的較軟X光能區(qū);聚變反應(yīng)對(duì)X光輻射的貢獻(xiàn)很小,可以使用塑料或玻璃靶丸替換冷凍DT靶丸來(lái)降低制靶和實(shí)驗(yàn)難度.

[1]Lindl J D,Amendt P,Berger R L,Glendinning S G,Glenzer S H,Hann S W,Kau ff man R L,Landen O L,Suter L J 2004 Phys.Plasmas 11 339

[2]Drake R P 2006 High-Energy-Density Physics:Fundamental,Inertial Fusion and Experimental Astrophysics(New York:Springer Science&Business Media)pp237–266

[3]Zhang J Y,Yang J M,Xu Y,Yang G H,Yan J,Meng G W,Ding Y N,Wang Y 2008 Acta Phys.Sin.57 985(in Chinese)[張繼彥,楊家敏,許琰,楊國(guó)洪,顏君,孟廣為,丁耀南,汪艷2008物理學(xué)報(bào)57 985]

[4]Zhang J Y,Xu Y,Yang J M,Yang G H,Li H,Yuan Z,Zhao Y,Xiong G,Bao L H,Huang C W,Wu Z Q,Yan J,Ding Y K,Zhang B H,Zheng Z J 2001 Phys.Plasmas 18 113301

[5]Zhang J Y,Li H,Zhao Y,Xiong G,Yuan Z,Zhang H Y,Yang G H,Yang J M,Liu S Y,Jiang S E,Ding Y K,Zhang B H,Zheng Z J,Xu Y,Meng X J,Yan J 2012 Phys.Plasmas 19 113302

[6]Zhang X D,Zhang J Y,Zhao Y,Xiong G,Zhao B,Yang G H,Zheng J,Yang J M 2012 Phys.Plasmas 19 123301

[7]Sawada H,Regan S P,Radha P B,Epstein R,Li D,Goncharov V N,Hu S X,Meyerhofer D D,Delettrez J A,Jaanimagi P A,Smalyuk V A,Boehly T R,SangsterT C,Yaakobi B,Mancini R C 2009 Phys.Plasmas 16 052702

[8]Bailey J E,Rochau G A,Mancini R C,Iglesias C A,MacFarlane J J,Golovkin I E,Blancard C,Cosse P,Faussurier G 2009 Phys.Plasmas 16 058101

[9]Bailey J E,Rochau G A,Iglesias C A,Abdallah Jr J,MacFarlane J J,Golovkin I,Wang P,Mancini R C,Lake P W,Moore T C,Bump M,Garcia O,Mazevet S 2007 Phys.Rev.Lett.99 265002

[10]Bailey J E,Rochau G A,Mancini R C,Iglesias C A,MacFarlane J J,Golovkin I E,Pain J C,Gilleron F,Blancard C,Cosse P,Faussurier G,Chandler G A,Nash T J,Nielsen D S,Lake P W 2008 Rev.Sci.Instrum.79 113104

[11]Hansen J F,Glendinning S G,Heeter R F,Brockington S J E 2008 Rev.Sci.Instrum.79 013504

[12]Remington B A,Allen P,Bringa E M,Hawreliak J,Ho D,Lorenz K T,Lorenzana H,McNaney J M,Meyers M A,Pollaine S W,Rosolankova K,Sadik B,Schneider M S,Swift D,Wark J,Yaakobi B 2006 Mater.Sci.Technol.22 474

[13]Moses E I,Boyd R N,Remington B A,Keane C J,Al-Ayat R 2009 Phys.Plasmas 16 041006

[14]Eason R W,Bradley D K,Kilkenny J D,Greaves G N 1984 J.Phys.C 17 5067

[15]Shiwai B A,Djaoui A,Hall T A,Tallents G J,Rose S J 1992 Laser Part.Beams 10 41

[16]Yaakobi B,Marshall F J,Boehly T R,Town P R J,Meyerhofer D D 2003 J.Opt.Soc.Am.B 20 238

[17]Yaakobi B,Meyerhofer D D,Boehly T R,Rehr J J,Remington B A,Allen P G,Pollaine S M,Albers R C 2004 Phys.Rev.Lett.92 095504

[18]Yaakobi B,Boehly T R,Meyerhofer D D,Collins T J B,Remington B A,Allen P G,Pollaine S M,Lorenzana H E,Eggert J H 2005 Phys.Rev.Lett.95 075501

[19]Maddox B R,Park H S,Remington B A,Chen C,Chen S,Prisbrey S T,Comley A,Back C A,Szabo C,Seely J F,Feldman U,Hudson L T,Seltzer S,Haugh M J,Ali Z 2011 Phys.Plasmas 18 056709

[20]Hammer D 2008 JASON Report on DTRA National Ignition Facility(NIF)JSR-08-800

[21]Zheng W G,Wei X F,Zhu Q H,Jing F,Hu D X,Su J Q,Zheng K X,Yuan X D,Zhou H,Dai W J,Zhou W,Wang F,Xu D P,Xie X D,Feng B,Peng Z T,Guo L F,Chen Y B,Zhang X J,Liu L Q,Lin D H,Dang Z,Xiang Y,Deng X W 2016 High Power Laser Science and Engineering 4 20

[22]Boehly T R,Brown D L,Craxton R S,Keck R L,Knauer J P,Kelly J H,Kessler T J,Kumpan S A,Loucks S J,Letzring S A,Marshall F J,McCrory R L,Morse S F B,Seka W,Soures J M,Verdon C P 1997 Opt.Commun.133 495

[23]Tommasini R,Hatchett S P,Hey D S,Iglesias C,Izumi N,Koch J A,Landen O L,MacKinnon A J,Sorce C,Delettrez J A,Glebov V Y,Sangster T C,Stoeckl C 2011 Phys.Plasmas 18 056309

[24]Stoeckl C,Chiritescu C,Delettrez J A,Epstein R,Glebov V Y,Harding D R,Keck R L,Loucks S J,Lund L D,McCrory R L,McKenty P M,Marshall F J,Meyerhofer D D,Morse S F B,Regan S P,Radha P B,Roberts S,Sangster T C,Seka W,Skupsky S,Smalyuk V A,Sorce C,Soures J M,Town R P J,Frenje J A,Li C K,Petrasso R D,Séguin F H,Fletcher K,Paladino S,Freeman C,Izumi N,Lerche R,Phillips T W 2002 Phys.Plasmas 9 2195

[25]Ramis R,Schmalz R,Meyer-ter-Vehn J 1988 Comput.Phys.Commun.49 475

[26]Chung H K,Chen M H,Morgan W L,Ralchenko Y,Lee R W 2005 High Energy Density Physics 1 3

[27]Chung H K,Morgan W L,Lee R W 2003 J.Quantit.Spectrosc.Radia.Transfer 81 107

[28]Marshall F J,Craxton R S,Delettrez J A,Edgell D H,Elasky L M,Epstein R,Glebov V Y,Goncharov V N,Harding D R,Janezic R,Keck R L,Kilkenny J D,Knauer J P,Loucks S J,Lund L D,McCrory R L,McKenty P W,Meyerhofer D D,Radha P B,Regan S P,Sangster T C,Seka W,Smalyuk V A,Soures J M,Stoeckl C,Skupsky S 2005 Phys.Plasmas 12 056302

[29]Atzeni S,Meyer-ter-Vehn J 2004 The Physics of Inertial Fusion(Oxford:Oxford University Press)pp47–72

PACS:52.57.–z,52.50.Jm,52.65.–y,52.25.OsDOI:10.7498/aps.66.115202

Spectrally smooth X-ray source produced by laser direct driven DT implosion target on SG-III laser facility?

Wang Ya-Qin1)Hu Guang-Yue1)?Zhao Bin2)Zheng Jian1)3)
1)(Key Laboratory of Geospace Environment of Chinese Academy of Sciences,Department of Modern Physics,University of Science and Technology of China,Hefei 230026,China)
2)(Department of Mathematics and Physics,Nanjing Institute of Technology,Nanjing 211167,China)
3)(IFSA Collaborative Innovation Center,Shanghai Jiao Tong University,Shanghai 200240,China)

9 March 2017;revised manuscript

5 April 2017)

Spectrally smooth X-ray sources can be used in point projection radiography and absorption spectrometry diagnostics of dense plasmas.But conventionally they are end at about 3.5 keV,which can only be used to diagnose materials up to Z=18.Spectrally smooth X-ray sources above 3.5 keV are needed to study higher-Z materials.Bremsstrahlung radiation from a laser driven implosion target can produce a small size,short duration and spectrally smooth X-ray source in the range of 1–100 keV.They have been successfully applied in the investigations of middle-Z materials in the 3–7 keV X-ray range.Despite much interest for backlit X-ray studies of middle-and high-Z dense materials,research on implosion X-ray sources are scarce.Characterization of the implosion X-ray source is needed to understand and improve its performance.

To provide a physical basis for optimization,the properties of the deuterium-tritium(DT)implosion target X-ray source driven by 30–180 kJ laser pulses were explored using a radiation hydrodynamics code.

We focus on laser pulse energies of 30–180 kJ at 351 nm wavelength to match the range of the OMEGA laser on the low end and the SG-III laser on the high end.The laser pulse parameters are scaled with the target size in identical fashion to that of the OMEGA laser and the ignition designs of the National Ignition Facility to maintain the same irradiance on the surface of the capsule.

The temporal and spatial evolution of the implosion targets was calculated using Multi-1D,a one-dimensional radiation hydrodynamics code.The emergent X-ray spectrum is calculated by post-processing from the time histories of the temperature and density pro fi les output by the Multi-1D code.We adjusted the laser absorption fraction to ensure neutron yield in accordance with OMEGA’s 1D simulation results.

It shows that the rapid increase of density and temperature at stagnation time develops a 150 ps point X-ray fl ash with approximately 100μm size.The dominant X-ray emission comes from the inner layer of the dense compressed shell,which should be the focus of future e ff orts to improve the X-ray emission.Softer X-rays below 30 keV carry most of the energy due to the exponentially decaying spectral pro fi le of implosion X-ray source.Opacity of the dense compressed shell plasma can markedly reduce the very softer X-ray emission of 1–3 keV.DT fusion reactions can enhance the share of harder X-rays above 30 keV greatly,while show negligible e ff ect on the brightness of the implosion X-ray source.Thus higher-Z plastic target or glass target may be a better choice in generating the implosion X-ray source.

X-ray source,implosion target,bremsstrahlung radiation

10.7498/aps.66.115202

?國(guó)家自然科學(xué)基金(批準(zhǔn)號(hào):11105147,11375197,11175179,11275202)、中國(guó)科學(xué)院戰(zhàn)略先導(dǎo)專項(xiàng)項(xiàng)目(批準(zhǔn)號(hào):XDB16)、強(qiáng)場(chǎng)

激光物理國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室開(kāi)放基金和科學(xué)挑戰(zhàn)計(jì)劃(批準(zhǔn)號(hào):JCKY2016212A505)資助的課題.

?通信作者.E-mail:gyhu@ustc.edu.cn

?2017中國(guó)物理學(xué)會(huì)Chinese Physical Society

http://wulixb.iphy.ac.cn

*Project supported by the National Natural Science Foundation of China(Grant Nos.11105147,11375197,11175179,11275202),the Strategic Priority Research Program of the Chinese Academy of Sciences(Grant No.XDB16),the Open Fund of the State Key Laboratory of High Field Laser Physics(SIOM),and the Science Challenge Project,China(Grant No.JCKY2016212A505).

?Corresponding author.E-mail:gyhu@ustc.edu.cn