激光聚變物理中電磁脈沖輻射特性研究

嚴 穎 江少恩 易有根 易 濤 丁永坤

（1. 中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2. 中南大學物理與電子學院，長沙 410012）

激光聚變物理中電磁脈沖輻射特性研究

嚴 穎1,2江少恩1易有根2易 濤1丁永坤1

（1. 中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2. 中南大學物理與電子學院，長沙 410012）

激光聚變物理過程中會產生大量的電磁脈沖輻射，該電磁脈沖頻譜寬，強度大，會對各診斷設備的正常運行以及精密測量造成不同程度的影響。為了研究該電磁脈沖的特性，為其產生機制研究和優(yōu)化防護措施提供依據(jù)，對本次實驗，在神光Ⅲ主機裝置上進行。并在靶室內外搭建天線診斷系統(tǒng)，對電磁脈沖信號進行采集。本文討論分析了靶室內小盤錐和矩形全向天線所采集的信號，并且兩款天線所測時域信號值在特征峰位置吻合得相當好，所測頻譜也最大范圍的囊括了示波器的頻域值，圖像清晰的顯示了激光與黑腔靶相互作用過程的4個電磁脈沖產生機制。

強激光；黑腔靶；電磁脈沖；神光Ⅲ主機；天線

實現(xiàn)受控熱核聚變反應將會為人們提供安全、經濟、豐富的能源[1]。而慣性約束聚變（inertial confinement fusion, ICF）是實現(xiàn)受控熱核聚變很有希望的途徑之一[2]。激光聚變是以強激光作為驅動源，通過內爆作用，壓縮氘、氚等熱核燃料到高溫高密度狀態(tài)，在慣性約束下，實現(xiàn)聚變點火獲取聚變能[3]。我國中國工程物理研究院的神光系列裝置可實現(xiàn)聚變點火。其中神光Ⅲ主機裝置于2015年9月 15日全面建成，是世界上第二大輸出能量的激光器[4]。

激光與點火靶相互作用過程中，會有熱電子從靶材料上噴射出來，此時靶帶正電，在靶面靜電場作用下，電子形成回流[7]。在這個過程中會產生大量的寬頻域（幾十MHz～5GHz），大強度的電磁輻射，這些電磁脈沖（electromagnetic pulse, EMP）對實驗中的電子器件和診斷設備將會產生不同程度的干擾與損壞，嚴重的將致使設備出現(xiàn)故障，從而無法對實驗中的物理量進行準確的測量[5-6]。本次實驗采用小盤錐和矩形全向天線對靶室內的電磁脈沖進行收集，通過這兩款電場天線的時域和頻域的分布圖像，為激光聚變實驗物理過程中電磁脈沖產生機制研究和優(yōu)化防護措施提供實驗依據(jù)。

1 實驗靶參數(shù)

本次實驗在神光Ⅲ主機裝置上進行，實驗增加了背光光源和背光靶，如圖 1、圖 2所示，背光靶框架上封有一層CH薄膜，用于提供均勻的面光源。與背光靶同一水平線上對開的診斷口，用于背光成像測量。柱腔腔軸豎直放置，黑腔中心置于靶室基準位；背光靶中心距離黑腔中心3500μm（其中背光靶指向靶室26°），背光靶朝向66#DIM（天線診斷大致方位）方向，抽出外環(huán)4路激光作為背光驅動光源。

圖1 激光靶圖側面示意圖

圖2 激光靶圖正面示意圖

2 實驗布置

我國的神光Ⅲ主機裝置可輸出 48束陣列化的三倍頻180kJ/3ns，峰值功率60TW的激光輸出，分別從南北兩個半球入射靶室，匯聚在靶上。本次實驗基于神光Ⅲ主機裝置，實驗大致布局如圖3所示。

實驗使用12.5GHz的示波器進行信號采集，用10m的電磁脈沖信號線將其連接可固定在靶室壁上的專門定制的法蘭上，與靶室內的電磁脈沖接收天線組合裝置相連，各天線收集的電磁脈沖信號獨立輸出。靶室內的天線組合裝置有個全銅罩口徑與法蘭口一致，用來保護同軸線纜，以及屏蔽靶室內電磁信號與纜線的耦合。小盤錐距離靶室壁 115cm，矩形全向天線距離靶室壁 105cm。電磁輻射在靶室內比較強，所以在天線與示波器之間加入了相應大小的衰減器，小盤錐和矩形全向天線在本發(fā)次中分別都加了40倍衰減，用以保護示波器。

圖3 神光Ⅲ主機裝置上實驗布局

本次激光打靶實驗使用充氣（0.3atm）柱腔靶，靶尺寸為φ 2.4mm×4.0mm，激光注入口（LEH）φ 1.2mm。柱腔腔軸豎直放置，黑腔中心置于靶室基準位；背光靶中心距離黑腔中心3500μm（其中背光靶指向靶室 26°）。激光光束（除背光光束）交叉點位于黑腔注入孔中心；激光能量參數(shù)見表 1，其中背光激光（共 4束），3000J/3ns/351nm/800μm CPP，方波，延遲4ns，彈著點位于背光靶中心，激光總能量為86307J。

表1 激光能量參數(shù)

3 實驗結果及分析

本實驗在神光Ⅲ主機裝置上進行了多次重復實驗，得到的多組數(shù)據(jù)結果都比較穩(wěn)定，本文選取其中一發(fā)次實驗進行具體分析。實驗使用兩組電場天線，即頻帶響應較窄的矩形全向天線和頻帶響應較寬的小盤錐天線對電磁脈沖進行收集，并在同一臺12.5GHz的示波器上輸出。

圖 4為實驗中接收到的時域電壓信號，如圖 4所示，小盤錐和矩形全向天線在10ns以內區(qū)域吻合比較好。兩種天線均在 1ns、4ns、8ns處出現(xiàn)峰值電壓，且它們都出現(xiàn)了明顯的4個峰值電壓。由圖5所示，小盤錐前3個峰值電壓分別為22V、20V、86V，第4個峰值電壓出現(xiàn)在26ns處，峰值電壓為34V。如圖 6所示，矩形全向天線前面 3個峰值電壓分別為-10V、-14V、-50V，第 4個峰值電壓出現(xiàn)在 15ns處，峰值電壓為-40V（由于電場天線的具有方向性，正負號只代表接收信號的正反面）。由于兩種天線的效率和增益各有區(qū)別，在同一發(fā)次中接受到的電壓幅值存在不同程度的差異，同時其頻域的響應范圍不同，在后一段時間吻合不佳。

圖4 時域信號對比

圖5 小盤錐天線時域信號

通過討論4個時域峰值，分別體現(xiàn)了激光與靶相互作用的4個產生電磁脈沖過程。在第一個峰值點（0～1ns）時間內，對應的是激光從黑腔兩端燒蝕封口膜，從激光注入口（LEH）注入后，與黑腔壁的高Z物質相互作用，產生X射線和電磁輻射的過程。第二個峰值點（1～4ns）時間內，對應著背光激光與背光靶相互作用產生的電磁脈沖過程，由于4束背光激光會延后其他激光4ns，匯聚在背光靶中心，所以在 4ns的時刻，剛好發(fā)出背光激光，與背光靶相互作用。第三個峰值點（4～8ns）時間內，對應的是黑腔爆炸產生反向推力壓縮氘、氚熱核燃料組成的靶丸，使其達到高溫高密度狀態(tài)。在 8ns時刻，實現(xiàn)慣性約束聚變，釋放聚變能和大量的電磁輻射。因此，在此時刻的峰值電壓達到最大值，也是電磁輻射的一個峰值時刻。第四個峰值點就有所區(qū)別，小盤錐天線出現(xiàn)在 26ns時刻，峰值電壓34V；而矩形全向天線的峰值出現(xiàn)在15ns處的-40V處。這個點對應的是補償電流產生的電磁脈沖過程。激光與靶相互作用后，會有電子從靶材料上噴射出，從而使靶帶上正電，之后就會有電子補償進來，即補償電流，補償電流會產生電磁輻射。

對于電場天線接收到的電磁脈沖時域信號，通過對其進行快速傅里葉變化（fast fourier transform，F(xiàn)FT），轉換為天線的頻域信號。如圖7所示，小盤錐在0.03GHz，0.05GHz，0.17GHz處均出現(xiàn)峰值，分別為2.28dB，2.79dB，0.87dB。如圖8所示，而矩形全向天線則在0.15GHz，0.70GHz，0.92GHz處分別出現(xiàn)0.57dB，0.21dB，0.25dB的峰值。這是由于矩形全向天線的全向性比較好，增益高，特別是對高頻頻段有很好的響應；而小盤錐天線全向性稍差，響應頻帶主要集中在低頻段。但可以看出，在他們共同響應的頻段出現(xiàn)峰值的頻率點和峰值大小都吻合得很好。由此信號總體來看，可發(fā)現(xiàn)所測量到的頻譜很低，而激光與靶相互作用過程中所產生的電磁脈沖是達幾十 MHz～5GHz的寬頻域，高強度。這說明電子在噴射的過程中被抑制住了，從而只收集到低頻部分的電磁脈沖信號。

圖6 矩形全向天線時域信號

圖7 小盤錐天線頻域分布

圖8 矩形全向天線頻域分布

4 結論

本文利用小盤錐和矩形全向兩款電場天線對強激光與柱腔靶相互作用在靶室內產生的電磁脈沖的分布進行了測量與分析。實驗測得該兩款天線的時域信號，對其時域信號做傅里葉變換得到天線的頻域信號。兩款天線在時域上吻合得很好，很完美地體現(xiàn)的電磁脈沖產生的4個機制。激光首先通過柱腔靶注入口，燒蝕封口膜，與腔壁高Z物質相互作用產生X射線和電磁輻射；此時延后4ns的背光光源照射背光靶產生電磁輻射；之后X射線加熱靶丸，將其壓縮至高溫高壓狀態(tài)使其產生內爆，黑腔解體產生大量電磁輻射；最后出現(xiàn)的補償電流也會產生電磁輻射。并且，在后兩個過程所產生的電磁輻射比較大，對靶室內的診斷設備和電器會造成很大的損害和干擾。所以，有必要對儀器設備采取相關的屏蔽措施。本次實驗只收集到了靶室內的電磁脈沖信號，靶室外的信號沒有收集成功，不能進行靶室內外的信號強度比較；所用天線搭配優(yōu)化不夠。在接下來的實驗中要對靶室外不同方位的電磁信號進行測量，并優(yōu)化天線的選擇搭配。

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Electromagnetic Pulse Radiation Characteristics Research in Laser Fusion Physics

Yan Ying1,2Jiang Shaoen1Yi Yougen2Yi Tao1Ding Yongkun1
(1. Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900;2. The Central South University, Institute of Physics and Electronic, Changsha 410012)

Laser fusion physics will produce a large number of electromagnetic pulse radiation, the electromagnetic pulse spectrum is wide and the intensity is high, it will be caused different degrees of impact on the normal operation and precision measurement of the diagnostic equipment. In order to study the characteristics of the electromagnetic pulse. To provide a basis for the mechanism of research and optimization of protective measures. This experiment, in the SG Ⅲ host device on. And the antenna diagnosis system is in the chamber inside and outside, collecting the electromagnetic pulse signal. This article analyzes the target of indoor small discone and collected signals, the rectangular antenna and two antenna measured time domain signals match quite well in characteristic peak position,the measured spectrum also contains the largest oscilloscope frequency domain values, and the image clearly shows the four processes of the interaction between the laser and the black-cavity target.

laser; black cavity target; electromagnetic pulse; SG-Ⅲ; antenna

嚴 穎（1993-），女，湖南省長沙人，碩士研究生，主要從事神光裝置電磁脈沖輻射研究工作。