單端驅(qū)動(dòng)銀球腔的激光能量耦合和分配

余波 尹傳盛 孫傳奎 侯立飛 宋天明 杜華冰 關(guān)贊洋 張文海 袁錚 李朝光 董云松 蔣煒 黃天晅 蒲昱東 晏驥 陳忠靖 楊家敏 江少恩

1) (中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

2) (中國(guó)科學(xué)技術(shù)大學(xué)近代物理系,合肥 230026)

將高功率激光注入單孔球形銀黑腔,產(chǎn)生的高溫輻射源能夠驅(qū)動(dòng)超聲速?zèng)_擊波,在實(shí)驗(yàn)室模擬各種天體物理現(xiàn)象.利用神光Ⅲ原型裝置上四路3.2 kJ激光,聚焦注入Φ 800 μm、注入口Φ 650 μm的球形銀腔,可以產(chǎn)生峰值溫度為240 eV的高溫輻射源,驅(qū)動(dòng)剩余球殼在氣體區(qū)產(chǎn)生超聲速?zèng)_擊波.實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,銀腔的激光-X光轉(zhuǎn)換效率為0.68,銀反照率為0.83.散射光份額約為15%,超熱電子份額小于1%,從注入口漏失的輻射流約占總能量的30%,從厚度5.6 μm的Ag和10 μm的CH球殼漏失的輻射流約占總能量的9%,約45%的能量轉(zhuǎn)換為剩余球殼的動(dòng)能和內(nèi)能.黑腔等離子體約在950 ps開始聚心,基本不會(huì)影響1 ns脈寬激光注入.在神光Ⅲ原型裝置開展的銀球腔激光能量耦合和分配實(shí)驗(yàn),為后續(xù)超聲速?zèng)_擊波實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).

1 引 言

在超新星坍塌、天體射流等各種天體物理現(xiàn)象中,都伴隨有超聲速?zèng)_擊波[1,2],其蘊(yùn)含的許多信息,能夠反映天體現(xiàn)象演化過程和物理性質(zhì).高功率激光可以瞬間將物質(zhì)加熱至高能量密度狀態(tài),在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生超聲速?zèng)_擊波[1,3].在沖擊波產(chǎn)生過程增加初始擾動(dòng),可以研究沖擊波驅(qū)動(dòng)的密度坍塌[4]、第二沖擊波形成[5]、磁場(chǎng)增強(qiáng)效應(yīng)[6]等.利用柱形沖擊波可以研究沖擊波軌跡與狀態(tài)方程或相關(guān)輻射的關(guān)聯(lián)效應(yīng)[7-9].利用球形Taylor-Sedov沖擊波可以研究流體不穩(wěn)定性現(xiàn)象[10,11].

非穩(wěn)態(tài)球形沖擊波是超新星的典型特征,在恒星形成中起重要作用.目前激光產(chǎn)生球形沖擊波有兩種方式：一種是激光直接輻照桿或薄箔[10-12],燒蝕產(chǎn)生的熱等離子體在周圍低密度冷氣體(如氮?dú)狻㈦瘹獾?爆炸,產(chǎn)生球形沖擊波；另一種是激光注入球形黑腔形成高溫輻射場(chǎng),燒蝕并驅(qū)動(dòng)剩余球殼在低密度氣體區(qū)產(chǎn)生球形沖擊波[13].第一種方式激光需要長(zhǎng)距離地穿過低密度氣體區(qū),激光散射限制了激光功率密度.第二種方式的低密度氣體區(qū)在球形黑腔外,干凈的激光傳輸通道使得激光功率密度基本不受限,但由于黑腔的注入口(laser entrance holes,LEH)尺寸影響激光注入,需要通過折衷黑腔和LEH尺寸,平衡激光注入效率和黑腔輻射溫度.

作為激光驅(qū)動(dòng)球形沖擊波實(shí)驗(yàn)研究基礎(chǔ),本文介紹了國(guó)內(nèi)首次在神光Ⅲ原型裝置[14]開展的銀球腔激光能量耦合和分配實(shí)驗(yàn).首先介紹銀球腔實(shí)驗(yàn)的激光和靶物理設(shè)計(jì),以及診斷安排；然后介紹單注入孔銀球腔實(shí)驗(yàn)的散射光、輻射流、超熱電子、等離子體聚心過程等測(cè)量結(jié)果,分析激光能量耦合效率和分配情況；最后給出實(shí)驗(yàn)小結(jié).

2 實(shí)驗(yàn)概況

為了利于球形沖擊波產(chǎn)生,需要黑腔輻射溫度盡量高,且腔壁盡量薄,而后續(xù)實(shí)驗(yàn)的充氣需求還要黑腔自支撐性能盡量好.因此,黑腔采用相同體積下腔壁面積最小、且自支撐性能最好的球形,而腔壁材料采用密度低、硬度較好、激光-X射線轉(zhuǎn)換效率較高的銀.

實(shí)驗(yàn)利用神光Ⅲ原型裝置[14]上四路激光開展.四路激光排列為一環(huán),入射角為45°.單束激光的能量可達(dá)800 J,脈寬為1 ns.由于實(shí)驗(yàn)需要黑腔輻射溫度盡量高,所以球腔半徑和LEH尺寸需要盡量小.神光Ⅲ原型在不使用連續(xù)相位板(continuous phase plate,CPP)進(jìn)行束勻滑時(shí),可通過聚焦將激光焦斑控制在約Φ 200 μm.考慮激光瞄準(zhǔn)誤差和靶定位誤差,Φ 650 μm的激光注入孔能確保激光高效注入.

銀球腔直徑設(shè)計(jì)為800 μm,銀球殼厚度約6 μm,銀球殼外面濺射10 μm的CH作為支撐層.錐型LEH張角110°,避免激光注入過程掛邊.銀球腔采用有機(jī)芯軸電鍍方式制備[15],先通過金剛石車床加工有機(jī)芯軸,再電鍍銀制備球形腔殼,然后濺射CH支撐層,最后腐蝕溶解芯軸.與常規(guī)的Al芯軸[15]相比,有機(jī)材料熱容低,芯軸腐蝕過程發(fā)熱小,熱脹冷縮小,避免球殼的變形和龜裂；Al芯軸不易腐蝕溶解干凈,容易出現(xiàn)殘留雜質(zhì).

實(shí)驗(yàn)和診斷排布如圖1所示.使用針孔相機(jī)[16](pinhole camera,PHC)監(jiān)測(cè)激光注入,使用背向散射測(cè)量系統(tǒng)[17]測(cè)量散射激光份額,使用平響應(yīng)X射線二極管[18](flat-response X-ray detector,FXRD)測(cè)量黑腔輻射溫度,使用軟X射線能譜儀[19](soft X-ray spectrometer,SXS)測(cè)量黑腔輻射場(chǎng)能譜,使用透射光柵譜儀[20](transmission grating spectrometer,TGS)測(cè)量黑腔漏失X射線能譜,使用濾波熒光譜儀[21](filter fluorescence spectrometer,FF)測(cè)量黑腔超熱電子份額,使用X光分幅相機(jī)[22](X-ray framing camera,XFC)測(cè)量黑腔等離子體聚心過程.

圖1 實(shí)驗(yàn)和診斷排布Fig.1.Arranging for experiment and diagnosis.

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果與分析

銀球腔的激光能量耦合和分配實(shí)驗(yàn)于2018年9月和2019年1月在神光Ⅲ原型裝置[14]各打靶兩發(fā),所用激光和靶參數(shù)一致.電鍍方式制備的銀腔直徑為(800±8) μm,LEH直徑為(650±6) μm,銀殼厚度為(5.6±0.1) μm,CH厚度為(10±0.9) μm.

3.1 散射光份額

激光在注入黑腔到達(dá)腔壁的過程中,會(huì)與腔內(nèi)低密度等離子體相互作用,激發(fā)各種有害的激光等離子體不穩(wěn)定性(laser plasma instability,LPI),散射入射激光.LPI對(duì)激光的等離子條件非常敏感,散射光份額隨激光功率密度增大而增大.實(shí)驗(yàn)使用無CPP聚焦注入,由于激光束的光程長(zhǎng)、光學(xué)元件多,入射在靶點(diǎn)的激光波陣面遠(yuǎn)遠(yuǎn)偏離理想結(jié)構(gòu),焦斑光強(qiáng)的不均勻空間分布嚴(yán)重影響激光注入效率,降低黑腔輻射溫度.

實(shí)驗(yàn)使用神光III原型裝置的背向散射光診斷系統(tǒng)[17]對(duì)散射光份額進(jìn)行測(cè)量,包括全口徑背向散射和近背向散射診斷系統(tǒng).全口徑背向散射測(cè)量系統(tǒng)利用終端光學(xué)組件對(duì)靶散射激光進(jìn)行收集、色散、濾波、縮束和測(cè)量.近背向散射診斷系統(tǒng)利用安裝在靶室內(nèi)的吸收盤對(duì)診斷光學(xué)組件附近的散射光進(jìn)行收集、成像、色散和測(cè)量.

實(shí)驗(yàn)輸出的激光總能量為3.2—3.5 kJ,散射光份額測(cè)量結(jié)果如圖2所示,其中,YX201809為2018年9月兩發(fā)測(cè)量結(jié)果,YX201901為2019年1月兩發(fā)測(cè)量結(jié)果.散射光份額隨著激光能量增加而增加,平均散射份額為15%.散射光均以全口徑背反散射份額為主,近背向散射份額約占2%；均以受激布里淵散射為主,受激拉曼散射約占1%.實(shí)驗(yàn)測(cè)量的散射光份額低于原型真空柱腔實(shí)驗(yàn)[23].八束激光無CPP注入時(shí),腔內(nèi)等離子體環(huán)境更復(fù)雜,散射光總能量份額達(dá)20%—45%.使用CPP能夠減小激光焦斑中較高功率密度的能量份額,抑制LPI.

圖2 散射光份額測(cè)量結(jié)果Fig.2.Measurement results of scattering laser.

3.2 輻射溫度

未散射激光在黑腔壁沉積能量產(chǎn)生等離子體,并以電子熱傳導(dǎo)的方式向臨界面內(nèi)的等離子體傳輸.腔壁沉積的大部分能量轉(zhuǎn)換為X光,再發(fā)射至黑腔,最后經(jīng)過多次吸收和再發(fā)射,在黑腔內(nèi)形成空間均勻、能譜接近Planck譜的高溫輻射源.通過測(cè)量黑腔LEH漏失的X射線輻射流,可以推導(dǎo)給出輻射源的溫度.

X射線輻射流由FXRD和SXS測(cè)量.FXRD[18]由組合濾片、X光二極管、快響應(yīng)電纜和寬帶數(shù)字示波器組成,實(shí)驗(yàn)前在同步輻射進(jìn)行精密標(biāo)定.將黑腔作為黑體輻射,根據(jù)斯提芬-玻爾茲曼定律(斯提芬-玻爾茲曼常數(shù)σ= 1.0285×105W/(cm2·eV4)),由實(shí)驗(yàn)測(cè)量的輻射流(J)可得輻射溫度(Tr).實(shí)驗(yàn)在激光注入半球(上半球)的四個(gè)角度安裝了FXRD,測(cè)得的典型輻射溫度如圖3(a)所示.1 ns激光能量停止后,輻射溫度到達(dá)最高的240 eV.FXRD安裝角度越小,輻射溫度越高.

輻射溫度隨探測(cè)器角度的變化如圖3(b)所示,圖中的激光能量為扣除散射光之后的能量.不同角度FXRD測(cè)量的輻射溫度偏差小于5%,并隨探測(cè)器角度增大而減小,主要原因是FXRD安裝角度越小,LEH和錐面的遮擋越少,測(cè)量的輻射流越強(qiáng).

圖3 輻射溫度測(cè)量結(jié)果(a)及隨角度變化規(guī)律(b)Fig.3.Measurement results (a) and angular dependence (b)of radiation temperature.

激光在黑腔腔壁沉積能量轉(zhuǎn)換為X光,轉(zhuǎn)換過程滿足能量平衡關(guān)系[24],即

其中ηce為X射線轉(zhuǎn)換效率,Elaser為激光能量,EW為腔壁漏失能量,ELEH為L(zhǎng)EH漏失能量.根據(jù)斯提芬-玻爾茲曼定律,漏失能量由漏失面積、漏其中Aw為腔壁內(nèi)表面積,ALEH為黑腔開口面積,α為腔壁材料的X射線反照率.由此可以推導(dǎo)黑腔輻射溫度主要依賴于激光功率(PL),X射線轉(zhuǎn)換效率和黑腔漏失面積,即

當(dāng)輻射溫度、激光功率和腔尺寸已知時(shí),可擬合得到X射線轉(zhuǎn)換效率和Ag反照率,如圖4所示.使用的擬合數(shù)據(jù)包括2012年NIF[25]實(shí)驗(yàn)結(jié)果(NIF2012)和2019年原型實(shí)驗(yàn)30° FXRD測(cè)量結(jié)果(YX201901).2011年NIF實(shí)驗(yàn)(NIF2011)采失功率和激光脈寬決定,即用Al芯軸制備[25],相同條件的兩發(fā)實(shí)驗(yàn),輻射溫度差異較大；而為了對(duì)比研究注入效率,2018年原型實(shí)驗(yàn)(YX201809)的N2路激光保留了Φ 500 μm的CPP,激光注入時(shí)有掛邊,輻射溫度偏低.從圖4的擬合結(jié)果可知,單孔球形銀黑腔的激光-X射線轉(zhuǎn)換效率為0.68,銀的反照率為0.83.實(shí)驗(yàn)結(jié)果與原型無CPP注入真空黑腔約70%[23]的能量耦合效率一致.

圖4 輻射溫度擬合結(jié)果Fig.4.Fitting results of radiation temperature.

3.3 漏失輻射流

激光能量除了部分以X射線形式從LEH漏失外,還有較大部分X射線直接穿透薄腔壁漏失.因而,實(shí)驗(yàn)在赤道和下半球安裝了FXRD,測(cè)量腔壁漏失激光份額,測(cè)量結(jié)果如圖5所示.圖5同時(shí)給出了上半球23.7°和30°、赤道和下半球56°的FXRD測(cè)量的輻射流.測(cè)量結(jié)果顯示,上半球兩支FXRD測(cè)量結(jié)果一致,而赤道和下半球FXRD測(cè)量結(jié)果有較大差異.腔壁漏失輻射流強(qiáng)度約為L(zhǎng)EH漏失輻射流強(qiáng)度的百分之一.激光注入階段,赤道FXRD(E90)測(cè)量輻射流略強(qiáng)于下半球FXRD測(cè)量輻射流(D56),主要原因是從LEH噴射的等離子體在赤道FXRD視場(chǎng)內(nèi)；2 ns后,下半球FXRD測(cè)量的輻射流比赤道FXRD測(cè)量的輻射流強(qiáng),主要原因是是激光從上半球注入,球腔向下破碎,下半球FXRD能觀測(cè)到更多的熱等離子體.

對(duì)LEH和球殼漏失輻射流進(jìn)行時(shí)間積分,可得單位立體角漏失輻射流強(qiáng)度,球殼漏失約為L(zhǎng)EH漏失的1/15.再對(duì)空間積分,即得從LEH和球殼的漏失總能量.圖5的實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,約30%的能量從LEH漏失,約9%的能量從球殼漏失.

圖5 LEH和球殼漏失輻射流比較Fig.5.Loss radiation flux of LEH and shell.

3.4 X射線能譜

漏失X射線在周圍冷氣體沉積能量,預(yù)熱冷氣體.X射線越軟,越容易被氣體吸收.實(shí)驗(yàn)使用SXS和TGS對(duì)腔內(nèi)和腔壁漏失的X射線能譜進(jìn)行測(cè)量.SXS[19]采用X光濾片、掠入射X光反射鏡和X光二極管探測(cè)陣列,通過不同材料濾片的低能截止和反射鏡的高能截止將X光能譜分割為多個(gè)能區(qū)測(cè)量,由多個(gè)能區(qū)強(qiáng)度給出整個(gè)能譜,能譜測(cè)量精度由SXS的道數(shù)決定.因此,SXS既可進(jìn)行時(shí)間積分的軟X光譜絕對(duì)強(qiáng)度測(cè)量,給出輻射溫度,又可進(jìn)行時(shí)間分辨的軟X光譜絕對(duì)強(qiáng)度測(cè)量,給出軟X光能譜.

SXS從LEH測(cè)量的輻射溫度如圖3(b)所示,相同23.7°的FXRD和SXS輻射溫度測(cè)量結(jié)果一致,偏差小于2%.SXS從LEH測(cè)量的輻射流積分譜如圖6所示,以小于1 keV的M殼層和3—4 keV的L殼層發(fā)射[26]為主.

TGS[20]由光欄、透射光柵和CCD組成,安裝在靶室赤道.X射線經(jīng)過光欄狹縫入射至光柵,以零級(jí)為中心,波長(zhǎng)由小到大向兩邊色散,再由CCD記錄.透射光柵的譜分辨主要由光柵線寬決定,理論的譜分辨遠(yuǎn)高于SXS.圖6同時(shí)給出赤道TGS測(cè)量的從球殼漏失輻射流的積分譜,同樣以低能X射線為主,也包含3—4 keV的L殼層發(fā)射.

圖6 LEH和球殼漏失X射線能譜比較Fig.6.Radiation spectrum of LEH and shell.

3.5 超熱電子份額

入射激光與通道內(nèi)等離子體作用,受激拉曼散射激發(fā)的電子等離子體波通過朗道阻尼產(chǎn)生超熱電子.運(yùn)動(dòng)的超熱電子與靶作用,由于韌致輻射過程,產(chǎn)生滿足麥克斯韋分布的硬X光.高能X射線穿透能力很強(qiáng),可輕易穿透黑腔,漏失能量.

實(shí)驗(yàn)使用FF譜儀[21]測(cè)量韌致輻射產(chǎn)生的硬X光譜,間接得到超熱電子溫度和漏失能量.FF譜儀的原理類似于SXS[19],由多道前濾片、熒光片、后濾片、X射線探測(cè)器組成.硬X射線經(jīng)過前置濾片的吸收截止,入射并經(jīng)過熒光片的發(fā)射截止,將X射線分隔為窄能帶,再由精確標(biāo)定的X射線探測(cè)器記錄信號(hào)強(qiáng)度,合并絕對(duì)給出硬X射線譜強(qiáng)度,最后推導(dǎo)出超熱電子溫度和能量.

圖7是實(shí)驗(yàn)測(cè)量的超熱電子份額(超熱電子能量/激光能量),超熱電子份額低于1%,略高于NIF的超熱電子份額[25].其原因是神光Ⅲ原型實(shí)驗(yàn)采用激光聚焦注入,聚焦后的激光焦斑為Φ 200 μm,功率密度比NIF高,超熱電子份額相應(yīng)高.

圖7 超熱電子份額Fig.7.The fraction of hot electron.

3.6 等離子體聚心過程

注入激光在腔壁沉積能量,產(chǎn)生的等離子體向腔中心運(yùn)動(dòng),逐漸填充激光傳輸通道,甚至整個(gè)黑腔.激光與通道內(nèi)的低密度等離子體作用,是LPI的主要來源,會(huì)增大激光散射,不利于隨后的激光注入.為了研究銀球腔內(nèi)的等離子體聚心過程,判斷激光注入情況,實(shí)驗(yàn)在上極點(diǎn)安裝了XFC.

XFC[22]由針孔陣列、微通道板(microchannel plate,MCP)、熒光屏和電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)等組成.靶區(qū)圖像經(jīng)針孔成像至MCP輸入面的微帶,高壓選通脈沖沿微帶方向傳輸,脈沖掃過的微帶區(qū)被激活,光電子被倍增放大,并在熒光屏轉(zhuǎn)換為可見光,最后被CCD記錄.

圖8 冕區(qū)等離子體聚心圖像 (a) 550 ps；(b) 781 ps；(c) 893 ps；(d) 949 ps；(e) 1124 ps；(f) 1236 psFig.8.X-ray imaging of coronal plasma expansion：(a) 550 ps；(b) 781 ps；(c) 893 ps；(d) 949 ps；(e) 1124 ps；(f) 1236 ps.

圖8是XFC測(cè)量的腔內(nèi)等離子體典型匯聚過程,等離子體在949 ps左右開始聚心,表明實(shí)驗(yàn)使用的1 ns激光基本能夠有效注入.

4 結(jié) 論

高功率激光可以瞬間將物質(zhì)加熱至高能量密度狀態(tài),在實(shí)驗(yàn)室產(chǎn)生超聲速?zèng)_擊波,用于研究超新星坍塌、天體射流等各種天體物理現(xiàn)象.利用神光Ⅲ原型裝置上四路3.2 kJ激光,聚焦注入Φ 800 μm,LEH Φ 650 μm的球形銀腔,可以產(chǎn)生輻射溫度為240 eV的高溫輻射源,驅(qū)動(dòng)剩余球殼在氣體區(qū)產(chǎn)生超聲速?zèng)_擊波.激光能量耦合和分配實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示,銀腔激光-X光的轉(zhuǎn)換效率為0.68,銀反照率為0.83.散射光占注入激光的15%,超熱電子份額小于1%,從LEH漏失的輻射流約占總能量的30%,從厚度5.6 μm的Ag和10 μm的CH球殼漏失的輻射流約占總能量的9%,約45%的能量轉(zhuǎn)換為剩余球殼的動(dòng)能和內(nèi)能,因而有超過50%的激光能量用于驅(qū)動(dòng)產(chǎn)生超聲速?zèng)_擊波.黑腔等離子體約在950 ps開始聚心,基本不會(huì)影響脈寬1 ns激光注入.首次在神光Ⅲ原型裝置開展的球形銀腔激光能量耦合和分配實(shí)驗(yàn),為后續(xù)激光驅(qū)動(dòng)沖擊波實(shí)驗(yàn)奠定了基礎(chǔ).