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黑腔關鍵區域等離子體狀態及時空演化特性實驗研究

文章來源:《強激光與粒子束》編輯部   時間:2019-11-08 訪問數:

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激光間接驅動ICF黑腔中不同等離子體區域由于其主導物理過程不同而具有完全不同的輻射性質和運動特征。這些等離子體及其代表的不同能段X光發射位置和運動特性包含了豐富的物理內涵,比如電子熱傳導能顯著影響激光燒蝕以及X光發射位置,比如腔內激光燒蝕與輻射燒蝕相互競爭決定了X光發射位置的運動。開展黑腔分解實驗研究有助于進一步理解激光注入、激光吸收、X光轉換和輻射場對稱性時空演化等物理過程。

1  充氣黑腔內部特征區域等離子體狀態

黑腔等離子體狀態是理解和研究黑腔輻射源的首要因素,美國NIC點火攻關與預期差距,一定程度上與對黑腔等離子體狀態預測不準有關。充氣黑腔內部特征區域等離子體狀態參數測量的難點在于四倍頻湯姆遜散射實驗技術,一般實驗中能夠收集到的湯姆遜散射光能量只有入射激光的10-9,屬于極弱信號測量。此外,黑腔中存在各種波段的干擾源,任何一種都能夠湮滅所需求的湯姆遜散射信號,裝置越大環境越復雜,受到的干擾因素越多,干擾強度越大。2017年度在國內某大型激光裝置上首次開展了四倍頻湯姆遜散射實驗,實驗通過對四倍頻探針光光斑品質的控制、等離子體狀態調控、診斷系統瞄準定位、波長定標等多方面改進,實現了復雜充氣黑腔等離子體狀態參數測量的重大技術突破。

黑腔關鍵區域等離子體狀態及時空演化特性實驗研究

實驗首次獲得了多環激光輻照復雜充氣黑腔(柱腔和六孔球腔)不同特征位置的四倍頻湯姆遜散射實驗光譜,典型結果如圖1所示。通過光譜擬合獲得了該區域的等離子體狀態參數,通過理論光譜與實驗光譜的比對,建立了黑腔關鍵區域等離子體狀態和動力學特性的實驗研究能力,加深了對激光靶物理過程的理解。

2  激光打擊點金泡膨脹特性

黑腔中激光打擊點離化的金等離子體會不斷向腔中心膨脹形成金泡。由于金泡等離子體狀態及其運動特性對黑腔靶丸輻照對稱性起主導作用,2017年度在國內某大型激光裝置上開展了金泡膨脹特性研究實驗。為了便于實驗結果與模擬結果對比,主要采用16束激光單環照射在柱狀直筒腔(腔直徑f2.8 mm,腔長2.08 mm)腰部,形成二維柱對稱分布等離子體。實驗關鍵診斷設備為一臺首次應用于靶室上極點位置的透射式雙頻16X光分幅相機(XFC),用于獲取高時間分辨、高空間分辨的金M帶、金NX光圖像。

2給出了不同實驗條件下XFC獲得的金N帶前沿移動隨時間演化結果。隨著時間的推移,由于腔壁等離子體逐漸向軸心方向移動,金泡前沿的半徑會逐漸減小。當提高充氣密度時,能夠有效地抑制金泡的膨脹,因此提高充氣密度能有效地降低金泡的膨脹速度。實驗同時獲得了多角度多能段輻射流數據,在相同實驗條件下獲得的主要數據重復并且自洽,實驗獲得的金泡等離子體膨脹速度比傳統常用模型模擬結果慢,與改進模型(唯象模型)吻合良好,利用本實驗數據可以進一步校驗修正唯象模型中電子能量和輻射能量之比例。

黑腔關鍵區域等離子體狀態及時空演化特性實驗研究

3  DH脈沖條件下激光注入孔堵孔特性

目前在ICF研究中激光注入孔(LEH)的尺寸是DH靶設計的難點,過大的LEH會增加輻射流漏失降低能量利用效率,過小的LEH會因為孔附近等離子體的干擾影響激光能量傳輸效率甚至改變激光能量沉積位置,最終降低能量利用效率和破壞輻照對稱性。在大能量、長脈沖激光驅動充氣腔所形成的接近DH狀態的輻射源環境中,注入孔的堵孔行為極其復雜。一方面堵孔受到LEH附近金等離子體、金泡區等離子體、腔內低Z氣體等離子體運動的共同作用和影響;另一方面堵孔涉及電子熱傳導、X光發射與吸收、輻射不透明度與輻射輸運等多種物理機制的定量描述。理論上講在沒有明顯堵孔的情況下LEH越小輻射流漏失越少,黑腔保溫效果越好,黑腔耦合效率越高,因此從DH靶黑腔設計的角度,往往采用合適的較小LEH,既沒有堵孔現象,又可能最大的提高激光腔靶能量耦合效率。開展此項研究有助于二維輻射流體力學建模和數值計算方法的檢驗,是DH靶設計驗證的重要實驗。

實驗主要采用32路激光按照8 ns整形脈沖共80 kJ能量從兩端注入充氣柱腔,為了從實驗上區分和觀察腔內不同區域等離子體狀態及其演化過程,我們在實驗中首次同時采用兩臺高時間分辨大動態范圍X光條紋相機(XSC)、兩臺高靈敏帶通分頻X光分幅相機(XFC),分別從靶室上極點、斜上16°、赤道面三個方位對LEH堵孔行為進行觀測和研究。通過改變LEH尺寸獲得了不同條件下高質量的等離子體X射線發射時空演化圖像和高精度分頻輻射流以及散射光能量等數據,上極區斜16°針孔配X光條紋相機獲得了不同條件下敞口端X光發射的時間連續空間一維分辨的X(2.0~3.3 keV)圖像,見圖3所示,圖像清晰地展示了激光彈著點移動、金泡等離子體膨脹、注入孔附近等離子體縮孔和堵孔等過程。上極點X光分幅相機獲得的不同條件下注入孔X光發射圖像清晰地展示了從激光預脈沖階段的腔壁X光發射,到主脈沖前期的注入孔附近X光發射,到主脈沖后期注入孔中心的X光發射的演化過程,主要實驗數據相互自洽,由于驅動器輸出較為穩定和靶加工質量較高,在相同條件下不同發次獲得的實驗數據一致性很好。

黑腔關鍵區域等離子體狀態及時空演化特性實驗研究

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