第 15卷
第 11期 强 激 光 与 粒 子 束 Vol.15,No.1
1 2003年 11月
HIGH POWER LASER AND PAR TICL E B EAMS Nov.,2003
文章编号 : 100124322(2003 1121073206 激光 2惯性约束聚变综合诊断系统 Ξ
郑志坚 ,
丁永坤 ,
丁耀南 ,
刘忠礼 ,
刘慎业 ,
孙可煦 ,
成金秀 , 江少恩 ,
祁兰英 ,
张保汉 ,
杨存榜 ,
杨家敏 ,
苏春晓 ,
陈家斌 , 李文洪 ,
易荣清 ,
唐道源 ,
黄天 ,
曹磊峰 ,
温树槐 ,
彭翰生 ,
蒋小华 ,
缪文勇
(中国工程物理研究院 激光聚变研究中心 , 四川 绵阳 621900
摘
要 :
概述了为在强激光装置 “ 神光 2II ”、“ 星光 2II ” 上开展惯性约束聚变实验而建立的综合诊断系统 的构成与指标 。 重点介绍了近期在 X 光、光学波段、聚变产物、诊断精密化等方面的进步 , 以及该诊断系统在 黑腔靶物理、内爆动力学、不透明度研究中的应用 。
关键词 :
惯性约束聚变 ;
等离子体诊断技术 ;
高时空分辨
中图分类号 : TL817
文献标识码 : A
目前激光 2惯性约束聚变 (ICF 在理论、实验、激光器件、诊断及制靶方面 “五位一体” 地同步发展 。激光 2
ICF 研究采取两大途径 — — — “ 直接” 驱动和 “ 间接” 驱动 。 无论是 “ 直接” 驱动 , 还是 “ 间接” 驱动 , 为了摸清其每一 个物理过程的规律 , 都必须开展综合及分解实验 , 而完成这些实验的前提是要有好的诊断设备及巧妙的诊断技 术 。近几年 , 人们越来越感到了 “ 精密物理” 的重要 , 期望通过诊断、制靶和激光装置的同步精密达到实验物理 数据、信息可靠的目的 。 激光驱动的 ICF 诊断技术必须突破传统模式 , 基于不断认识的新原理 , 建立和摸索满 足 “ 不具类比” 的等离子体特性要求的诊断设备和诊断技术 [1]。 激光 2惯性约束聚变诊断技术还具有单次脉冲、混合场、被测物理量程量宽、时空分辨高 (ps , μm 等特点 , 这近乎是对以光电技术为基础的诊断手段极限能力 的一种挑战 。 ICF 综合诊断途径有 “ 被动式” 与 “ 主动式” 两大类 。 “被动式” 是对等离子体自身辐射的 X 光、电 子、离子、中子等进行直接诊断 ; “ 主动式” 则是向被诊断的等离子体内注入一诊断束 (如光学束、X 射线束、X 光 激光束、粒子束等 , 再对该诊断束携带出的等离子体内信息进行分析 。 本文就激光 2惯性约束聚变综合诊断系 统的结构、指标以及设备的近期发展和特色进行介绍 。
1综合诊断系统的结构
为满足 “ 星光 2II ”、“ 神光 2II ” 强激光装置开展物理实验的要求 , 我们以 “被动式” 诊断为主建立 “ ICF 综合诊 断系统” 的同时 , 也起步了 “ 主动式” 诊断技术的探索 。 “ ICF 综合诊断系统” 主要由触发分系统 , 靶室主诊断设 备分系统 , 探针光分系统和实验数据采集、管理分系统四大部分组成 。 Fig.1 Probe beam system at XG 2Ⅱ 图
1星光 2Ⅱ 探针光系统
触发分系统 :由主激光分光的子束触发同步机 , 以 50~100ps 的同步精度起动超快速相机、瞬态仪、快速 示波器及所有的单次动作设备和仪器 。
靶室主诊断设备 :此系统由位于靶室内外 20余种 100多个探头及设备构成 , 用于直接测量实验靶子上 的各种辐射 。 此外 , 还包括激光打靶透镜背反射光的 测量装置 。
探针光系统 :以 “星光 2II ” 为例 , 如图 1所示 , 该装
置配有子光束 (1.054μm , 20J /ns、Thomson 探针光束
(0.53μm ,5J /ns、以及紫外全息干涉光束 (0.308μm , 0.3mJ /30ps 。
实验数据采集和管理系统 :以微机局域网为基础 Ξ收稿日期 :2003205207;
修订日期 :2003208210 基金项目 :国家 863计划项目资助课题
作者简介 :郑志坚 (19412 , 男 , 研究员 , 从事激光 ICF 诊断、实验研究 ; 绵阳市 9192981信箱 ; E 2mail :zjzheng @lfcenter.ac.cn 。
的 “ 二级两网段” 系统负责实验数据的采集、处理和管理 , 其中含数据库和数据分析处理平台 。
2诊断系统的规模、能力与设备指标
用于 “ 星光 2II ”、
“ 神光 2II ” 强激光装置实验的综合诊断系统可对 0.1~300keV 的 X 光连续谱、1~5keV 的 线谱及其时空分辨 ; 光学波段 λ=0.2~2μm 的光谱及其时空特性 ; 聚变产物的中子产额、飞行时间谱及 α粒子 的空间分布 ; 等离子体飞散的离子和电子等进行系统诊断 。 在一发次打靶中可同时获 100余条信号线和 10余 幅清晰的瞬态图像 , 为激光 2核聚变中的激光吸收、X 光转换、聚心内爆、D T 聚变等过程的实验研究提供有一定 精度的数据 。
2.1 X 光诊断
时间分辨 :10ps; 空间分辨 :10μm ; 连续谱分辨 :5%~10%; 线谱分辨 :0.1%~1%。
2.
2光学波段 (红外 2紫外 诊断
时间分辨 :2ps; 空间分辨 :2μm ; 光谱分辨 :0.05nm 。 2.
3聚变产物
中子产额 :104~108, α粒子的空间分辨 :10μm ;14MeV 中子能谱分辨率 1.6%(中子产额 Y n 约为 109时 。
诊断设备以自行研制和国内联合研制为主 , 从实验考虑 , 因 X 光可携带等离子体的瞬态信息 , 目前 , 我们 的诊断设备又多以 X 光为主要诊断对象 。 表 1为近期 ICF 综合诊断系统发展状况 。
表
1近期 ICF 综合诊断系统发展状况
T able 1 Current development of ICF integrated diagnostic system parameter component specification 1.energy balance E l =E s +E p E p =E i +E X +E e calorimeter of plasma 100mV/mJ , pyroelectric calorimeter of light 100mV/mJ , pyroelectric scattered light PIN high sensitivity flat 2response XRD 0.1~1.5keV , ΔI/I ≈ 20% 2.X 2ray spectra SXS continued filter XRD array 10ch , ΔE /E =10%, Δt =150ps transmiion grating 0.1~4keV , Δλ/λ=3%
HXS continued ( filter 2fluoresce spectrometer 10ch , ΔE/E =10% 1~4keV line crystal spectrometer Δλ/λ~1000 flat field grating flat field grating +MCP 2gated λ:1~30nm , Δλ=0.03nm , Δt =60ps
imaging static X 2ray pin 2hole camera Δr =10μm
Wolter microscope 510-4Sr , Δr =7μm time 2resolving MCP 2gated Δr =10μm , Δt =100ps temporal 2behavior X streaked camera Δt =15ps , 101p/mm X framing camera Δt =60ps , 16 3.nuclear products neutron total neutron yield BF 33( plastic scintillator 5 637 neutron time of flight fast scintillator +MCP tube ΔE/E =1.5%(14MeV
αparticle space distribution α2fresnel Code plate +CR 239Δr =10μm , Δt =2ps , λ:0.3~1nm
4.optics
I s (λ , I SRS (λ , I S BS (λ optical multi 2analyzer λ:0.3~1μm , Δλ=0.02nm
I (t optical streaked camera Δt =2ps , λ:0.3~1μm 3
诊断系统的近期发展和特色
我国 ICF 实验研究紧随激光装置的建立而不断扩大和深入 , 与其匹配的诊断设备和诊断技术也随之不断 完善和发展 。 下面详细介绍诊断设备和诊断技术的近期发展及在激光 2等离子体相互作用、黑腔靶物理、内爆 动力学、Opacity 等实验中的应用 。
3.
1能量平衡测试系统 4701强 激 光 与 粒 子 束 第 15卷
能量平衡实验是校核激光参数和物理诊断的第一步 。 能量平衡 , 是指入射激光能量 E l 应等于等离子体能 量 E p 加散射光能量 E s 。 即 :E l =E p +E s 。 对三倍频激光打靶 , 因吸收率高 (>95%, I l ≈ 1×1014W/cm 2 , 散射 光弱而不易测量 。 为此 , 我们研制了灵敏度高 (100mV/mJ、体积小 , 一支探头可同时获等离子体能量和散射 光能量且差动能力强的差分热释电探测器 。 其灵敏度较传统热电偶卡计 (mV/mJ 有极大提高 。
同时 , 在激光 2惯性约束聚变实验研究中 , 注入激光的吸收、散射是进一步探索的基础和前提 。对此 , 我们 进行全面诊断的规模达 :于同一打靶发次中可获得 40个空间方位 (θ, ψ 的等离子体和散射光能量角分布、10个方位的散射光时间行为、8个方位 (θ, ψ 的散射光光谱 。 图 2示出了等离子体和散射光能量角分布 ; 图 3是 Nd 2玻璃激光装置的基频光 (1ω0、二倍频光 (2ω0、三倍频光 (3ω0 辐照 Au 盘靶的吸收系数 ηa 与靶面功率密 度 I l 的关系曲线 [2]。
由散射光角分布数据 , 我们获得了 “ 以镜反为主 , 等离子体临界面有倾斜 (约 10° ” 的有意义结论
。
Fig.2 Angular distribution of plasma energy and scattered light energy 图 2
等离子体和散射光能量角分布
Fig.3 Au absorption coefficient as function of intensity on target surface 图 3 Au 盘靶的吸收系数与靶面功率密度关系曲线
Fig.4 Schematic configuration f soft X 2ray spectrometer 图
4软 X 光谱仪示意图
3.
2十通道滤片 2X 光二极管谱仪
限于目前 ns 级强激光装置的功率范围 , 决定了 0.1~1.5keV 能段为我们 X 光的主要诊断区 。十通 道滤片 2X 光二极管 (XRD 谱仪是该能区的主要诊断 设备之一 。 为满足目前的实验要求 , 提高测试精确度 , 我们对谱仪作了如下改进 。 (1 在 0.1~0.7keV 能道 间皆加 X 光平面镜以截止硬 X 光 , 改善能谱响应 (图 4 。 (2 研制软 X 光 Ro 滤片 , 将硬 X 光的测量技术 移植至软 X 光波段 。 具体办法是 :先选取适当厚度且 原子序数相邻的元素 (如 Cu ,Zn 作滤片 , 再通过差分
法选出带通 △ λ.λ≈ 10%的窄带谱 。 (3 编制专门的解谱程序 。尽管采取了多种措施改善各道的能谱响应 , 但响应函数仍然复杂 , 必须用反卷积解谱 。 对此 , 我们专门编制了 “独立于初始谱假设” 的解谱程序 。 (4 增加 时标光信号与入射激光波形的关联 , 提高时间过程的信息量 。 (5 对谱仪使用的 XRD 的能量响应 , 实验前逐一 在北京同步辐射装置进行绝对标定 。
我们利用滤片 2XRD 阵列谱仪获得的重要物理量 — — — 黑腔靶 X 光能谱及时间分辨的 X 光谱见图 5。由 此 , 我们掌握了辐射温度 T r 与靶尺寸和激光参数变化的重要规律 。
3.3 0.1~1.5ke V 能区高谱分 的诊断新手段
如上所述 ,0.1~1.5keV 是我们感兴趣 X 光的主要能段 。 为确保其诊断的准确与精度 , 我们将 X 光透射 光栅 (XTG 配 X 光 CCD 组成了另一种新型的软 X 光谱仪 , 成功地实现了与滤片 2X 光二极管 (XRD 阵列谱仪 独立的另一种测量能谱的设想 , 实验获得了两种手段测量值在误差范围内一致的结果 。 与此同时 , 通过我们的 努力 , 使 XTG 谱仪实现了定量测量 。 图 6(a 为透射光栅谱仪测量的 X 光谱 , 图 6(b 为软 X 光能谱仪测量的 时间辐射温度曲线 。 我们的进步点在 :(1 将 XTG 的衍射效率 (含高级衍射 在北京同步辐射装置进行校正 , 用梯形模型代替通用的矩形模型 , 由此获得了较精确的能量响应曲线 ; (2 以线性大动态的 X 光 CCD 替代传 统的 X 光底片记录 , 并对 X 光 CCD 进行了能量响应标定 ; (3 建立新的解谱程序以减少高级衍射贡献 , 且将短
(a X 2ray spectrum of hohlraum target
(b X 2ray spectrum with time resolution Fig.5 X 2ray spectrum of hohlraum target and with time resolution 图
5黑腔靶 X 光能谱及时间分辨的 X 光谱
波长截至不依赖 “ 人为” 因素 ; (4 用两块 XTG 组成的正交光栅谱仪排除了高次谐波的影响 [3] 。
Fig.6(a High resolution X 2ray spectrum with XTG 图 6(a
高分辨率 X 光能谱
Fig.6(b Hohlraum target radiation temperature as function of time 图 6(b
黑腔靶辐射温度随时间变化曲线 3.4
掠入射平场光栅谱仪
当 X 光光子能量为 30~300eV 时 , 掠入射平场光栅谱仪是此能区测量的优选手段 。 以往的反射式光栅栅
线为等间距 , 现在发展为不等间距 , 使谱聚焦于一平面后易于与记录系统耦合 , 解决了 1.5°掠入射、物距相距 的精确调整问题 。 与西光所联合研制了宽带 (12mm、单门控 100ps 记录系统 , 在等离子体不透明度 (Opacity 实验研究中 , 获得了清晰的吸收线 。 3.
5高时空分辨的三色 X 谱仪 Fig.7 M ,N ,O band radiation with space 2time resolution for Au disk target 图 7
金盘靶 M ,N ,O 带 X 光发射的时空分辨过程
在原阴极长狭缝 (2cm 条纹相机的基础上将其狭 缝分成三个区间 , 再用三块 XTG 作色散元件 , 并使色 散方向与阴极狭缝垂直 ; 取适当排布 , 使其在阴极狭缝 上对应不同的能区 [4]。我们开发的此谱仪可在一发
次打靶中同时获三能区高时间 (10ps、空间 (50 μm 分 辨数据 , 从而大大丰富了等离子体的实验信息 (图 7 。 3.6
大收光立体角 X 光时空分辨系统
此系统的收光立体角为 5×10-4Sr , 比通用的 X 光针孔相机大 2~3个量级 ; 空间分辨可达 7μm 。 由于 掠入射成像 (1.5° 难度大 , 目前 , 国外只有英、美联合
研制成功 , 且已用于 ICF 实验 。 该系统的 Wolter 显微镜镜头由我们与长春光学精密机械研究所合作研制 (双 曲、椭球面型组合 , 表面粗糙度 2nm 。 我们解决了物理的总体设计 ; 建立了通过激光打靶方式对系统指标进行
诊断的方法 , 尤其是对空间分辨
按传统观念针孔相机的空间分辨主要决定于针孔直径 D 。我们应用像还原技术编制的专门程序使空间 分辨提高至 D /3[5], 用三台 X 光针孔相机从 x , y , z 三个方位监测靶丸内爆的压缩 。 3.8 X 光分幅相机
X 光分幅相机源于微通道板 (MCP 加门控原理 。即 :在 MCP 上镀金 (Au 的微波带 ,Au 同时起光阴极作 用 。 当 1.5kV 超短高压脉冲通过微波带时 , 将控制 MCP 增益 。我们与西安光机所共同研制的 16分幅相机 (如图 8所示 系二维空间成像 , 其空间分辨 20线对 /mm , 时间分辨 60ps , 波带宽 6mm , 如图 8所示 [6]。 3.9
空间准二维快时间分辨相机
准二维组合相机是利用一与条纹相机光阴极狭缝成小夹角的针孔线阵 (多针孔 , 靶丸通过每一个针孔成 像于光阴极狭缝上 。 截于不同位置获靶丸不同截距处的径向收缩过程 。 3.10
高时间分辨的光学多道谱仪
我们将光纤耦合技术成功地应用于光学谱仪中 , 使一台谱仪 (OMA 在打靶中能同时获多道信号 , 又将其 与可见光条纹相机配用 , 使其具有高达 5ps 的时间分辨能力 (图 9 。
Fig.8 Scheme of 16framing camera 图 8 16
分幅相机示意图 Fig.9 Temporal property of scattered light at 10azimuth angle 图 9 10方位散射光时间特性 3.1
1聚变产额测量系统
我们建立了 :(1 α粒子菲涅尔波带板成像装置 [9], 获得了由 104个 α粒子蚀刻孔组成的清晰图像 。由此
提供出有意义的 D T 燃料区空间分布信息 (图 10 [7], (2 由快闪烁体 (加淬灭剂 配 MCP 光电倍增管组成的中 子飞行谱仪测试到了高信噪比的中子讯号 , 获得了明显的中子谱多普勒展宽 (图 11 , 为燃料区的离子温度分 析提供了依据 [8] 。
Fig.10
Code image of αparticle and reconstruct image
图 10
粒子编码像及重构像
Fig.11 Oscillograph by neutron TOF spectrometer 图 11
子飞行时间谱仪获得的波形
Fig.12 Interference holograph of electron density 图 1
2电子密度的干涉条纹图 3.12
近期起步的主动式诊断途径
(1 Thomson 探针光 :我们将一束波长为 0.53 μm 的激光 (5J /ns 注入等离子体中 , 设计时保证探针光的偏振方向与探测器测试
方向垂直 。 利用 “ 反射式卡塞格林放大光路” 作光搜集系统 ; 用光学 多道谱仪 (OMA 配光学条纹相机作记录设备 。实验获得了清晰的 “ 时间分辨光谱分裂” 图像 , 由此推知 Z T e 值 (Z 为平均电离度 , T e 为电子温度 [9]。
(2 探 针 光 系 统 :由 二 级 拉 曼 压 缩 得 到 了 输 出 能 量 0.3mJ /30ps , 波长 308nm 的激光 , 通过分光系统获得了等离子体密度二维空间分布的全息干涉图 , 如图 12所
示 [10]。
1078 强 激 光 与 粒 子 束 第 15 卷
4结束语
各种诊断设备的研制和诊断技术的建立是十分必要的 ,它们都是激光2核聚变 “综合诊断系统” 的重要组成 部分 。然而 ,这些设备的指标 —— — 能谱、、时 空特性的绝对标定的建立也不可忽视 。各种诊断设备的建立 ,亦同 步发展了相应的标定系统和技术 ,使之成为 “综合诊断系统” 精密化的重要内涵之一 。我们建立起的 “综合诊断 系统” ICF 实验物
理研究提供了重要的基础和保证 。 为
: ICF 综合诊断系统的建立和发展得到了国家 863 计划项目的资助 ,胡仁宇院士、致 谢 王世绩院士、贺贤土院士均给予了悉心指导 。中物院 激光聚变研究中心实验部全体同志作了大量的工作 “神光2II” 星光2II” ;、“ 装置运行组的同志给予了有力的配合 ,在此一并表示衷心感谢 ! 参考文献 : [1]
胡仁宇 ,郑志坚 .激光产生的高温高密度等离子体诊断技术 [J ] .强激光与粒子束 , 1990 ,2 (1 :1 — .( Hu R Y , Zheng Z J .Diagnostic tech2 15 15 nique for t he research of high temperature and high density plasmas produced by laser.Hi gh Power L aser and Particle Beams , 1990 , 2 (11 :1 — μ [2]
刘慎业 ,腾浩 ,丁永坤 , 等 .0.351 m 激光辐照金盘靶吸收、散射规律实验研究 [J ] .物理学报 ,1997 , 46 (10 :1917 — 1925.(Liu S Y , Teng 1925 μ H , Ding Y K , et al.Absorption and scattering light of gold disks irradiated wit h 0.351 m laser light .A cta Physica S i nica , 1997 , 46 (10 :1917 — [3]
杨家敏 ,丁耀南 ,易荣清 ,等 .软 X 射线能谱定量测量研究技术 [J ] .物理学报 ,2001 ,50 (9 :1723 — 1728.( Yang J M , Ding Y N , Yi R Q , et al.Qualitative measurement of soft X2ray spectrum using transmiion grating spectrometer.A cta Physica S i nica , 2001 ,50 (9 : 1723 — 1728 band spectra.Mianyang : CAEP ,1998 dimensional imaging of ICF targets.A cta Optica S i nica , 1998 , 18 (4 :440 — 445 Fresnel zone plate coded imaging.Hi gh Power L aser and Particle Beams , 2000 , 12 (6 : 707 — 710 Yang C B , et al.Temporal , spatial and energy resolved measurement system for laser2plasma.Chi na I n Science , 1998 , A28 (1 :85 — 89 256 [4]
丁永坤 .金带谱的时空特性研究 [ D ] .绵阳 : 中国工程物理研究院 ,1998.(Ding Y K.Investigation on temporal and spatial characteristic of gold [5]
江少恩 ,刘忠礼 ,李楠 ,等 .惯性约束聚变靶三维成像实验研究 [J ] .光学学报 , 1998 , 18 (4 :440 — (Jiang S E , Liu Z L , Li N , et al.Three 445 [6 ]
成金秀 ,温天舒 , 杨存榜 , 等 .激光等离子体时、、空 能谱三维分辨测试系统 [J ] .中国科学 , 1998 , A28 (1 :85 — ( Cheng J X , Wen T S , 89.[7]
腾浩 ,杨向东 ,冯杰 ,等 .Fresnel 波带板编码成像技术 [J ] .强激光与粒子束 ,2000 , 12 ( 6 : 707 — 710.( Teng H , Yang X D , Feng J , et al.[8 ] Chen J B , Zheng Z J , Zhang B H , et al.Fusion fuel ion temperature diagnostic for directly driven implosion.Rev Sci I nst ru m , 2001 , 72 ( 9 :
3534 — 3536.[9]
白波 ,郑坚 ,蒋小华 ,等 .激光等离子体中相干 Thomson 散射的实验研究 [J ] .强激光与粒子束 ,2000 , 12 ( 6 : 715 — 718.( Bai B , Zheng J , [ 10 ]
彭能岭 ,李文洪 ,江少恩 ,等 .等离子体电子密度诊断的全息干涉法 [J ] .强激光与粒子束 , 2002 , 14 (2 : 254 — 256.( Peng N L , Li W H , Jiang X H , et al.Collective Thomson scattering from a laser2produced plasma.High Power L aser and Particle Beams , 2000 , 12 (6 :715 — 718 Jiang S E , et al.Holographic interferometer of plasma electron density diagnosis.High Power L aser and Particle Beams , 2002 , 14 (2 : 254 — Recent progre and appl ication of diagnostic technique in laser f usion ZHEN G Zhi2jian , DIN G Yong2kun , DIN G Yao2nan , IU Zhong2li , L IU Shen2ye , L SUN Ke2xu , CAO Lei2feng , WEN Shu2huai , PEN G Han2sheng ,
IAN G Xiao2hua , IAO Wen2yong J M ( Research Center of L aser Fusion , CA EP , P.O .Box 919 2986 , M ianyang 621900 , Chi na tial confinement fusion experiment has been reviewed.The progre of diagnostic technique for X2ray optical band , fusion products has and was applied in many experiments , have been developed.The X2ray’ temporal2spatial behaviors of t hree kinds of wavelengt h could s be investigated in t he meantime using TCS.The application on investigation of hohlraum target p hysics , implosion dynamic and opacity have been introduced.been emp hasized.The many diagnostic instruments , such as t hree chromatic s pectrometer ( TCS t hat consists of X2ray streaked camera
Abstract : In t his paper , an integrated diagnostic system built and used at Shenguang II and Xingguang II laser facility for iner2
Key words : Inertial confinement fusion ; Plasma diagnostic technique ; High time2space resolution.© 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd.All rights reserved.CHEN G Jin2xiu , IAN G Shao2en , I Lan2ying , ZHAN G Bao2han , YAN G Cun2bang. YAN G Jia2min , J Q SU Chun2xiao , CHEN Jia2bin , I Wen2hong , YI Rong2qing , TAN G Dao2yuan , HUAN G Tian2xuan , L
