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神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

陈伯伦 杨正华 胡昕 夏立琼 陈忠靖 王鹏 韦敏习 黄天晅 蒋炜 晏骥 王峰 杨家敏

陈伯伦, 杨正华, 胡昕, 等. 神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
引用本文: 陈伯伦, 杨正华, 胡昕, 等. 神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
Chen Bolun, Yang Zhenghua, Hu Xin, et al. Implosion ablated convergence measurement on Shenguang laser facilities[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
Citation: Chen Bolun, Yang Zhenghua, Hu Xin, et al. Implosion ablated convergence measurement on Shenguang laser facilities[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
基金项目: 国家重点研发计划项目(2017YFA04033)
详细信息
    作者简介:

    陈伯伦(1979—),男,博士,副研究员,从事等离子体物理研究方向;blchen@mail.ustc.edu.cn

  • 中图分类号: O53

Implosion ablated convergence measurement on Shenguang laser facilities

  • 摘要: 间接驱动惯性约束聚变研究中,获得高内爆速度是实现点火,提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量,实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上,演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化,结合实验室和系统原位标定结果,建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术,采用替代靶方式,实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。
  • 图  1  内爆烧蚀压缩过程测量原理演示

    Figure  1.  Principle of the implosion ablated convergence measurement

    图  2  不同密度分布拟合结果与模拟结果对比

    Figure  2.  Comparison with the simulation density profile and different fitting density profiles

    图  3  神光系列装置上基于狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量结果

    Figure  3.  Image of ablated convergence measurement based on slit radiography on Shenguang laser facilities

    图  4  神光系列装置上基于弯晶成像的内爆烧蚀压缩过程测量结果

    Figure  4.  Image of ablated convergence measurement based on spherically bent crystal imager on Shenguang laser facilities

    图  5  55 μm CH烧蚀层内爆靶与内层2.5 μm SiO2替代靶时透过率对比

    Figure  5.  Transmission comparison with 55 μm CH ablator and ablator subsituted by 2.5 μm SiO2 at inner interface

    图  6  替代靶设计内爆烧蚀压缩过程测量结果

    Figure  6.  Image of ablated convergence measurement with the subsituted capsule design

    图  7  内爆速度和剩余质量份额分析结果

    Figure  7.  Data analysis of the implosion ablated convergence measurement

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出版历程
  • 收稿日期:  2020-05-08
  • 修回日期:  2020-07-07
  • 网络出版日期:  2020-07-20
  • 刊出日期:  2020-08-15

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
    基金项目:  国家重点研发计划项目(2017YFA04033)
    作者简介:

    陈伯伦(1979—),男,博士,副研究员,从事等离子体物理研究方向;blchen@mail.ustc.edu.cn

  • 中图分类号: O53

摘要: 间接驱动惯性约束聚变研究中,获得高内爆速度是实现点火,提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量,实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上,演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化,结合实验室和系统原位标定结果,建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术,采用替代靶方式,实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。

English Abstract

陈伯伦, 杨正华, 胡昕, 等. 神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
引用本文: 陈伯伦, 杨正华, 胡昕, 等. 神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量[J]. 强激光与粒子束, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
Chen Bolun, Yang Zhenghua, Hu Xin, et al. Implosion ablated convergence measurement on Shenguang laser facilities[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
Citation: Chen Bolun, Yang Zhenghua, Hu Xin, et al. Implosion ablated convergence measurement on Shenguang laser facilities[J]. High Power Laser and Particle Beams, 2020, 32: 092010. doi: 10.11884/HPLPB202032.200111
  • 间接驱动方式实现惯性约束聚变(ICF),激光能量首先在高Z的黑腔内壁转换为X射线,烧蚀压缩黑腔中心的靶丸实现内爆,形成中心点火热斑[1],热斑的内能主要来自烧蚀层压缩做功。压缩做功转换为内能的效率超过辐射漏失和热传导导致的能量损失的速率之和,是形成点火热斑的基本条件。燃料层速度为vf,燃料层动能正比于vf2,而实现点火需求的最小能量[2-3]正比于vf−6,因此能量裕度[4]正比于vf8,通过优化烧蚀压缩过程获得高内爆速度,对提升聚变增益至关重要。

    靶丸内爆加速过程近似可以采用火箭模型[5]描述,通过烧蚀更多的质量能够获得更高的内爆速度。实际上还需要考虑压缩过程中的非一维效应,内爆性能还要受到混合、熵增的影响,最终需要在各要素之间进行平衡。其中最主要的是在内爆速度和剩余质量之间进行平衡,在获得高内爆速度的同时,降低烧蚀层馈穿引起混合的风险[6-7]。此外,需要通过激光波形的优化,在熵增和内爆速度间进行平衡,采用低功率平底长脉冲降低熵增,利用快上升沿达到峰值功率,来获得更高的内爆速度[8]。无论是激光驱动过程,还是内爆烧蚀过程,形成的等离子体环境都是极端复杂和跨尺度的[9]。通过高能量密度物理理论建模和仿真模拟进行分析和设计优化,在物理建模和输入参数方面,都存在一定的不确定度性。特别是外推到更高尺度下,这些不确定性会进一步增大。通过精密的实验技术,测量整个内爆烧蚀压缩过程,有助于加深对内爆动力学的理解,降低理论模拟的不确定性以及工程因素带来的影响。

    内爆烧蚀压缩过程可以采用背光透视照相技术,成像系统结合时间分辨的记录设备,获得各时刻靶丸直径附近区域的吸收图像。利用吸收图像反演密度分布,给出内爆动力学相关的物理量。在神光系列激光装置上,我们演示了基于狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,进一步发展了基于球面弯晶单能背光成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术。相比于狭缝成像,采用球面弯晶单能背光成像技术,具备了狭缝成像方式大视场的特点,同时实现了狭缝成像方式不具备的单色性和高空间分辨能力。通过不断优化系统设计和提升稳定性,提高信噪比,实现了内爆速度测量不确定度2.1%的精度水平。

    • 激光与特定材料的背光靶作用,产生的X射线透射靶丸,形成靶丸吸收图像。通过排布设计和精确的记录系统灵敏面定位[10],获得靶丸直径位置吸收曲线随时间的变化图像,通常也称为内爆压缩流线。对于球形内爆靶丸,利用背光透视照相技术获得内爆压缩流线,可以视为Abel变换过程,因此可以通过Abel逆变换方式,对内爆压缩流线进行反演,获得烧蚀层密度分布,如图1所示。

      图  1  内爆烧蚀压缩过程测量原理演示

      Figure 1.  Principle of the implosion ablated convergence measurement

      $${\kappa _{\rm{\nu }}}\left( r \right)\rho \left( r \right){\rm{ = - }}\frac{1}{{\text{π}}} \displaystyle\int \nolimits_{\rm{r}}^\infty \frac{{{\rm{d\tau }}\left( { {y}} \right)}}{{{\rm{d}}y}}\frac{{{{{\rm{d}} {y}}}}}{{\sqrt {{y^2} - {r^2}} }}$$ (1)

      式中:$ {\kappa }_{\nu }\left(r\right) $是吸收系数;$ \rho \left(r\right) $是烧蚀层密度分布;$ \tau \left(y\right) $是不透明度,$\tau \left( y \right) = - {\rm{lg}}({{I}}/{I_0})$I是吸收曲线,I0是背光强度。

      实验测量过程中,由于诊断系统的性能,会产生时间和空间的模糊。精确的密度分布反演,需要利用系统空间和时间的调制传递函数对流线图像进行反卷,再进行逆Abel变换。图像中的高频噪声会在反演过程中被大幅放大,而降噪处理会造成有用的高频信息的丢失。因此采用逆Abel变换方法,在数学上存在固有的问题和难度,实际上也很难获得真正的烧蚀层密度分布。内爆动力学物理量中,内爆速度和剩余质量尤为重要,内爆速度是平均质心半径的时间导数,而平均质心半径$\langle {R_{\rm{m}}}\rangle $和质量M是密度分布的矩函数。

      $$\langle {R_{\rm{m}}}\rangle = \frac{{ \displaystyle\int \nolimits_0^a r\rho \left( r \right){r^2}{\rm{d}}r}}{{\displaystyle \int \nolimits_0^a \rho \left( r \right){r^2}{\rm{d}}r}}$$ (2)
      $$M = 4{\text{π}} \displaystyle\int \nolimits_0^a {r^2}\rho \left( r \right){\rm{d}}r$$ (3)

      $ \langle {R}_{\mathrm{m}}\rangle $M的反演精度不严格依赖于密度分布的具体形式,因此可以采用正则拟合优化方法[11],利用设定的密度分布形式,通过拟合测量结果,最优化密度分布的中心位置、半高宽和峰值等参数,然后利用最优化参数确定的密度分布求解$ \langle {R}_{\mathrm{m}}\rangle $M。虽然不能给出真实烧蚀层密度分布,但采用正则拟合优化方法,避免了反演过程固有的奇点问题和数学难度,同时拟合过程中自动包含了噪声平滑处理。因此在内爆烧蚀压缩过程测量中,通常采用正则拟合优化方法进行数据反演,常用密度分布形式是高斯分布。

      内爆动力学过程重点关注加速阶段,烧蚀层内界面接近自由飞行状态,而外层被烧蚀的等离子体存在一定密度分布,$ \langle {R}_{\mathrm{m}}\rangle $M反解过程中,积分上限a不同的设置原则,对于不同密度分布形式,被烧蚀等离子体的贡献会存在一定差异。为降低这部分等离子体吸收对数据分析产生的影响,我们发展了基于倾斜类高斯分布(GEV)的正则拟合优化算法,增加了倾斜分布参数拟合,从而使设定的拟合密度分布与实际密度分布形式更相近,进一步提升了实验结果反演拟合的精度(图2)。

      图  2  不同密度分布拟合结果与模拟结果对比

      Figure 2.  Comparison with the simulation density profile and different fitting density profiles

    • 内爆压缩流线测量可以采用点投影成像排布,利用记录系统直接记录微点源透射靶丸后的吸收图像,也可以采用面背光成像排布,通过面光源,结合成像系统实现透视成像测量。虽然各种成像方式和技术都可以开展内爆压缩流线测量,但在应用难易度、测量精度和测量稳定性等方面,存在明显的差异。在神光系列激光装置上,我们主要发展了基于狭缝的内爆流线诊断技术和基于球面弯晶的单能内爆流线诊断技术。

    • 狭缝成像是常用的X射线成像技术。结合面背光排布方式,利用狭缝成像能够获得一维空间分辨的吸收图像。在空间分辨一维系统的分辨能率主要取决于狭缝的宽度,近似表述为σ ≈(M+1)/MD,其中M是系统放大率,D是狭缝宽度。狭缝板通常采用高Z材料制备,如钽片。利用激光烧蚀和切割方式,能够制备最小宽度接近10 μm的狭缝,制备工艺简单,成本低。狭缝成像方式的集光效率约10−9,为了提高信噪比,狭缝宽度通常设计在15~20 μm,能够实现的空间分辨接近20 μm。对于球形靶丸,狭缝成像方式只能实现一维分辨,因此需要在靶丸附近增加限孔光阑,限制靶丸成像区域。最简单的方式是在腔壁设计对穿的矩形诊断孔,同时利用靶装配精度,保证对靶丸直径附近区域成像,降低记录系统灵敏面的瞄准精度需求。在美国国家点火攻关计划(NIC)[12]阶段,首先在OMEGA激光装置上,演示了基于狭缝成像方式的内爆烧蚀压缩过程测量技术[11],此后NIF装置烧蚀压缩调谐平台(ConA)[13]的实验中,沿用了这种技术,在NIC阶段发挥了重要的作用。狭缝成像方式原理简单,工程实现难度低,2014年在神光系列激光装置上,演示了基于狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术[14]。实验采用3 ns方波驱动,烧蚀层采用厚度为46 μm的CH。成像系统的成像狭缝宽度20 μm,系统放大率11.5倍(图3)。

      图  3  神光系列装置上基于狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量结果

      Figure 3.  Image of ablated convergence measurement based on slit radiography on Shenguang laser facilities

      实验采用三束激光空间重叠方式驱动,选择钛片作为背光材料,利用类He发射线进行背光成像。背光束采用连续相位板(CPP)进行束匀化提升背光的均匀性,激光焦斑大小约500 μm。面背光成像排布方式,样品不同位置形成吸收图像的X射线,来自背光靶的不同区域[15],背光的强度分布会叠加在吸收图像中,对数据反演过程产生干扰,降低分析精度。因此面背光狭缝成像方式,需要获得尺寸大于成像区域,且强度分布均匀的面背光源。实验中通过多束激光空间叠加、增大背光源尺寸等方式实现,但这样会降低驱动激光的功率密度,特别是背光能点较高时,对效率的影响较大。

      基于狭缝成像的内爆流线测量技术,成本低,容易实现,使得这种技术很容易在更大型激光装置上获得快速应用。但这种便捷的应用也意味着成像性能的不足。NIC阶段的研究表明,内爆动力学的测量需要关注整个内爆压缩阶段以及压缩后期更细节的物理信息,这意味着需要发展更高精度的诊断技术。

    • 基于球面弯晶的单能背光成像技术采用球面面型的弯曲晶体,利用球面镜成像原理,结合类点光源的成像排布,实现高分辨背光成像,同时利用晶体的Bragg衍射原理,实现背光准单色化[16]。单独的球面镜成像会存在较大的球差,利用球面镜这种非理想的成像方式以及大收光角的特性,能够与点投影成像排布方式结合,通过球面晶体对光线的偏折和聚焦,实现更高的空间分辨,同时兼具了点投影成像排布的优点[17]。一方面,样品每个位置的透射X射线,均来自整个背光源,成像排布天然的消除了背光源强度分布的影响;另一方面200~400 μm大小的背光源需求,与激光聚焦焦斑尺寸相当,有效的利用了背光束激光的能量,更容易获得高功率密度。成像系统的视场主要取决于成像晶体的尺寸,并且接近正入射条件下,整个视场范围内空间调制传递函数接近一致。2012年,在神光II激光装置上,演示了基于球面弯晶的单能内爆烧蚀压缩过程测量技术,获得了准单能内爆流线图像[10]。实验采用云母球面弯晶(2d=1.998 nm,R=250 mm),成像波长设定为0.395 nm,利用了云母弯晶5阶衍射。系统子午方向放大率13.6倍,系统静态空间分辨约7 μm。

      神光II激光装置采用水平方向双端驱动模式,黑腔腔轴水平放置,成像限孔光阑也是水平方向的,对应记录系统阴极狭缝同样是水平方向。水平方向是弯晶的旋转方向,因此测量的吸收图像会叠加背光的光谱结构。与狭缝成像方式时变的背光强度分布不同,在稳定背光束驱动条件下,这种光谱结构基本不随时间变化,因此可以通过测量背光光谱分布,对获得的吸收图像进行修正处理。更优化的设计是将限孔光阑和记录阴极狭缝方向与球面弯晶成像系统的弧矢方向一致。球面弯晶成像系统弧矢方向具有极高的单色性,能量分辨远高于光谱结构引起的强度变化,能够大幅度消除光谱影响。其他神光系列激光装置均采用上下方向双端驱动模式,这种设计更容易实现。2019年,基于改进设计后的球面弯晶单能成像系统,开展了内爆烧蚀压缩过程的测量。内爆过程采用约4.5 ns的双台阶整形脉冲驱动,烧蚀层采用55 μm厚的CH,并均匀掺杂1%的Si。系统采用石英(21-33)球面弯晶,曲率半径250 mm。系统设计放大率11.8倍,视场约1.5 mm。选用直径200 μm的钒片作为背光材料,约束背光源的尺寸,利用类He发射线5.21 keV能点进行背光成像,成像系统两维分辨均接近7 μm。实验获得内爆速度的不确定度约8%(图4)。

      图  4  神光系列装置上基于弯晶成像的内爆烧蚀压缩过程测量结果

      Figure 4.  Image of ablated convergence measurement based on spherically bent crystal imager on Shenguang laser facilities

      球面弯晶单能成像系统具有极高的能谱分辨能力。良好的单能性相比宽谱带通成像,能够获得与设计一致的更好的吸收对比度,并且提升了质量反演的精度。系统的高能谱分辨能力还能够有效抑制靶丸芯部自发光和黑腔内等离子发射等影响[10],结合成像系统良好的空间分辨能力,能够实现内爆减速阶段,甚至阻滞阶段的内爆动力学过程测量,对深入理解内爆动力学过程对内爆性能的影响,具有重要应用前景。

    • 球面弯晶单能成像系统应用于内爆压缩流线测量,具有显著的优势。但其应用也存在一定限制。采用天然晶体,能够选择的晶格间距是有限的,与此同时,还需要选择与之匹配的背光源发射线谱,满足布拉格(Bragg)角在80°~89°之间,保证系统的成像性能以及效率。接近正入射条件下,球面弯晶单能成像系统的能谱分辨是很高的(~10−3),这也意味着背光源线谱的选择区间很窄。在内爆压缩流线测量中,需要根据烧蚀层材料、掺杂以及厚度优化成像的能点,保证图像的吸收对比度,提升信噪比。背光源能谱选择的变化,对成像系统的性能和排布会产生较大的影响。为了降低这种影响,我们发展了面型球面弯晶单能成像系统的替代靶压缩流线测量方法。

      在神光系列装置常规的球面弯晶单能成像系统5.21 keV设计能点下,CH和SiO2的不透明度存在较大的差异(图5)。利用这两种材料不透明度的差异,在烧蚀层内界面附近,用设计厚度的SiO2替代等效质量的CH,使得靶丸烧蚀层的载荷不变,在烧蚀热波波前到达CH和SiO2界面之前,内爆压缩过程的动力学行为是基本一致的。利用这种替代方式,能够在维持成像系统设计稳定的前提下,开展物理需求的不同烧蚀层设计参数下的动力学行为研究。这种替代方式的有效性,在NIC阶段,利用常温替代靶的对比实验,也已经进行了实验验证[18]

      图  5  55 μm CH烧蚀层内爆靶与内层2.5 μm SiO2替代靶时透过率对比

      Figure 5.  Transmission comparison with 55 μm CH ablator and ablator subsituted by 2.5 μm SiO2 at inner interface

      与2019年实验中驱动条件和成像系统设计一致的情况下,采用替代靶设计,获得了对比度和信噪比更好的单能内爆压缩流线。内爆速度的测量不确定度达到了2.1%的精度(图6)。

      图  6  替代靶设计内爆烧蚀压缩过程测量结果

      Figure 6.  Image of ablated convergence measurement with the subsituted capsule design

    • 利用实验获得的内爆压缩流线图像,设定倾斜高斯分布形式的拟合密度波形,对每个时刻测量的靶丸吸收曲线进行最优正则拟合,获得最优拟合的密度波形,进而获得平均质心半径、平均质量等内爆动力学的重要物理量测量结果。利用质心半径的时间导数,给出内爆速度。高精度、可靠的测量结果还依赖于对整个系统参数和性能的标定和校准。

      实验中,通过100 μm周期、占空比1∶1的条纹样品,对系统的放大率、空间分辨、强度均匀性等参数进行了原位测量。利用测量结果,分析给出了系统的放大率、空间分辨等系统参数,用于测量数据的反演和分析,同时评估了系统动态范围、强度均匀性、空间畸变等性能参数,用于实验结果测量不确定度的分析和评估。

      内爆压缩流线采用条纹相机进行记录。条纹相机利用斜坡扫描电压对光电子的偏转实现高时间分辨测量。由于条纹相机电子学系统以及电压波形的影响,记录每个像素对应的时间间隔存在一定的偏差和晃动,条纹相机的绝对扫速和扫速均匀性影响了内爆速度的反演精度。利用实验室超快桌面激光装置,实验前对条纹相机的扫速进行了全屏的校准。测量结果用于内爆速度的数据分析和不确定度评估。

      利用实验测量的单能内爆压缩流线结果,结合实验室校准和原位打靶标定结果,我们给出了内爆速度和剩余质量的分析结果(图7)。内爆速度的测量精度达到了2.1%。

      图  7  内爆速度和剩余质量份额分析结果

      Figure 7.  Data analysis of the implosion ablated convergence measurement

    • 通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够了解内爆阶段驱动历程,优化设计,提升内爆性能。压缩流线的诊断技术,能够反演出密度分布,提取界面径迹,在高压科学和材料状态方程研究中也有重要的应用前景。利用神光系列激光装置,我们建立了基于狭缝成像和球面弯晶成像的内爆压缩流线测量技术。相比简单易行的狭缝成像,球面弯晶单能成像技术的应用,能够获得更高的空间分辨和能量分辨,有效抑制背景干扰信号的影响,测量精度更高,还可以用于压缩后期动力学过程的测量。通过成像系统的优化设计以及替代靶技术的应用,采用球面弯晶单能成像技术开展内爆烧蚀压缩过程测量,有效提升了内爆压缩流线的图像质量,内爆速度反演精度达到2.1%,基本满足了物理量调控的测量精度需求。进一步通过算法的优化以及数据挖掘技术的应用,硬件系统的精细调校,内爆烧蚀压缩过程测量技术将能够在内爆减速阶段以及阻滞阶段测量中,发挥更多作用。

参考文献 (18)

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