新型針孔點背光發光模型與實驗研究*

晏驥 韋敏習 蒲昱東 劉慎業 詹夏雨 林稚偉 鄭建華 江少恩

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心，綿陽 621900)

(2011年12月28日收到;2012年6月4日收到修改稿)

1 引言

在當前的高能量密度物理和慣性約束聚變研究中，由于受到驅動器強度等原因的限制，利用樣品材料自發光的被動成像方式很難獲取可靠的物理圖像;另一方面納秒級強激光(功率密度～1014W/cm2)與固體靶相互作用可以獲得高亮度的Multi-keV能段X射線，將這樣的X射線作為背光源對樣品成像能夠得到高質量的物理圖像.目前X射線背光技術具備亮度高、光源能點可控等優點，已經廣泛應用于內爆物理、流體力學不穩定性、不透明度等高能量密度物理與慣性約束聚變的重要課題研究中[1-3].

早期的背光成像技術主要采用點背光成像與面背光成像的方式，這樣的成像方式存在著能量利用效率低、背光均勻性差、成像視場受限等缺陷.在當前快速發展的慣性約束聚變研究中已經無法滿足診斷的需求，迫切需要發展新型的背光成像技術.國外研究人員從20世紀80年代開展高溫激光等離子體發射Multi-keV能段X光源的相關研究[4,5]，并于2001年開始在OMEGA激光裝置上著手進行針孔點背光成像技術的實驗研究，直到2008年較為全面地掌握了該項技術，為精密化的物理研究提供了支持[6-8];國內從2005年開展高溫激光等離子體發射Multi-keV能段X光源的相關研究，并于2008年在神光II激光裝置上進行了初步的針孔點背光成像技術的實驗研究，獲得了良好的實驗結果.但是由于慣性約束聚變研究的物理需求以及驅動器驅動條件的限制，進一步的研究不能重復國外相關的工作，需要開展新型針孔點背光源的研究.

本文以模擬計算與早期神光II激光裝置實驗結果相結合的方式研究了激光等離子體發光模型.在該模型的基礎上改進了傳統的針孔點背光成像方式，獨立發展了針對低Z靶材料K線的準單能背向針孔點背光和針對中Z靶材料L帶的高亮度側向針孔點背光.在神光II激光裝置上通過新型針孔點背光對慣性約束聚變靶丸樣品成像獲得的高質量的靜態靶丸流線圖像，空間分辨優于10μm.實驗結果表明，新型的針孔點背光具備高亮度、高空間分辨、高圖像襯度等優點，可以廣泛應用于高能量密度物理和慣性約束聚變的研究中.

2 激光驅動平面背光靶發光模型

強激光與靶物質相互作用過程中將會產生高溫靶物質等離子體，該等離子體在自身溫度達到幾千萬攝氏度時將會發出X射線.顯然功率密度越高的激光作用于靶物質將會產生溫度越高的等離子體從而激發出更高能的X射線.當前納秒級強激光(功率密度～1014W/cm2)與固體靶物質相互作用產生X射線的能段在Multi-keV范圍.這個能段區間內常用的靶材料及其特征譜線主要有Mo(～2.5 keV)，Ag(～3.2 keV)，Ti(～4.75 keV)，Fe(～6.7 keV).其中中Z元素Mo，Ag主要是發射L殼層特征譜線，由于L帶光源具有能譜范圍寬的特點所以其光源亮度較高;另一方面低Z元素Ti，Fe主要是發射K殼層特征譜線，由于K線光源具有譜線結構簡單的特點所以其光源單色性較好.為了能更好地理解激光作用于平面背光靶發光的過程，本文選擇了Mo和Ti作為對象，針對這兩類特點不同的靶材料進行了細致的研究.本節主要內容包括：首先基于數值模擬工作研究了激光與平面靶物質相互作用過程;其次結合早期神光II激光裝置相關實驗結果分析得到了激光驅動平面背光靶發光模型.

圖1是利用一維流體力學程序模擬的激光與平面靶相互作用產生的等離子體溫度分布示意圖，其中固定驅動激光功率密度為1×1014W/cm2，脈寬為1 ns，波長為351 nm;靶材料選擇厚度為10μm的Ti和5μm的Mo.圖1表明Ti在當前激光條件下可以產生1600 eV的高溫等離子體，而Mo只能產生300 eV的高溫等離子體;且從等離子體輻射面積來看，Ti等離子體的分布要遠遠大于Mo.這主要是Ti的原子序數較低，在相同的激光驅動條件下更容易產生溫度更高的等離子體，同時溫度越高的等離子體越容易使得Ti達到高離化態，從而發射K殼層的X射線;相應地，原子序數較高的Mo則只能產生L帶的X射線.另一方面，由于輻射出的等離子體只分布于靶前(即激光注入面)，說明了當前的激光條件下并不能完全燒蝕厚度在幾個微米的平面靶.進一步的數值模擬結果表明Ti靶只有約2μm(Mo靶約1μm)厚度被燒穿，達到高溫狀態，剩下的大部分靶材料均處于冷狀態.早期的神光II裝置實驗結果表明，在與數值模擬相似的激光條件下(功率密度為2×1014W/cm2，脈寬為1 ns，焦斑400μm)，Ti背光靶厚度小于2μm則會被燒穿，而厚度達到2.8μm則可以保證背光靶不被燒穿.實驗結果與數值模擬結果相近，表明了數值模擬結果具備可靠性(激光燒蝕在數值模擬中比實驗中稍快，這是因為一維程序沒有考慮二維擴散等因素所導致的).

圖1 一維流體力學程序數值模擬激光與平面靶相互作用等離子體溫度分布 (a)10μm Ti靶等離子體溫度分布;(b)5μm Mo靶等離子體溫度分布;其中橫坐標表示時間(單位：s)，縱坐標表示空間位置(單位：cm)，等高線表示等離子體溫度(單位：eV)，粗黑線表示平面靶初始位置(縱坐標為0)

通過一維流體力學程序數值模擬結果可以得到激光驅動平面背光靶發光模型，如圖2所示.強激光與靶物質相互作用產生的等離子體主要分布于靶前(即激光作用面，當然若激光足夠強或者靶足夠薄在靶后也將出現等離子體.但是這樣會大大降低激光的能量利用效率，反而減少了X射線的發射)，通過高溫等離子體發出X射線，其發光具有近似各向同性的分布.但是靶后方向的X光由于受到靶燒蝕剩余部分的自吸收影響強度將會降低，對于低Z靶材料K線X光其靶自吸收較弱，靶后X射線強度不會相差太多;對于中Z靶材料L帶X光其靶自吸收較強，靶后X射線強度將大大降低.這樣的模型在早期神光II激光裝置相關實驗研究中得到了證實，實驗結果表明對厚度6μm的Ti平面靶，靶前180°范圍內大于4 keV的X射線強度幾乎相同，而靶后的X射線強度則衰減了一倍;對厚度2μm的Mo平面靶，靶前180°范圍內大于2 keV的X射線強度幾乎相同，而靶后的X射線強度則衰減了一個量級[9,10].

圖2 激光等離子體發光模型

3 新型針孔點背光設計

3.1 傳統針孔點背光特點分析

點背光與面背光成像技術存在著激光能量利用效率低，背光均勻性差，成像視場小等致命的缺陷;而針孔點背光在面背光的基礎上將成像用的10μm針孔放置于背光靶與成像樣品之間，形成了次級點光源對樣品投影成像(幾種背光成像技術結構見圖3).從圖3(c)針孔點背光排布圖可以看到該背光源具有背光均勻性好，成像視場隨意設置的優點，突破了面背光成像的瓶頸;另一方面，針孔點背光也帶來了不利的因素：首先為了不影響激光的注入，針孔板尺寸受到限制使得噪聲的影響大大增加(針孔板并非足夠大不能完全阻擋發光等離子體噴射);其次由于記錄設備與靶點之間沒有任何的防護措施，燒蝕碎片對記錄設備的破壞效果將加大.為此需要在傳統的針孔點背光基礎上進行改進.

3.2 新型針孔點背光設計

通過圖3(c)與3.1節的分析可以看到，為了減少針孔點背光成像中發光等離子體產生的噪聲，需要屏蔽用針孔板足夠大，所以在新型針孔點背光設計中注入激光方向與樣品-探測器連線方向不能處于同一平面內;另一方面，通過圖2與第2節的分析可以看到，激光驅動平面靶后未被燒蝕的靶的自吸收效果對于K線靶材料影響較弱，對于L帶靶材料影響較強.本文根據以上兩點設計了新型的針孔點背光，如圖4所示.

圖3 三種背光排布 (a)點背光成像;(b)面背光成像;(c)針孔點背光成像

圖4 新型針孔點背光排布 (a)背向針孔點背光;(b)側向針孔點背光

圖4(a)為背向針孔點背光排布圖，該結構特點是從靶后收光，可以將針孔板尺寸放大至能夠完全屏蔽靶前高溫等離子體，僅允許從靶后的針孔處收光，從而形成了性能良好的次級點光源.在這里應當看到背向點背光的光源強度會受到靶自吸收的影響，所以背向針孔點背光僅適用于低Z靶材料K線光源(例如Ti，Fe等).圖4(b)為側向針孔點背光排布圖，該結構特點是從靶側面收光.利用高溫等離子體發出Multi-keV能段X射線最強區域在激光等離子體冕區附近的特點，將針孔板與背光靶垂直放置，針孔距離背光靶高度約為200μm(文獻[10］結果表明當前激光條件下高溫等離子體冕區距離靶面約200μm).在這里應當看到側向點背光回避了靶自吸收的問題，所以側向針孔點背光適用于中Z靶材料L帶光源(例如Mo，Ag等).

通過對圖4的分析可以看到，側向針孔點背光在物理設計上能夠回避靶自吸收的問題，光源亮度優于背向針孔點背光;但是在實際的實驗中側向針孔點背光相對于背向針孔點背光存在著對靶裝配精度要求高、激光裝置瞄準精度要求高等缺點.總之，兩種新型的針孔點背光設計存在各自的優缺點，應當根據具體的物理需求來選擇.

圖5 新型針孔點背光實驗排布

4 實驗結果與分析

新型針孔點背光相關實驗基于神光II激光裝置開展，激光條件為神光II第九路裝置1000 J/1 ns/351 nm，其實驗排布如圖5所示.晶體譜儀記錄靶后針孔處光源的能譜信息;針孔相機記錄靶前激光等離子體發光狀態;X光膠片和條紋相機記錄成像的信息.背光靶設計參數如圖6所示.背光靶選擇3μm Ti和2μm Mo(相關文獻表明薄背光靶能獲得更高的激光轉換效率，從而提高光源亮度);針孔大小10μm;為了能夠回避燒蝕碎片的影響，將針孔板傾斜靶架15°放置(圖中未畫出)，預計成像系統空間分辨優于10μm;針孔板前貼一層厚度10μm的碳氫材料用于預防等離子體堵孔現象;采用尺寸為8 mm×8 mm的高Z鉭片作為屏蔽片，阻止高溫等離子體噴射，降低圖像噪聲(實驗結果表明，尺寸為5 mm×5 mm的屏蔽片并不能起到完全屏蔽噪聲的效果).

圖6 新型針孔點背光設計圖 (a)背向針孔點背光;(b)側向針孔點背光

4.1 背光源能譜分析

能譜信息是X射線背光源重要的參數之一.為此安裝晶體譜儀用于監測靶后針孔處的能譜信息，圖7為Ti背光靶材料獲得的晶體譜儀信號.從圖7(a)可以看到較為明顯的Ti發射譜信息，譜分辨良好;圖7(b)是解譜之后的分析圖，利用譜線強度之比的方法可以粗略分析出激光條件下Ti等離子體溫度約為1000 eV，與模擬結果(圖1)相近[11,12].通過晶體譜儀的分析可以看到確實存在高亮度的Ti類Heα線(～4.75 keV)從背光靶靶后發射出來，并通過針孔約束形成了高空間分辨的點光源.在這里由于Mo的L帶譜線信息較為復雜，所以省略.

4.2 背光源亮度分析

亮度是X射線背光源重要的參數.一般而言提高光源亮度的方法是提高激光轉換效率[13,14]，該問題過于復雜，在這里不詳細討論，本節重點關注在針孔點背光條件下激光注入方式對于光源亮度的影響.圖8為針孔相機測量到神光II第九路激光與Ti背光靶作用產生的光斑強度分布圖像，分別采用了蠅眼束勻滑(激光焦斑約φ450μm)和聚焦(激光焦斑約φ130μm)兩種不同方式.可以看到由于聚焦注入的方式提高了激光功率密度從而背光源亮度提高了約3倍，同時對于針孔點背光而言，真正起作用的僅僅是激光焦斑中心幾十微米區域的光源，所以在針孔點背光技術中采用聚焦的激光注入方式能獲得亮度更高的光源.

圖7 晶體譜儀測量Ti背光靶靶后針孔處譜線信息 (a)晶體譜儀結果;(b)譜線分析圖

圖8 不同激光注入條件下背光源亮度變化

4.3 新舊針孔點背光結果對比

噪聲屏蔽是成像實驗中最關鍵的問題.新型針孔點背光(圖4)與傳統的針孔點背光(圖3(c))相比，最大的改進就在于噪聲的屏蔽.在神光II激光裝置上利用第九路激光進行了相關對比實驗.同一發次中對相同的網格樣品(網格周期500μm，線寬200μm)分別通過傳統針孔點背光和新型針孔點背光成像，結果如圖9所示.傳統的針孔點背光只能得到模糊的網格圖像(圖9(a))，而新型的針孔點背光則能獲得清晰的網格圖像(圖9(b)，同時圖9(a)中網格的輪廓是清晰的，說明其成像系統的空間分辨足夠好，但是因為噪聲太強的緣故導致成像模糊.對比性實驗結果表明新型針孔點背光在噪聲屏蔽上具有明顯的改進.

圖9 激光1000 J/1 ns/351 nm驅動條件下新舊針孔點背光成像結果 (a)傳統針孔點背光;(b)新型針孔點背光：樣品為周期500μm，線寬200μm的網格

4.4 成像系統空間分辨考核

空間分辨能力是成像系統好壞的重要參數.實驗中采用多周期網格樣品對新型針孔點背光成像空間分辨能力進行了研究.網格樣品分為四個部分，其網格周期由大到小依次為 50，30，20，15 μm;線寬為周期的一半.成像系統中放大倍數為10倍，實驗結果如圖10所示.由圖10(a)可以清晰地看到四個周期不同的網格圖像;由圖10(b)可以看到各個周期網格的強度分布圖.通過各個周期網格強度分布圖做出其調制傳遞函數(MTF)函數，結果見圖11.采用一般判據認為MTF函數值為0.05時，即為其成像系統的空間分辨率;從圖11可以看到，對于各個周期處理結果其空間分辨率分別為7μm(周期 50 μm)，7 μm(周期 30 μm)，8 μm(周期 20 μm)，12μm(周期15μm).其中15μm周期的網格空間分辨率較差，主要是因為其周期太小，導致原始數據像素點太少，在數據處理過程中產生的誤差較大，所以綜合認為其成像系統空間分辨率優于10μm.

另一方面，成像系統的空間分辨能力主要由光源焦斑決定，其空間分辨極限不會優于焦斑大小;但是實驗中10μm孔徑的針孔可以獲得空間分辨優于10μm的圖像，可能的原因主要包括幾個方面：首先是針孔板傾斜15°放置從而使得實際的光源尺寸變小;其次是針孔加工過程中產生的誤差.

圖10 空間分辨能力研究實驗結果 (a)多周期網格圖像(網格周期由大到小分別為50，30，20，15μm);(b)各周期網格強度分布圖

圖11 多周期網格MTF函數圖(網格周期分別為50μm(黑色)，30 μm(紅色)，20 μm(藍色)，15 μm(綠色))

圖12 靜態靶丸流線測量圖 (a)靜態靶丸流線;(b)靜態靶丸流線強度分布圖

4.5 條紋掃描靜態流線

靶丸是存儲氘氚燃料的小球，其主要結構為氘氚氣體以及碳氫等低Z材料組成的球殼.在慣性約束聚變研究中，通過測量靶丸球殼在內爆壓縮過程中的運動軌跡(即流線)可以獲得燃料面密度、內爆速度、剩余質量等物理量，具有非常重要的意義.以往的實驗研究中通過面背光成像方式獲得的流線數據存在著背光均勻性等問題，很難獲得高精度的物理量.本實驗通過神光II第九路激光裝置以及新型針孔點背光技術，獲取高質量的點背光源對靜態靶丸樣品成像，通過條紋相機動態記錄，獲得靜態流線圖像.其中，靶丸樣品直徑為330μm，球殼厚度為25μm.考慮到靶丸球殼為低Z材料，對于能點較高的X射線(＞4 keV)吸收弱，很難獲得高對比度的圖像，選擇了以Mo材料(～2.5 keV)作為背光靶，并利用側向針孔點背光技術(圖6(b))解決Mo的靶自吸收問題.實驗結果如圖12所示，得到了高質量的靶丸球殼圖像，并在驅動激光注入完成之后(1 ns后)并沒有出現等離子體堵孔的效應.特別地，圖中出現了兩條不應當出現的暗條紋.通過多發次實驗結果對比，確認是條紋相機自身陰極缺陷所造成的;同時在時間方向上存在著強度分布不均勻的現象，是由于條紋相機掃速不均勻造成的.

5 結論

本文將數值模擬與神光II實驗相結合，針對面背光成像和傳統的針孔點背光成像技術的缺點，發展了低Z靶材料K線的準單能背向針孔點背光和中Z靶材料L帶的高亮度側向針孔點背光.實驗結果表明，新型的針孔點背光技術在光源亮度、背光均勻性、噪聲屏蔽、空間分辨能力等重要參數上均優于傳統的背光成像技術，能夠廣泛地應用于高能量密度物理和慣性約束聚變研究.

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