基于神光III原型裝置的新型針孔點背光實驗

晏驥 鄭建華 陳黎 涂紹勇 韋敏習 余波 劉慎業 江少恩

(中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

1 引言

背光照相是通過強激光與背光靶相互作用產生激光等離子體X光源,利用該光源輻照待測量樣品從而獲取物理圖像.背光照相的方法由于其光源能點可控、感興趣時間可自由選擇、光源亮度高、圖像質量好等優點,是當前高能量密度物理、慣性約束聚變研究中極其重要的診斷方法.目前背光照相方法已廣泛應用于內爆物理、流體力學不穩定性、不透明度等重要課題研究中[1,2].

背光照相的關鍵在于利用激光與靶物質相互作用獲取性能良好的點光源.目前一般采用面背光結合針孔成像的方式來獲取高空間分辨(約為10μm)的物理圖像,但是面背光成像方式存在著背光均勻性差、成像視場受限的缺點,不利于開展精密物理實驗.國外研究人員于2001年開始在歐米茄(OMEGA)裝置上開展大量針孔點背光成像技術的實驗研究,為精密化的物理研究提供了支持[3,4].國內從2008年開始在神光II裝置上開展相關研究,初步發展了針孔點背光技術[5,6],但是其中仍然存在噪聲屏蔽等關鍵問題亟待解決,為此需要開展針孔點背光技術的進一步研究.

本文在神光II背光源實驗研究的基礎上改進了針孔點背光技術,發展并優化了新型針孔點背光.在神光III原型裝置上通過新型針孔點背光對樣品成像獲得了高質量的圖像,同時通過多種診斷設備獲取了較為完整的背光源參數.實驗結果表明,新型的針孔點背光具備高亮度、高空間分辨等優點,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 新型針孔點背光設計

針孔點背光首先是激光與靶物質相互作用產生高溫等離子體并發射近似各向同性的X光源,這樣的X光源尺度與激光焦斑基本相同(約為幾百微米),在背光靶附近放置孔徑約為10μm的高Z針孔板(孔徑大小基本決定了成像系統的空間分辨率)用于約束X光源形成次級點光源,然后利用該點光源對待測量樣品投影成像.針孔點背光存在多種結構來實現,如圖1所示.圖1(a)為早期針孔點背光研究中采用的設計[3,5,6],該設計存在著噪聲屏蔽差的致命缺陷,很難獲得高信噪比的圖像(這里的噪聲主要是指部分等離子體翻越針孔板發光直接進入到成像記錄面上).在圖1(a)基礎上為了能夠更好地屏蔽噪聲的影響,改進為圖1(b)的設計.圖1(b)基本原理是將背光靶與針孔板結合為一體,使得激光注入面與成像記錄面能夠被完全隔離開,從而達到屏蔽噪聲的目的.

圖1(b)的設計中存在幾個關鍵要點:首先,該設計是利用背光靶靶后X光,由于中高Z靶材料對X光源的強吸收,所以背光靶材料需要選擇較低Z材料降低背光靶自吸收的影響;其次,由于背光靶和針孔板是結合一體設計,燒蝕等離子體會對針孔板產生堵孔的效應,所以需要在背光靶和針孔板之間添加低Z材料層來過渡.圖1(b)所示的新型針孔點背光的基本結構如圖2所示.在當前功率密度為1014—1015W/cm2的激光注入條件下,背光靶選擇厚度為3μm的Ti(通過較薄的背光靶提高轉換效率以及降低靶的自吸收從而提高光源亮度[7,8]);選擇了厚度為25μm的CH作為過渡層,主要作用包括防止等離子體堵孔,降低沖擊波對針孔板的影響,降低超熱電子的影響;針孔板選擇了厚度為20μm的高Z材料Ta片,針孔孔徑為15μm;屏蔽片選擇了尺寸為8 mm×8 mm的Cu片.

圖1 針孔點背光典型設計排布 (a)早期設計;(b)改進后設計

圖2 改進的針孔點背光靶結構示意圖

3 實驗排布

本次實驗在神光III原型裝置上開展.實驗排布如圖3所示,注入激光選擇原型裝置N1,N3兩路激光((2×800)J/1 ns/聚焦焦斑200μm)與背光靶法線方向成30?夾角入射,激光與Ti背光靶相互作用產生以4.75 keV為主的光源;針孔相機(PHC)放置于激光注入面,用于監測背光靶等離子體發光情況;兩臺X光探測器(XRD)放置于激光注入面(位置分別為上極點 67.5?,西經 180?;上極點 78.7?,西經146.25?)與背光靶的法線方向夾角均約為15?,用于獲取Ti背光靶類He線(約為4.75 keV)的發光強度以及時間行為,從而獲取轉換效率信息.

圖3 實驗排布圖

成像樣品選擇鎢絲加靶丸.其中40μm粗,間距300μm的鎢絲均勻分布在樣品框內,同時在鎢絲上裝配內徑300μm,球殼總厚度20μm的靶丸.記錄介質采用了成像板(IP,型號為SR,掃描儀為BAS5000型,掃描時間為曝光后30 min,成像板單個像素元大小為25μm×25μm),對Multi-keV的X光源響應為2%—8%,濾片選擇200μm Be結合5μm Ti,對4.75 keV背光源透過率約為70%,其中Be濾片用于防止燒蝕碎片和濾除軟X光噪聲,Ti濾片用于準單能化背光源.針孔板與樣品距離為3.5 cm,針孔板與記錄面距離為30 cm,成像系統放大倍數M為8.6.

4 光源性能優化

針孔點背光實驗研究中對雜散光的屏蔽是最為關鍵的問題,這里的雜散光主要是發光的背光靶等離子體朝外噴射翻越針孔板直接被成像板所記錄,形成強干擾噪聲.早期針孔點背光實驗采用的多種方法并沒有從根本上解決該問題,本次實驗中采用的新型針孔點背光從原理上可以完全屏蔽雜散光的影響,但是實驗過程中仍然出現了該噪聲的干擾.

圖4 (a)強面光源干擾成像;(b)弱面光源干擾成像

在基于圖2的靶設計中為了方便靶場定位瞄準在距離背光靶點2 mm處開了尺寸為200μm的定位槽,實驗結果如圖4(a)所示.從結果只能看到非常粗的鎢絲像(尺寸約為200μm),表明了面光源噪聲強度非常強,大大影響了點光源成像的效果,同時該噪聲源尺寸與定位槽尺寸相符合,判斷為該定位槽產生的噪聲.為此在后續實驗中屏蔽掉該定位槽,之后實驗結果如圖4(b)所示.從圖4(b)可以看到粗細分布的鎢絲像(尺寸分別為100μm,40μm),表明除了針孔處產生的次級點光源成像之外,還存在一個空間上與針孔距離較近、強度較弱、尺寸約為百微米的面光源噪聲同時對樣品成像.通過對打靶后靶架回收的分析,推斷出該面光源噪聲為穿過針孔的高溫碳氫等離子體燒蝕靶架表面產生的噪聲光源,為此在后續實驗中靶架表面均涂抹軟膠降低該噪聲源,最終獲得了高信噪比的清晰圖像,如圖5所示.

本次實驗結果表明,對于新型的針孔點背光設計,為了杜絕等離子體翻越針孔板產生額外面光源噪聲,首先需要添加尺寸為8 mm的大屏蔽片擋光,同時形成次級點光源的針孔與靶架表面需要有一定距離(大于1 mm),并且在靶架表面涂軟膠防止針孔后等離子體燒蝕再發光.

圖5 點光源獲取樣品的理想圖像

5 光源性能分析

隨著慣性約束聚變研究的深入,背光照相診斷不僅僅滿足于獲取物理圖像,而是需要從物理圖像中提取相關物理信息.在這樣的前提下,需要對光源的參數進行全面的考核,為此,本輪實驗中通過XRD和針孔相機獲取光源的時間行為和強度信息;通過IP成像板獲取光源均勻性和空間分辨、信噪比等信息;還利用靶丸樣品考核了靶丸樣品相襯成像性質.

5.1 時間行為

背光源與激光的時間關系是光源的重要參數之一,它表征了背光源持續時間與強度分布.在這里選取其中一發數據進行分析,結果如圖6所示(圖6中將激光信號與XRD信號起始點對齊).從圖6可以看到,兩臺XRD獲取的信號波形與激光脈沖信號完全一致,表明了產生的X光源強度與注入激光的強度基本成正比關系;另一方面,圖6中X光信號的持續時間約為870 ps,激光的持續時間約為1170 ps,表明了激光注入到背光靶上到靶物質被電離化形成高溫等離子體并發出硬X光存在一個響應時間,而當激光結束時高溫等離子體將很快冷卻,停止發射硬X光,所以激光比X光信號的持續時間稍長.

圖6 XRD信號與激光波形時間行為對比

5.2 光源通量(亮度)

光源通量(即亮度)是光源最關鍵的參數,本

節中首先利用一維流體數值模擬程序給出當前激光功率密度下背光靶材料產生的等離子體溫度密度,數值模擬結果如圖7所示.其中令注入激光功率密度為1×1014W/cm2,脈寬為1 ns,波長為351 nm;靶材料選擇厚度為10μm的Ti,圖7(a)表明當前Ti等離子體的溫度約為1000 eV,同時還可以得到等離子體密度約為固體密度的千分之一(圖中未畫出密度分布);再基于局域熱動平衡假設通過模型計算給出在當前等離子體狀態下的能譜及發射強度分布,結果如圖7(b).根據圖7(b)再結合實際激光狀況可以估算出總共發射的4.75 keV光子,Nc滿足公式

其中I是發射強度(單位為J/(s·cm3·eV),hv是單個光子能量(單位為eV),t是發光時間(單位為s),V是發光體積(近似為激光焦斑,單位為cm3),Γ是譜線寬度(一般來說,keV級的譜線其寬度約為其能點的千分之一,單位為eV),通過模擬計算得到發射的總光子數約為1017量級.

本輪實驗利用XRD獲取光源強度的信息,其激光與背光靶相互作用產生的光子數Ne滿足公式:

其中EL為激光能量1617 J,η為轉換效率(XRD測量結果為1.5%(4 π立體角,不確定度為30%)),hv為光源單個能量4.75 keV(這里將類He的Ti光源近似為單色光源).對比可以發現,實驗結果比計算結果低近一個數量級,其中最主要的原因在于模擬計算過程采用的是局域熱動平衡假設,在激光直接驅動過程中該假設與真實情況偏離較大,尤其是Ti等離子體自身的離化分布.另一方面來說,采用的多種數值模擬工具相結合的方法與實驗結果在一定程度上還是可以相互比對的.

圖7 (a)一維流體模擬等離子體狀態分布,等高線為等離子體離子溫度(單位為eV);(b)發光光譜及強度分布

從針孔相機監測Ti背光總發光面的直徑為250μm,而針孔孔徑為15μm(針孔孔徑尺寸即為實際光源利用到的部分),綜合考慮背光發光中間強邊緣弱,近似認為穿過針孔形成次級點光源的光子數占總光子數的10%(見圖8).同時,實際對成像產生作用的光源只有2π立體角.為此,真實的點光源光通量滿足公式:

其中P為成像光子份額的10%,4π為立體角,光通量單位為sr?1·ns?1.對比國內同步輻射光源光通量(約 1013sr?1·s?1),強激光驅動等離子體光源的光通量有著本質的提升,這樣的超強超快高分辨的點光源對于新興前沿的納秒皮秒級超快過程研究具有重要意義.

圖8 針孔相機監測背光靶發光結果 (a)注入焦斑圖像;(b)背光發光強度分布

在該光通量下,成像面與光源的距離R為30 cm,單個像素元大小S為25μm×25μm,且型號為SR的IP成像板對于4.75 keV光子的響應r約為5%[9,10],采用濾片透過率T為70%,那么IP成像板上單個像素元計數N滿足公式:

從圖5的結果中IP成像板記錄到的信號每單個像素元計數約為5×104,與推導的結果基本符合,表明采用該種方法估算光源的強度是合理的.

5.3 空間分辨

空間分辨能力是點光源重要參數,針對圖5中粗細為40μm,間距為300μm的鎢絲像進行數據處理,利用求導勻滑傅里葉變化獲得其調制傳遞函數(MTF)函數(見圖9(b)).為了能夠分辨其物理圖像,MTF值需大于0.05,在該條件限制下其空間分辨為81.7 lp/mm,即空間分辨達到12.5μm,略好于15μm的針孔孔徑.

圖9 點光源成像結果 (a)鎢絲樣品圖像;(b)鎢絲樣品的MTF函數

在一般情況下,點光源成像系統的空間分辨極限應當不會優于其點光源焦斑,但是在針孔點背光的設計中為了回避燒蝕碎片的影響,將針孔板傾斜15?放置,使得實際的點光源焦斑變小從而空間分辨能力提升,同時也降低了光源的通量,可以說是犧牲光源亮度來提高空間分辨.當然針孔板加工過程中孔徑會存在1—2μm的誤差,使得實際針孔小于設計值,也會造成空間分辨提高的效果.

5.4 背光均勻性

在對圖像進行相關物理量提取的過程中背光源的均勻性是獲取可靠物理信息的前提,傳統的面背光成像中由于背光源自身分布極其不均勻,使得提取的物理量可靠度降低,是當前精密物理實驗中需要回避的問題.針孔點背光由于其自身是一個次級點光源,在光源的均勻性上得到了保障.從圖5結果分析獲得其光源強度分布(見圖10),可以看到其光源強度分布均勻,相比較于面背光有本質的提升(見圖8(b)),為獲取精密的物理信息提供了基礎.

圖10 圖9(a)鎢絲像的強度分布圖

5.5 相襯成像性能

在慣性約束聚變(ICF)研究中,填充氘氚聚變燃料的靶丸樣品均為輕物質組成且結構復雜,為此需要發展針對靶丸樣品成像的新型技術.相襯成像可以提高輕物質分界面對比度,獲取更為清晰的物理圖像,是診斷靶丸樣品的重要方法,而相襯成像研究的前提即需要利用激光驅動等離子體獲取性能良好的X射線點光源.在本次實驗中,將相襯成像條件同步考慮,從而獲取了清晰的靶丸樣品圖像(見圖11),靶丸燒蝕層內外表面觀察到明顯的亮暗光環現象[11,12],該現象對于ICF研究中內爆壓縮過程診斷具有重要的意義.另一方面,由于IP成像板單個像素元較大(25μm)同時成像放大倍數較小(M=8.6),所以靶丸燒蝕層分層結構并不明顯.

圖11 輕物質靶丸樣品相襯成像性能

6 結論

本文在神光III原型裝置上開展了進一步的針孔點背光實驗研究,通過優化靶設計解決了面光源噪聲干擾問題,獲得了干凈的點光源.同時通過多種診斷設備對該光源性能進行了較為全面的考核,獲得了光源時間行為、空間分辨、光通量等重要參數,為提高精密化實驗能力打下基礎.實驗結果也表明新型的針孔點背光相比較于傳統的面背光成像和早期的針孔點背光在多項光源性能參數上均存在明顯的優勢,可以廣泛應用于高能量密度物理和ICF研究中.

[1]Kirkwood R K,Milovich J,Bradley D K,Schmitt M,Goldman S R,Kalantar D H,MeekerD,Jones O S,Pollaine S M,Amendt P A,Dewald E,Edwards J,Landen O L,Nikroo A 2009 Phys.Plasmas 16 012702

[2]Zhang J Y,Yang J M,Xu Y,Yang G H,Yan J,Meng G W,Ding Y N,Wang Y 2008 Acta Phys.Sin.57 985(in Chinese)[張繼彥,楊家敏,許琰,楊國洪,顏君,孟廣為,丁耀南,汪艷2008物理學報57 985]

[3]Bullock A B,Landen O L,Bradley D K 2001 Rev.Sci.Instrum.72 690

[4]Blue B E,Hansen J F,Tobin M T,Eder D C,Robey H F 2004 Rev.Sci.Instrum.75 4775

[5]Dong J Q,Fu S Z,Xiong J,Wang R R,Huang X G,Shu H,Gu Y,Wang Z S 2008 Acta Opt.Sin.28 3(in Chinese)[董佳欽,傅思祖,熊俊,王瑞榮,黃秀光,舒樺,顧援,王占山2008光學學報28 3]

[6]Yan J,Jiang S E,Lin Z W,Chen L,Yin Z J 2011 High Power Laser and Particle Beams 23 10(in Chinese)[晏驥,江少恩,林稚偉,陳黎,陰澤杰2011強激光與粒子束23 10]

[7]Hu G Y,Zhang J Y,Zheng J,Shen B F,Liu S Y,Yang J M,Ding Y K,Hu X,Huang Y X,Du H B,Yi R Q,Lei A L,Xu Z Z 2008 Laser Part.Beams 26 661

[8]Hu G Y,Zheng J,Shen B F,Lei A L,Liu S Y,Zhang J Y,Yang J M,Ding Y K,Hu X,Huang Y X,Du H B,Yi R Q,Xu Z Z 2008 Phys.Plasmas 15 023103

[9]Maddox B R,Park H S,Remington B A,Chen C,Chen S 2011 Phys.Plasmas 18 056709

[10]Izumi N,Snavely R,Gregori G,Koch J A,Park H S,Remington B A 2006 Rev.Sci.Instrum.77 10E325

[11]Gureyev T E,Mayo S C,Myers D E,Nesterests Y,Paganin D M,Pogany A,Stevenson A W,Wilkins S W 2009 J.Appl.Phys.105 102005

[12]Koch J A,Landen O L,Kozioziemski B J,Izumi N,Dewald E L,Salmonson J D,Hammel B A 2009 J.Appl.Phys.105 113112