基于神光Ⅲ主機裝置激光打靶產生電磁脈沖特性研究

楊進文楊 鳴李廷帥易 濤劉慎業

（1.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2.電子科技大學能源科學與工程學院，成都 611731）

基于神光Ⅲ主機裝置激光打靶產生電磁脈沖特性研究

楊進文1,2楊 鳴2李廷帥2易 濤1劉慎業1

（1.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2.電子科技大學能源科學與工程學院，成都 611731）

激光打靶過程會產生大量的電磁脈沖，脈沖強度大，頻帶寬，會影響各種重要診斷設備的正常運行以及精密物理結果的精確測量。本實驗在神光Ⅲ主機裝置靶室壁和靶室外搭建診斷系統，并利用自行設計的多款天線進行脈沖信號的采集，為電磁脈沖特性的進一步研究提供了實驗依據。本文分別對電場天線與磁場天線采取不同的數據處理方法以獲得靶場電磁場分布，多發數據表明，大盤錐天線測得信號最強，超頻段偶極天線測得信號最弱，靶室內外均產生較強的電磁干擾，需要進行相應的電磁屏蔽。

強激光；電磁脈沖；神光Ⅲ；天線

慣性約束核聚變（Inertial Confinement Fusion,ICF）是實現可控核聚變的重要途徑之一，其原理為通過高功率激光、高功率電磁脈沖和高能重粒子束作為外部能源直接或者間接驅動含熱核燃料（氘、氚）靶丸內爆，壓縮燃料至高溫高密度的狀態，從而發生核聚變[1-2]。ICF作為國際高科技研究方向，為了實現聚變點火，世界各地現已建造了許多高功率激光裝置，這些激光裝置作為驅動設備，功率已可達拍瓦（PW）級別。比如，美國勞倫斯·利弗莫爾實驗室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL）于 2009年建成的 NIF裝置[3]，可輸出192束激光，輸出能力位居世界第一；另外還有法國的LMJ[4]，英國的HiPER，日本的FIREX等。我國目前也建立了神光系列裝置，其中神光Ⅲ主機裝置于2015年9月完成了輸出測試實驗，標志著神光Ⅲ主機裝置已全面建成，也意味著神光Ⅲ主機裝置成為輸出能力排名世界第二、亞洲第一的慣性約束聚變激光裝置[5]。

高功率激光裝置打靶實驗中會產生大量的電磁脈沖（Electromagnetic pulse,EMP），這些脈沖分布頻域廣（幾十MHz～5GHz），強度大，對靶室內外的診斷設備和電子器件產生嚴重干擾，甚至導致診斷設備出現故障，無法準確地實現物理量的測量[6]。而且激光與等離子體作用中會產生大量的熱電子，同時還伴隨著X射線、γ 射線出射等二次反應[7-8]，物理機制十分復雜，研究人員對此過程的解釋尚不完善，還存在許多無法解釋的現象，所以電磁脈沖產生機制及其輻射特性的研究顯得十分迫切。

本文采用自行設計的多款天線對神光Ⅲ主機裝置靶室壁和靶室外的電磁脈沖分布進行了采集，通過數據處理得到了電磁場的時域和頻域分布，為深入理解聚變基本物理過程提供了實驗依據。

1 實驗布置

本實驗在神光Ⅲ主機裝置靶場完成，實驗布置如圖1所示。神光Ⅲ主機裝置是銣玻璃激光裝置，是我國開展 ICF研究的重要平臺，可同時輸出 48束激光能量達 180kJ，峰值功率達 60TW的三倍頻紫外激光。48束激光從靶室南北半球入射，最終通過打靶獨立透鏡向心匯聚于靶上。

圖1 實驗布局

激光打靶各發次激光束能量與靶條件的對比由表 1給出，7發數據選取靶型均為半黑腔靶，靶材均為金。實驗選取的半黑腔靶有兩種尺寸，shot1-shot3所用的靶尺寸為φ 1400μm×1000μm；shot4-shot7所用另一種靶尺寸為φ 1600μm×1300μm。半黑腔靶實驗中48束激光束未全部參與打靶，每發次情況表中已列出，全部激光束加CPP進行束勻滑，焦斑尺寸為500μm。

表1 打靶信息

電磁脈沖分布頻域廣，使用常規天線難以實現整個頻域范圍信號的接收，因此針對不同頻段（低、中、高）的信號采集需要使用不同尺寸的天線，本實驗自行設計了 5套天線用于電磁脈沖信號的采集，電場天線：盤錐天線、平板天線和超帶寬偶極天線；磁場天線：環天線（B-dot）、筒天線。靶室內所用天線通過專門定制的法蘭（搭配長度一致的支架）固定放置于靶室壁上，各天線信號獨立輸出，通過支架竿中的同軸線纜與示波器相連，靶室內脈沖信號較強，為了防止示波器因電壓過大而損壞，在天線與示波器之間接入了相應的衰減片。另外定制與法蘭口徑一致的全銅筒，罩于法蘭與支架間，防護同軸線，屏蔽電磁信號與線纜之間的耦合。設計了每款天線與靶室壁的距離略有偏差，小盤錐天線、小環天線、小平板天線、大平板天線、大盤錐天線和小筒天線到靶室壁的距離分別為 112mm、120mm、112mm、112mm、110mm、105mm。除此之外，在靶室外安裝了采集電磁脈沖信號的超頻段微帶天線和超大盤錐天線，天線安裝位置距外壁3.5m，距靶室中心6.7m。

2 實驗結果及分析

在神光Ⅲ主機裝置靶室內外進行了定點多次測量，得到了多組實驗數據。圖 2為 shot3發次接收到的電壓時域信號，信號由8GHz示波器（a）和1GHz示波器（b）輸出，六種天線對應的信號持續時間不同，分別為250ns、300ns、350ns、150ns、150ns、150ns。此外在相同靶型和相同激光能量條件下，各天線接收到的電壓信號幅值存在很大差異，分別為124.1V、60.7V、1.5V、239V、456.5V、453.5V，這主要是由于各款天線其增益、效率等方面都存在很大的差異，且接收頻段也會導致接收到的信號大小不一。

圖2 shot3對應的電壓信號

電場天線和磁場天線各自的數據處理方式不同，對電場天線而言，首先通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，FFT），將天線接收到的電磁脈沖時域信號變為頻域信號，再根據電場與電壓之間傳遞函數的關系獲取電場值；對磁場天線而言，對時域信號進行積分處理過后，最后再除以天線等效面積Aea（單位：mm2）即可得磁場大小。圖3為shot3發次中小筒天線和大盤錐天線電磁脈沖信號時域分布，靶室壁處的小筒天線測得磁場強度為6.02T，大盤錐天線測得電場強度為3079kV/m。

圖4（a）為所有發次對應的不同天線測得的電壓幅值，圖4（b）為5種電場天線處理得到的電場強度，圖4（c）為磁場天線處理得到的磁場強度。在電場天線中，大盤錐天線本身較其他天線而言具有更好的全向性，且接收信號的頻譜范圍廣（0～ 12GHz），增益較高，所以大盤錐天線接收到的電磁脈沖信號最強，電場強度達3210kV/m。平板天線增益較低，所以接收到的電磁脈沖信號較弱，電場強度為3kV/m左右。超帶寬偶極天線本身效率低且放置于靶室外測量，距離靶室中心最遠，所以測得的信號最弱，電場強度僅為 1kV/m。但總體而言神光Ⅲ主機靶室電場值高至MV/m量級，不論對人還是對診斷設備來說都存在較高的安全隱患，需進行相應電磁屏蔽。

圖3 電磁脈沖時域信號

圖4

電磁脈沖的產生機制普遍接受的解釋為靶充電模型[9]，激光打靶過程產生大量的超熱電子和X射線，熱電子在自生磁場中發生漂移離開靶面形成電流[10]，相對而言，靶被充電帶正電，由于靜電場的存在，靶后形成很強的靜電分離勢，在靜電分離勢的作用下僅有很少的能量很高的電子能夠脫離靜電力的束縛，其他能量較低的大部分電子被拉回靶面并以等離子體頻率做往復振蕩，不同能量電子從而出射激發不同頻率的高強度、寬頻域的電磁脈沖。

3 結論

本文利用自行設計的多款天線對強激光與半黑腔靶相互作用產生的電磁脈沖在靶室壁和靶室外的分布進行了測試與分析。實驗獲得了不同天線測得的電壓信號，通過對電場天線和磁場天線不同的數據處理方法，得到的各天線對應的電場強度或磁場強度，發現大盤錐天線接收到的電磁脈沖信號最強，超頻段偶極天線接收到的電磁脈沖信號最弱。通過處理shot3發次數據，發現靶室壁處磁場達6.02T，靶室周邊電場強度達3079kV/m，表明神光Ⅲ主機裝置的靶室內外均產生了很強電磁干擾，需要采取一定的屏蔽措施。最后，本文對電磁脈沖的產生機制進行了簡要探討，但對與電磁脈沖更深層次物理特性方面的解釋還不夠完善，需要在接下來的研究中進一步探索。

[1]江少恩,丁永坤,繆文勇,等.我國激光慣性約束聚變實驗研究進展[J].中國科學:G輯:物理學 力學天文學,2009,39(11):1571-1583.

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Investigation of Electromagnetic Pulses Generated by the Laser Shooting based on SG-Ⅲ facility

Yang Jinwen1,2Yang Ming2Li Tingshuai2Yi Tao1Liu Shenye1
(1.Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 621900；2.School of Energy Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731)

The interaction between intensive laser and metal targets can yield an extremely significant electromagnetic radiation,which not only has a large intensity and widely bandwidth,but leads to malfunctioning of various important diagnostics systems and the inaccuracy of physical experiment result.This study focus on building a diagnostic system against and outside the target chamber and collecting the pulse signal by designing multiple antennas,which are expected to provide the experimental basis for further investigation of EMP characteristic.Different data processing methods of electric field antennas and magnetic-filed antennas are used to obtain the electromagnetic field distribution inside and outside the target chamber.Multiple data shows that large discone antenna gets the highest signal while ultra wideband dipole antenna gets the lowest signal.It is necessary to make corresponding electromagnetic shielding because the high electromagnetic interference inside and outside the target chamber.

laser;electromagnetic pulse;sg-Ⅲ;antenna

中央高校基本科研基金（ZYGX2015J108）

國家自然科學基金（11575166，51581140）