強激光靶耦合過程中激發(fā)的電磁脈沖診斷與分析

楊進(jìn)文楊 鳴李廷帥易 濤劉慎業(yè)

（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(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

強激光靶耦合過程中激發(fā)的電磁脈沖診斷與分析

楊進(jìn)文1,2楊 鳴2李廷帥2易 濤1劉慎業(yè)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(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

本文論述采用脈沖天線對激光靶耦合過程中產(chǎn)生的電磁脈沖信號進(jìn)行采集，列舉了在相同條件下，納秒激光與幾種靶相互作用激發(fā)的電磁脈沖信號，分析了靶型對電磁脈沖信號的影響，得出靶的對稱性設(shè)計有助于抵消靶室內(nèi)的電磁干擾的結(jié)論。并且，通過測量靶室內(nèi)與靶室中心不同距離區(qū)域的電磁脈沖信號，總結(jié)出電磁脈沖在靶室內(nèi)的傳播規(guī)律。由于靶室內(nèi)回波振蕩的作用，隨著遠(yuǎn)離靶室中心，脈沖幅值先減小，后增大。且隨著距離增大，越靠近靶室內(nèi)壁區(qū)域受到回波振蕩的影響越大，進(jìn)而導(dǎo)致電磁脈沖持續(xù)時長增大。通過回波振蕩論證測試與屏蔽實驗，得出回波振蕩在靶室內(nèi)電磁脈沖信號中占有較大比重的結(jié)論。診斷設(shè)備的安放應(yīng)盡量避免靶室中心與靠近靶室內(nèi)壁區(qū)域。

激光靶耦合；電磁脈沖；回波振蕩；屏蔽測量

基于慣性約束聚變（ICF）的強激光靶耦合過程中產(chǎn)生大量的電磁脈沖[1-3]。這些寬頻電磁脈沖（幾十 MHz～5GHz）不僅對實驗數(shù)據(jù)的采集造成電磁干擾，而且嚴(yán)重時甚至損壞診斷設(shè)備[4]。準(zhǔn)確測量電磁脈沖信號為慣性約束聚變實驗中診斷設(shè)備的電磁屏蔽設(shè)計提供重要依據(jù)。然而，電磁脈沖的物理機制非常復(fù)雜。研究人員致力于從根本上剖析電磁脈沖產(chǎn)生機制，并在此基礎(chǔ)上實行合理電磁脈沖屏蔽與應(yīng)用。

高能量激光與靶相互作用過程中會激發(fā)大量逃逸電子[5]，并且衍生出更多值得我們深入探索的二次反應(yīng)[6]：等離子體出射[7-9]、X射線的產(chǎn)生[10-11]等。在這一過程中不斷有電磁輻射被激發(fā)[12]。激光輻照固體靶時，大量熱電子出射，相對而言，靶即帶正電，使得靶被充電[13-14]，如圖 1所示，伴隨電子出射，產(chǎn)生大量電磁脈沖。而出射的電子于靶室內(nèi)形成回流。靶周圍形成的準(zhǔn)靜態(tài)磁場，阻礙電子進(jìn)一步出射，能量較低的電子滯留在靶周圍，能量高的電子逃逸成功。不同能量的電子出射激發(fā)不同頻率電磁脈沖，進(jìn)而激光打靶過程中伴隨電子的出射與回流，會產(chǎn)生高強度、寬頻域（幾十MHz～5GHz）的電磁脈沖[15]。

圖1 激光打靶激發(fā)電磁脈沖示意圖

法國Poyé,A等人建立偶極子模型[6]，用于分析激光打靶誘發(fā)電磁脈沖的物理過程。將靶與靶支架近似看作兩極，如圖2所示，以接地面作為鏡像，將金屬表面的等離子體作為天線，天線中的回路電流將產(chǎn)生偶極輻射，對外進(jìn)行電磁輻射。

下面從理論和實驗兩方面對電磁脈沖的產(chǎn)生機理和輻射特性開展研究。采用脈沖天線測量電磁脈沖信號，以獲取靶室內(nèi)電磁脈沖輻射特性與強激光能量以及靶型的變化關(guān)系，同時明確脈沖信號的時域特性和空間分布，為深入理解脈沖形成機制和激光等離子體相互作用的物理過程提供重要實驗依據(jù)，也為后期針對靶室內(nèi)各種診斷設(shè)備進(jìn)行有效電磁兼容設(shè)計提供數(shù)據(jù)及理論依據(jù)。

圖2 靶表面等離子體及偶極輻射模型

1 神光Ⅱ裝置電磁脈沖診斷

1.1 不同靶型電磁脈沖診斷

為探知靶對激發(fā)出的電磁脈沖產(chǎn)生的影響，在神光Ⅱ大型激光裝置[16]內(nèi)測量了激光轟擊不同的靶，包括磁化球腔靶、磁化黑腔靶、金平面靶、半腔靶產(chǎn)生的電磁輻射。在同一診斷設(shè)備下，打靶信息見表 1。北四路激光束同時打靶，選用同型號磁脈沖天線（B-dot）對電磁脈沖信號進(jìn)行采集。在同一發(fā)次下，分別將天線放置于距離靶室中心 50mm（或100mm）及500mm處，測量相應(yīng)區(qū)域的電磁脈沖信號。

表1 不同發(fā)次的打靶信息

示波器采集到的電壓時域分布如圖3所示。圖3所示各發(fā)次與表 1中參數(shù)一一對應(yīng)。對比發(fā)現(xiàn)，對于平面靶、半腔靶較磁化黑腔靶和磁化球腔靶而言，在相同打靶條件下電磁脈沖強度提升了約一個量級。同時，對比同一發(fā)數(shù)據(jù)下距TCC 50mm處與距 TCC 500mm處電磁脈沖分布，得出結(jié)論，即在靶室內(nèi)，距離靶室壁越近，脈沖持續(xù)時間越長。

在激光打靶這一過程中，電子出射及回流將激勵電磁脈沖的產(chǎn)生。對于磁化黑腔靶和磁化球腔靶兩種具有對稱結(jié)構(gòu)性的靶來說，不同方向的磁場能夠相互抵消一部分，使得傳播出的磁場大大降低。但是對于平面靶而言，靶前方與靶背的磁場沒那么容易被抵消，因而天線檢測到的EMP信號往往比其他靶型大很多。

圖3 不同靶型電磁脈沖分布圖

1.2 不同距離電磁脈沖診斷

針對上海神光Ⅱ裝置上的電磁脈沖測量，為獲取電磁脈沖輻射特性，對靶室內(nèi)距離靶室中心（TCC）不同位置處的EMP信號進(jìn)行采集。該測試于黑腔打靶實驗中進(jìn)行。黑腔（半腔，腔體長500μm，直徑600μm，注入口直徑600μm）南側(cè)中心位于南基準(zhǔn)點，黑腔軸線沿南北方向，北四路激光焦點位于黑腔北側(cè)注入口中心。北四路激光束同時打靶，激光總能量為260*4J。如圖4所示，采用3個同型號磁脈沖天線（B-dot），分別放置在靶室內(nèi)距離靶室中心（TCC）100mm、300mm、500mm處。SMA接頭連接脈沖天線與抗干擾同軸線纜，通過定制法蘭盤，將信號引出至靶室外示波器，記錄電磁脈沖時域電壓分布。并且，為防止脈沖電壓過大，損壞示波器，同軸線纜與示波器之間連接有相應(yīng)衰減器。在后期數(shù)據(jù)處理與分析中，需將測試數(shù)據(jù)擴大相應(yīng)衰減倍數(shù)，方可得正確量級脈沖信號。

圖4 電磁脈沖診斷系統(tǒng)

圖5 靶室內(nèi)不同位置處電磁脈沖電壓時域分布及其放大圖

本文中提出的結(jié)論是基于多次重復(fù)性實驗。列舉出具有代表性的實驗數(shù)據(jù)，診斷結(jié)果如圖5（a）所示，激光打靶激發(fā)的電磁脈沖信號于靶室內(nèi)呈現(xiàn)明顯傳播規(guī)律。于靶室內(nèi)距離靶室中心 100mm、300mm、500mm處采集到的電磁脈沖信號持續(xù)時長分別為 4.5ns、33.5ns、78ns。靶室內(nèi)回波振蕩導(dǎo)致室內(nèi)不同位置處電磁脈沖持續(xù)時長不一。并且距離室壁越近處（距TCC越遠(yuǎn)）受到回波振蕩的作用越強，電磁脈沖持續(xù)就越長。觀察脈沖幅值，距離靶點最近處（TCC 100mm）峰值達(dá)80V，處于靶室中心位置處（TCC 300mm）峰值為65V，而距離靶室中心最遠(yuǎn)，距靶室內(nèi)壁最近點（TCC 500mm）峰值可達(dá)100V。靶室內(nèi)，隨著距離增大，脈沖幅值先減小，后增大。在靠近靶室中心區(qū)域內(nèi)，隨著距離增大，電磁脈沖減弱，到后來越偏離靶室中心，靠近靶室內(nèi)部區(qū)域，信號雖有所衰減，但因處于靶室內(nèi)，室內(nèi)的回波也是信號主要源項，反而增大了脈沖幅值。

將圖5（a）放大后得到圖5（b）。因與電磁脈沖發(fā)射源頭之間的距離差，遠(yuǎn)點信號到達(dá)較近點存在時間上的相對滯后。分析發(fā)現(xiàn)：TCC 100較TCC 300提前約1ns，TCC 300較TCC 500提前約1.5ns，且都提前一個明顯波峰。表明在激光打靶初始階段，電磁脈沖信號主要源自激光與靶耦合的自身輻射，距離靶室中心越近處，越先感應(yīng)到輻射信號。隨著電磁輻射推進(jìn)，脈沖于靶室內(nèi)形成回波，直至近點處電磁脈沖信號衰減至 0，靠近靶室內(nèi)壁的信號仍持續(xù)。

2 回波振蕩論證測試

采用泰克矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接超頻段微帶天線作為穩(wěn)定發(fā)射源，固定在三腳架上，置于靶室中心，輻射功率1W，特性阻抗50Ω，開蓋位于北偏西30°直徑 15cm的法蘭口，用于引入同軸線纜。于靶室內(nèi)，將同款超頻段微帶天線分別安放在距離發(fā)射源27cm與55cm處，實驗結(jié)果如圖6（a）所示，灰色數(shù)據(jù)為距發(fā)射源近點處信號，黑色數(shù)據(jù)則代表距發(fā)射源遠(yuǎn)點處信號。對比得出靶室內(nèi)，距離發(fā)射源較遠(yuǎn)的天線接收到的信號更強。

設(shè)計對比論證實驗，將發(fā)射天線與接收天線置于靶室外無腔體環(huán)境中，同款超頻段微帶天線分別安放在距離發(fā)射源27cm與55cm處。結(jié)果如圖6（b）所示，對比可得在靶室外，脫離靶室腔體大環(huán)境，距離發(fā)射源近點處接收到的信號更大。在靶室外環(huán)境中，電磁脈沖于空氣中的傳播損耗導(dǎo)致距離發(fā)射源越遠(yuǎn)處，接收到的信號越弱。同樣的在非真空環(huán)境下，靶室內(nèi)的回波振蕩大大增強了靠近室壁處的電磁脈沖信號。

圖6 靶室內(nèi)外不同位置處電磁脈沖分布

3 回波振蕩屏蔽測試

靶室內(nèi)回波振蕩增強了電磁脈沖強度并延長了電磁脈沖持續(xù)時長。尤其對于靠近靶室內(nèi)壁區(qū)域，回波振蕩的影響尤為嚴(yán)重。為對靶室內(nèi)重要診斷設(shè)備進(jìn)行合理電磁屏蔽，設(shè)計針對性實驗，測量回波振蕩于電磁脈沖信號中所占份額。

同樣，采用泰克矢量網(wǎng)絡(luò)分析儀連接超頻段微帶天線作為穩(wěn)定發(fā)射源，置于靶室中心。同款超頻段微帶天線置于西下角45°，直徑33cm法蘭處，作為接收天線。如圖7所示，圖7（a）為測量靶室內(nèi)正常電磁脈沖信號示意圖，發(fā)次#1。為對比激光靶耦合激發(fā)與回波振蕩產(chǎn)生的電磁脈沖信號，采用錐形吸波材料替換西下角45°上放置超頻段微帶天線的法蘭，濾除該處回波振蕩信號，診斷剩余電磁脈沖信號。實驗示意圖如圖7（b）所示，發(fā)次#2。

診斷結(jié)果如圖8所示，可以看出，采用錐形吸波材料替換原本法蘭盤后，信號成功衰減一倍，衰減的信號即為吸波材料吸收的回波振蕩產(chǎn)生的電磁脈沖信號。由此也進(jìn)一步論證了回波振蕩的存在。本次測試僅屏蔽了接收天線所在法蘭，信號衰減已達(dá)一倍，若將整個靶室內(nèi)壁進(jìn)行合理屏蔽，將大大減少靶室內(nèi)來回振蕩的電磁脈沖信號。

圖7 靶室內(nèi)回波振蕩信號診斷示意圖

圖8 屏蔽回波振蕩前后信號對比圖

4 結(jié)論

于神光Ⅱ大型激光裝置上對比測量了相同打靶條件下不同靶型激發(fā)的電磁脈沖信號分布，得出結(jié)論：平面靶、半腔靶較磁化黑腔靶、磁化球腔靶的電磁脈沖強度提升了約一個量級。由于靶室內(nèi)回波振蕩的作用，致使靶室內(nèi)，隨著遠(yuǎn)離靶室中心，脈沖幅值先減小，后增大。且隨著距離增大，越靠近靶室內(nèi)壁區(qū)域受到回波振蕩的影響越大，進(jìn)而導(dǎo)致電磁脈沖持續(xù)時長增大。后期慣性約束聚變實驗中需盡量避免診斷設(shè)備安放于靠近靶室內(nèi)壁區(qū)域，且需對靶室內(nèi)的回波振蕩采取相應(yīng)屏蔽措施。激光靶耦合過程中產(chǎn)生的電磁脈沖診斷與分析，是針對各種診斷設(shè)備提出合理可行的電磁兼容的具體措施，也為點火物理實驗診斷設(shè)備的研制提供了設(shè)計依據(jù)。

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Measurement and Analysis of EMP Generated from the Interaction between Laser and Target

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)

Electromagnetic pulse (EMP) radiating from the interaction when ultra-intense laser irradiated the target was captured by pulse antennas.This paper listed EMP signals from the interactions of nanosecond laser with several targets at the same condition to compare and figure out the effect of target type.Conclusion came out that symmetric targets contributed to the counteraction of electromagnetic interference inside the target chamber.In addition,distance from target chamber center (TCC) was taken into consideration to figure out the transmission regular of the EMP.Along with the increase of distance from TCC,the EMP amplitude decreased first,and then increased,due to the effect of backward-wave oscillation inside target chamber.Also,area closing to the chamber wall sustained more from backward-wave oscillation,resulting in the longer EMP duration.The backward-wave oscillation was demonstrated to occupy a large proportion of the EMP signal inside chamber by argumentation test and shielding experiment.Diagnostic equipment should not be installed in the area near to target chamber center or interior wall.

interaction between laser and target; electromagnetic pulse (EMP); backward-wave oscillation; shield measurement

中央高?；究蒲谢穑╖YGX2015J108）

國家自然科學(xué)基金（11575166，51581140）