單端驅動銀球腔的激光能量耦合和分配

余波 尹傳盛 孫傳奎 侯立飛 宋天明 杜華冰 關贊洋 張文海 袁錚 李朝光 董云松 蔣煒 黃天晅 蒲昱東 晏驥 陳忠靖 楊家敏 江少恩

1) (中國工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽 621900)

2) (中國科學技術大學近代物理系,合肥 230026)

將高功率激光注入單孔球形銀黑腔,產生的高溫輻射源能夠驅動超聲速沖擊波,在實驗室模擬各種天體物理現象.利用神光Ⅲ原型裝置上四路3.2 kJ激光,聚焦注入Φ 800 μm、注入口Φ 650 μm的球形銀腔,可以產生峰值溫度為240 eV的高溫輻射源,驅動剩余球殼在氣體區產生超聲速沖擊波.實驗結果顯示,銀腔的激光-X光轉換效率為0.68,銀反照率為0.83.散射光份額約為15%,超熱電子份額小于1%,從注入口漏失的輻射流約占總能量的30%,從厚度5.6 μm的Ag和10 μm的CH球殼漏失的輻射流約占總能量的9%,約45%的能量轉換為剩余球殼的動能和內能.黑腔等離子體約在950 ps開始聚心,基本不會影響1 ns脈寬激光注入.在神光Ⅲ原型裝置開展的銀球腔激光能量耦合和分配實驗,為后續超聲速沖擊波實驗奠定了基礎.

1 引 言

在超新星坍塌、天體射流等各種天體物理現象中,都伴隨有超聲速沖擊波[1,2],其蘊含的許多信息,能夠反映天體現象演化過程和物理性質.高功率激光可以瞬間將物質加熱至高能量密度狀態,在實驗室產生超聲速沖擊波[1,3].在沖擊波產生過程增加初始擾動,可以研究沖擊波驅動的密度坍塌[4]、第二沖擊波形成[5]、磁場增強效應[6]等.利用柱形沖擊波可以研究沖擊波軌跡與狀態方程或相關輻射的關聯效應[7-9].利用球形Taylor-Sedov沖擊波可以研究流體不穩定性現象[10,11].

非穩態球形沖擊波是超新星的典型特征,在恒星形成中起重要作用.目前激光產生球形沖擊波有兩種方式：一種是激光直接輻照桿或薄箔[10-12],燒蝕產生的熱等離子體在周圍低密度冷氣體(如氮氣、氙氣等)爆炸,產生球形沖擊波；另一種是激光注入球形黑腔形成高溫輻射場,燒蝕并驅動剩余球殼在低密度氣體區產生球形沖擊波[13].第一種方式激光需要長距離地穿過低密度氣體區,激光散射限制了激光功率密度.第二種方式的低密度氣體區在球形黑腔外,干凈的激光傳輸通道使得激光功率密度基本不受限,但由于黑腔的注入口(laser entrance holes,LEH)尺寸影響激光注入,需要通過折衷黑腔和LEH尺寸,平衡激光注入效率和黑腔輻射溫度.

作為激光驅動球形沖擊波實驗研究基礎,本文介紹了國內首次在神光Ⅲ原型裝置[14]開展的銀球腔激光能量耦合和分配實驗.首先介紹銀球腔實驗的激光和靶物理設計,以及診斷安排；然后介紹單注入孔銀球腔實驗的散射光、輻射流、超熱電子、等離子體聚心過程等測量結果,分析激光能量耦合效率和分配情況；最后給出實驗小結.

2 實驗概況

為了利于球形沖擊波產生,需要黑腔輻射溫度盡量高,且腔壁盡量薄,而后續實驗的充氣需求還要黑腔自支撐性能盡量好.因此,黑腔采用相同體積下腔壁面積最小、且自支撐性能最好的球形,而腔壁材料采用密度低、硬度較好、激光-X射線轉換效率較高的銀.

實驗利用神光Ⅲ原型裝置[14]上四路激光開展.四路激光排列為一環,入射角為45°.單束激光的能量可達800 J,脈寬為1 ns.由于實驗需要黑腔輻射溫度盡量高,所以球腔半徑和LEH尺寸需要盡量小.神光Ⅲ原型在不使用連續相位板(continuous phase plate,CPP)進行束勻滑時,可通過聚焦將激光焦斑控制在約Φ 200 μm.考慮激光瞄準誤差和靶定位誤差,Φ 650 μm的激光注入孔能確保激光高效注入.

銀球腔直徑設計為800 μm,銀球殼厚度約6 μm,銀球殼外面濺射10 μm的CH作為支撐層.錐型LEH張角110°,避免激光注入過程掛邊.銀球腔采用有機芯軸電鍍方式制備[15],先通過金剛石車床加工有機芯軸,再電鍍銀制備球形腔殼,然后濺射CH支撐層,最后腐蝕溶解芯軸.與常規的Al芯軸[15]相比,有機材料熱容低,芯軸腐蝕過程發熱小,熱脹冷縮小,避免球殼的變形和龜裂；Al芯軸不易腐蝕溶解干凈,容易出現殘留雜質.

實驗和診斷排布如圖1所示.使用針孔相機[16](pinhole camera,PHC)監測激光注入,使用背向散射測量系統[17]測量散射激光份額,使用平響應X射線二極管[18](flat-response X-ray detector,FXRD)測量黑腔輻射溫度,使用軟X射線能譜儀[19](soft X-ray spectrometer,SXS)測量黑腔輻射場能譜,使用透射光柵譜儀[20](transmission grating spectrometer,TGS)測量黑腔漏失X射線能譜,使用濾波熒光譜儀[21](filter fluorescence spectrometer,FF)測量黑腔超熱電子份額,使用X光分幅相機[22](X-ray framing camera,XFC)測量黑腔等離子體聚心過程.

圖1 實驗和診斷排布Fig.1.Arranging for experiment and diagnosis.

3 實驗結果與分析

銀球腔的激光能量耦合和分配實驗于2018年9月和2019年1月在神光Ⅲ原型裝置[14]各打靶兩發,所用激光和靶參數一致.電鍍方式制備的銀腔直徑為(800±8) μm,LEH直徑為(650±6) μm,銀殼厚度為(5.6±0.1) μm,CH厚度為(10±0.9) μm.

3.1 散射光份額

激光在注入黑腔到達腔壁的過程中,會與腔內低密度等離子體相互作用,激發各種有害的激光等離子體不穩定性(laser plasma instability,LPI),散射入射激光.LPI對激光的等離子條件非常敏感,散射光份額隨激光功率密度增大而增大.實驗使用無CPP聚焦注入,由于激光束的光程長、光學元件多,入射在靶點的激光波陣面遠遠偏離理想結構,焦斑光強的不均勻空間分布嚴重影響激光注入效率,降低黑腔輻射溫度.

實驗使用神光III原型裝置的背向散射光診斷系統[17]對散射光份額進行測量,包括全口徑背向散射和近背向散射診斷系統.全口徑背向散射測量系統利用終端光學組件對靶散射激光進行收集、色散、濾波、縮束和測量.近背向散射診斷系統利用安裝在靶室內的吸收盤對診斷光學組件附近的散射光進行收集、成像、色散和測量.

實驗輸出的激光總能量為3.2—3.5 kJ,散射光份額測量結果如圖2所示,其中,YX201809為2018年9月兩發測量結果,YX201901為2019年1月兩發測量結果.散射光份額隨著激光能量增加而增加,平均散射份額為15%.散射光均以全口徑背反散射份額為主,近背向散射份額約占2%；均以受激布里淵散射為主,受激拉曼散射約占1%.實驗測量的散射光份額低于原型真空柱腔實驗[23].八束激光無CPP注入時,腔內等離子體環境更復雜,散射光總能量份額達20%—45%.使用CPP能夠減小激光焦斑中較高功率密度的能量份額,抑制LPI.

圖2 散射光份額測量結果Fig.2.Measurement results of scattering laser.

3.2 輻射溫度

未散射激光在黑腔壁沉積能量產生等離子體,并以電子熱傳導的方式向臨界面內的等離子體傳輸.腔壁沉積的大部分能量轉換為X光,再發射至黑腔,最后經過多次吸收和再發射,在黑腔內形成空間均勻、能譜接近Planck譜的高溫輻射源.通過測量黑腔LEH漏失的X射線輻射流,可以推導給出輻射源的溫度.

X射線輻射流由FXRD和SXS測量.FXRD[18]由組合濾片、X光二極管、快響應電纜和寬帶數字示波器組成,實驗前在同步輻射進行精密標定.將黑腔作為黑體輻射,根據斯提芬-玻爾茲曼定律(斯提芬-玻爾茲曼常數σ= 1.0285×105W/(cm2·eV4)),由實驗測量的輻射流(J)可得輻射溫度(Tr).實驗在激光注入半球(上半球)的四個角度安裝了FXRD,測得的典型輻射溫度如圖3(a)所示.1 ns激光能量停止后,輻射溫度到達最高的240 eV.FXRD安裝角度越小,輻射溫度越高.

輻射溫度隨探測器角度的變化如圖3(b)所示,圖中的激光能量為扣除散射光之后的能量.不同角度FXRD測量的輻射溫度偏差小于5%,并隨探測器角度增大而減小,主要原因是FXRD安裝角度越小,LEH和錐面的遮擋越少,測量的輻射流越強.

圖3 輻射溫度測量結果(a)及隨角度變化規律(b)Fig.3.Measurement results (a) and angular dependence (b)of radiation temperature.

激光在黑腔腔壁沉積能量轉換為X光,轉換過程滿足能量平衡關系[24],即

其中ηce為X射線轉換效率,Elaser為激光能量,EW為腔壁漏失能量,ELEH為LEH漏失能量.根據斯提芬-玻爾茲曼定律,漏失能量由漏失面積、漏其中Aw為腔壁內表面積,ALEH為黑腔開口面積,α為腔壁材料的X射線反照率.由此可以推導黑腔輻射溫度主要依賴于激光功率(PL),X射線轉換效率和黑腔漏失面積,即

當輻射溫度、激光功率和腔尺寸已知時,可擬合得到X射線轉換效率和Ag反照率,如圖4所示.使用的擬合數據包括2012年NIF[25]實驗結果(NIF2012)和2019年原型實驗30° FXRD測量結果(YX201901).2011年NIF實驗(NIF2011)采失功率和激光脈寬決定,即用Al芯軸制備[25],相同條件的兩發實驗,輻射溫度差異較大；而為了對比研究注入效率,2018年原型實驗(YX201809)的N2路激光保留了Φ 500 μm的CPP,激光注入時有掛邊,輻射溫度偏低.從圖4的擬合結果可知,單孔球形銀黑腔的激光-X射線轉換效率為0.68,銀的反照率為0.83.實驗結果與原型無CPP注入真空黑腔約70%[23]的能量耦合效率一致.

圖4 輻射溫度擬合結果Fig.4.Fitting results of radiation temperature.

3.3 漏失輻射流

激光能量除了部分以X射線形式從LEH漏失外,還有較大部分X射線直接穿透薄腔壁漏失.因而,實驗在赤道和下半球安裝了FXRD,測量腔壁漏失激光份額,測量結果如圖5所示.圖5同時給出了上半球23.7°和30°、赤道和下半球56°的FXRD測量的輻射流.測量結果顯示,上半球兩支FXRD測量結果一致,而赤道和下半球FXRD測量結果有較大差異.腔壁漏失輻射流強度約為LEH漏失輻射流強度的百分之一.激光注入階段,赤道FXRD(E90)測量輻射流略強于下半球FXRD測量輻射流(D56),主要原因是從LEH噴射的等離子體在赤道FXRD視場內；2 ns后,下半球FXRD測量的輻射流比赤道FXRD測量的輻射流強,主要原因是是激光從上半球注入,球腔向下破碎,下半球FXRD能觀測到更多的熱等離子體.

對LEH和球殼漏失輻射流進行時間積分,可得單位立體角漏失輻射流強度,球殼漏失約為LEH漏失的1/15.再對空間積分,即得從LEH和球殼的漏失總能量.圖5的實驗結果表明,約30%的能量從LEH漏失,約9%的能量從球殼漏失.

圖5 LEH和球殼漏失輻射流比較Fig.5.Loss radiation flux of LEH and shell.

3.4 X射線能譜

漏失X射線在周圍冷氣體沉積能量,預熱冷氣體.X射線越軟,越容易被氣體吸收.實驗使用SXS和TGS對腔內和腔壁漏失的X射線能譜進行測量.SXS[19]采用X光濾片、掠入射X光反射鏡和X光二極管探測陣列,通過不同材料濾片的低能截止和反射鏡的高能截止將X光能譜分割為多個能區測量,由多個能區強度給出整個能譜,能譜測量精度由SXS的道數決定.因此,SXS既可進行時間積分的軟X光譜絕對強度測量,給出輻射溫度,又可進行時間分辨的軟X光譜絕對強度測量,給出軟X光能譜.

SXS從LEH測量的輻射溫度如圖3(b)所示,相同23.7°的FXRD和SXS輻射溫度測量結果一致,偏差小于2%.SXS從LEH測量的輻射流積分譜如圖6所示,以小于1 keV的M殼層和3—4 keV的L殼層發射[26]為主.

TGS[20]由光欄、透射光柵和CCD組成,安裝在靶室赤道.X射線經過光欄狹縫入射至光柵,以零級為中心,波長由小到大向兩邊色散,再由CCD記錄.透射光柵的譜分辨主要由光柵線寬決定,理論的譜分辨遠高于SXS.圖6同時給出赤道TGS測量的從球殼漏失輻射流的積分譜,同樣以低能X射線為主,也包含3—4 keV的L殼層發射.

圖6 LEH和球殼漏失X射線能譜比較Fig.6.Radiation spectrum of LEH and shell.

3.5 超熱電子份額

入射激光與通道內等離子體作用,受激拉曼散射激發的電子等離子體波通過朗道阻尼產生超熱電子.運動的超熱電子與靶作用,由于韌致輻射過程,產生滿足麥克斯韋分布的硬X光.高能X射線穿透能力很強,可輕易穿透黑腔,漏失能量.

實驗使用FF譜儀[21]測量韌致輻射產生的硬X光譜,間接得到超熱電子溫度和漏失能量.FF譜儀的原理類似于SXS[19],由多道前濾片、熒光片、后濾片、X射線探測器組成.硬X射線經過前置濾片的吸收截止,入射并經過熒光片的發射截止,將X射線分隔為窄能帶,再由精確標定的X射線探測器記錄信號強度,合并絕對給出硬X射線譜強度,最后推導出超熱電子溫度和能量.

圖7是實驗測量的超熱電子份額(超熱電子能量/激光能量),超熱電子份額低于1%,略高于NIF的超熱電子份額[25].其原因是神光Ⅲ原型實驗采用激光聚焦注入,聚焦后的激光焦斑為Φ 200 μm,功率密度比NIF高,超熱電子份額相應高.

圖7 超熱電子份額Fig.7.The fraction of hot electron.

3.6 等離子體聚心過程

注入激光在腔壁沉積能量,產生的等離子體向腔中心運動,逐漸填充激光傳輸通道,甚至整個黑腔.激光與通道內的低密度等離子體作用,是LPI的主要來源,會增大激光散射,不利于隨后的激光注入.為了研究銀球腔內的等離子體聚心過程,判斷激光注入情況,實驗在上極點安裝了XFC.

XFC[22]由針孔陣列、微通道板(microchannel plate,MCP)、熒光屏和電荷耦合器件(charge coupled device,CCD)等組成.靶區圖像經針孔成像至MCP輸入面的微帶,高壓選通脈沖沿微帶方向傳輸,脈沖掃過的微帶區被激活,光電子被倍增放大,并在熒光屏轉換為可見光,最后被CCD記錄.

圖8 冕區等離子體聚心圖像 (a) 550 ps；(b) 781 ps；(c) 893 ps；(d) 949 ps；(e) 1124 ps；(f) 1236 psFig.8.X-ray imaging of coronal plasma expansion：(a) 550 ps；(b) 781 ps；(c) 893 ps；(d) 949 ps；(e) 1124 ps；(f) 1236 ps.

圖8是XFC測量的腔內等離子體典型匯聚過程,等離子體在949 ps左右開始聚心,表明實驗使用的1 ns激光基本能夠有效注入.

4 結 論

高功率激光可以瞬間將物質加熱至高能量密度狀態,在實驗室產生超聲速沖擊波,用于研究超新星坍塌、天體射流等各種天體物理現象.利用神光Ⅲ原型裝置上四路3.2 kJ激光,聚焦注入Φ 800 μm,LEH Φ 650 μm的球形銀腔,可以產生輻射溫度為240 eV的高溫輻射源,驅動剩余球殼在氣體區產生超聲速沖擊波.激光能量耦合和分配實驗結果顯示,銀腔激光-X光的轉換效率為0.68,銀反照率為0.83.散射光占注入激光的15%,超熱電子份額小于1%,從LEH漏失的輻射流約占總能量的30%,從厚度5.6 μm的Ag和10 μm的CH球殼漏失的輻射流約占總能量的9%,約45%的能量轉換為剩余球殼的動能和內能,因而有超過50%的激光能量用于驅動產生超聲速沖擊波.黑腔等離子體約在950 ps開始聚心,基本不會影響脈寬1 ns激光注入.首次在神光Ⅲ原型裝置開展的球形銀腔激光能量耦合和分配實驗,為后續激光驅動沖擊波實驗奠定了基礎.