新型金M帶平響應(yīng)探測器功能驗(yàn)證,光學(xué)論文

新型金M帶平響應(yīng)探測器功能驗(yàn)證,光學(xué)論文在激光間接驅(qū)動(dòng)慣性約束聚變〔ＩＣＦ〕研究中，金是當(dāng)前最常用的腔壁材料，因而金Ｍ帶輻射〔光子能量１．６～４．５ｋｅＶ〕的相關(guān)物理問題是ＩＣＦ中重要的研究內(nèi)容。而激光與金腔壁作用中產(chǎn)生的Ｍ帶輻射會(huì)預(yù)熱靶丸燃料，最終降低內(nèi)爆經(jīng)過中的流體力學(xué)效率，因而，抑制金Ｍ帶輻射預(yù)熱靶丸，一直是ＩＣＦ研究的重點(diǎn)。由于金Ｍ帶輻射功率在激光打靶經(jīng)過中變化較大，為到達(dá)最佳的內(nèi)爆燒蝕和壓縮效率，通常燒蝕層中會(huì)分層摻雜不同濃度的中Ｚ材料，這就需要較精到準(zhǔn)確的金Ｍ帶輻射份額及其時(shí)間行為數(shù)據(jù)。在激光與金材料作用中產(chǎn)生的Ｍ帶輻射受電子熱傳導(dǎo)、材料不透明度和狀態(tài)方程等多種因素影響，當(dāng)前還很難建立準(zhǔn)確的數(shù)值模擬，這就需要通過實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)來獲得準(zhǔn)確的Ｍ帶輻射特性，并完善點(diǎn)火靶設(shè)計(jì)及理論模擬。當(dāng)前金Ｍ帶輻射的實(shí)驗(yàn)測量主要采用軟Ｘ光能譜儀〔Ｄａｎｔｅ〕，軟Ｘ光能譜儀能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)金Ｍ帶的時(shí)間分辨測量，但是在金Ｍ帶能區(qū)譜響應(yīng)較差，較難定量測量，而且軟Ｘ光能譜儀構(gòu)造復(fù)雜，只能獲得一至兩個(gè)觀測角度的實(shí)驗(yàn)結(jié)果，難以在靶室上多點(diǎn)排布，而金Ｍ帶輻射主要來自于激光焦斑，因而較難定量復(fù)原整個(gè)黑腔內(nèi)部的金Ｍ帶輻射特性。針對(duì)當(dāng)前的實(shí)驗(yàn)情況，課題組研發(fā)了一種新型的金Ｍ帶平響應(yīng)探測器。這種探測器具備譜響應(yīng)特性好、較高的時(shí)間分辨、體積較小便于安裝等特點(diǎn)，能夠在同一次金Ｍ帶測量中獲取多個(gè)角度的數(shù)據(jù)。其主要?jiǎng)?chuàng)新點(diǎn)是設(shè)計(jì)了一種特殊的復(fù)合濾片，這種濾片與通用的Ａｌ陰極ＸＲＤ探測器結(jié)合后實(shí)現(xiàn)了１．６～４．４ｋｅＶ之間的帶通平響應(yīng)特性；同時(shí)特殊的微孔陣列構(gòu)造也知足了在北京同步輻射光源上進(jìn)行精致細(xì)密標(biāo)定的要求。利用這種新型探測器與高速示波器等探測設(shè)備組成的測量系統(tǒng)在ＩＣＦ實(shí)驗(yàn)中獲得了腔外金Ｍ帶的能量份額、時(shí)間行為及其空間角分布，為優(yōu)化設(shè)計(jì)靶丸和了解腔內(nèi)等離子體填充特性等提供了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。１金Ｍ帶診斷技術(shù)原理在過去的實(shí)驗(yàn)中金Ｍ帶測量通常采用Ａｌ陰極ＸＲＤ加１５ｍ的Ｂｅ濾片和４ｍ的Ｔｉ濾片測量，圖１給出了組合濾片加ＸＲＤ探測器整體響應(yīng)曲線，能夠看出組合濾片加ＸＲＤ探測器抑制了２ｋｅＶ下面和５ｋｅＶ以上的Ｘ射線，但整個(gè)金Ｍ帶能量響應(yīng)平整度較差，較難實(shí)現(xiàn)準(zhǔn)確的定量測量。為了改善金Ｍ帶的帶通能區(qū)平響應(yīng)特性，我們重新考慮了探測器的配置。首先，由于實(shí)際黑腔輻射譜大部分能量集中在低能部分，而Ａｌ材料吸收邊在１．６ｋｅＶ附近，因而選用Ａｌ陰極ＸＲＤ能夠抑制低能區(qū)的影響。其次，為了配合Ａｌ陰極ＸＲＤ的響應(yīng)曲線，使整個(gè)探測器的靈敏度為平響應(yīng)，我們采用了多種材料或材料組合進(jìn)行了大量計(jì)算，最后采用了復(fù)合濾片的方式，即采用３．９ｍ的Ｓｃ濾片和７２０ｎｍ的Ｂ濾片一起作為前濾片，用３４ｍ厚的帶針孔陣列的Ｓｃ濾片作為后濾片，針孔陣列空占比為１８％，針孔直徑９５ｍ，孔間距２００ｍ。使用Ｓｃ濾片是由于其在４．５ｋｅＶ附近有吸收邊，能夠作為帶通響應(yīng)曲線的下降邊，而采用微針孔陣列的優(yōu)點(diǎn)是能夠在空間并不均勻的光源下進(jìn)行絕對(duì)標(biāo)定。圖２給出了經(jīng)北京同步輻射光源絕對(duì)標(biāo)定獲得的特殊復(fù)合濾片與Ａｌ陰極ＸＲＤ配合的整體響應(yīng)曲線，其平響應(yīng)較好的能量區(qū)間為１．６～４．５ｋｅＶ。２實(shí)驗(yàn)條件和布局腔靶構(gòu)造和探測器排布示意圖如此圖３所示，腔靶位于真空靶室，實(shí)際的腔靶幾何尺寸很小，示意圖中腔靶尺寸人為放大。腔靶注入口為南北朝向，八路激光對(duì)稱均勻入射。在黑腔物理實(shí)驗(yàn)中主要診斷設(shè)備有：一臺(tái)時(shí)空分辨可見光譜儀〔ＳＯＰ〕測量臺(tái)階樣品背側(cè)可見光信號(hào)的時(shí)空分辨圖像，給出沖擊波傳播速率；三臺(tái)軟Ｘ光能譜儀〔ＳＸＳ〕測量腔內(nèi)時(shí)間分辨Ｘ光譜、腔內(nèi)輻射溫度；八支新型金Ｍ帶帶通平響應(yīng)ＸＲＤ測量金Ｍ帶時(shí)間演化行為、角分布和能量份額；八支新型平響應(yīng)ＸＲＤ〔ＰＸＲＤ〕測量輻射流角分布。經(jīng)過優(yōu)化不同復(fù)合濾片與不同Ａｌ陰極ＸＲＤ探測器組合得到的配置參數(shù)見表１所示。表中偏離平整度〔ｒｅｌａｔｉｖｅｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｒｒｏｒ〕定義為在相關(guān)能區(qū)譜響應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)方差與平均值之比值。我們在實(shí)驗(yàn)中在靶室上布置了八個(gè)金Ｍ帶帶通平響應(yīng)探測器測量腔外的金Ｍ帶能量份額及其空間角分布，它們的位置分別為：北緯２５在東經(jīng)２２．５，北緯１５在西經(jīng)９０，北緯６５、５５、４５、３５、２５、１５在西經(jīng)０。３金Ｍ帶診斷結(jié)果與分析圖４給出了靶室上不同位置的探測器觀察標(biāo)準(zhǔn)腔靶的三維視圖。能夠看到，若不考慮腔內(nèi)激光焦斑的移動(dòng)和膨脹，離焦注入時(shí)各個(gè)角度只能看到很小的激光彈著點(diǎn)，或完全看不到；聚焦時(shí)則完全看不到激光彈著點(diǎn)。從左至右分別為西經(jīng)０度線上與軸線夾角為６５，５５，４５，３５，２５，１５時(shí)的視角。圖５和圖６分別給出了大腔和輸運(yùn)〔Ｒ－Ｔ〕腔不同方向金Ｍ帶發(fā)射功率時(shí)間曲線和金Ｍ帶強(qiáng)度角分布。大腔柱端直徑１ｍｍ，長２．１ｍｍ，激光注入孔〔ＬＥＨ〕０．６ｍｍ，實(shí)驗(yàn)中入射激光總能量１．７２ｋＪ，脈寬１ｎｓ；輸運(yùn)腔尺寸１．０ｍｍ１．７ｍｍ，ＬＥＨ為０．５ｍｍ，入射激光總能量２．２７ｋＪ，脈寬２ｎｓ。圖中零時(shí)刻為激光注入時(shí)刻〔時(shí)間已經(jīng)根據(jù)短脈沖激光打靶定標(biāo)〕。金Ｍ帶帶通平響應(yīng)探測器測量的信號(hào)主要是激光焦斑或等離子體聚心后進(jìn)入探測器視場的Ｍ帶Ｘ射線。因而角度較大的探測器測量的是接近ＬＥＨ處腔壁等離子體聚心后所發(fā)射的Ｘ射線，離激光焦斑較遠(yuǎn)，其腔壁的離化緣自焦斑處的熱傳導(dǎo)，等離子體溫度較低，而且隨著角度增加，透過ＬＥＨ的視場減小，所以金Ｍ帶Ｘ光較弱，即探測器角度越大其測量值越小。相反，隨著角度減小，探測器視場中測量的是焦斑及附近區(qū)域的等離子體聚心運(yùn)動(dòng)發(fā)光，其溫度更高層次，并且同時(shí)探測器視場范圍較大，所以探測器與腔軸夾角越小金Ｍ帶測量值越大。從圖６能夠明顯看出，對(duì)于輸運(yùn)腔在１．７ｎｓ左右，所有探測器測得的金Ｍ帶信號(hào)都開場迅速增大，我們分析在１．７ｎｓ之后腔內(nèi)已經(jīng)出現(xiàn)了Ａｕ等離子體堵腔效應(yīng)，在這之前的金Ｍ帶輻射是探測器通過ＬＥＨ測得的腔內(nèi)壁激光焦斑附近等離子體發(fā)射的Ｘ光。當(dāng)腔內(nèi)充滿等離子體后，即堵腔以后，激光能量沉積區(qū)域移動(dòng)到ＬＥＨ附近，此時(shí)相當(dāng)于四束激光重疊打Ａｕ平面靶，所以激光功率密度迅速升高，激光到金Ｍ帶能量的轉(zhuǎn)換份額也同時(shí)升高。另外，從圖５和圖６中可以以看出存在方位角一樣而測量結(jié)果不同的現(xiàn)象。這是由于實(shí)驗(yàn)中腔靶每端只要四路激光注入，無法在環(huán)繞腔軸的方向上到達(dá)均勻分布，四路激光入射條件稍有不平衡，便會(huì)影響到測量結(jié)果。而方位角同為２５，在東經(jīng)２２．５探測器的測量值要比在西經(jīng)０的大得多，還與視場有關(guān)，前者比后者愈加接近經(jīng)度為４５和１３５的激光入射方位，在整個(gè)打靶經(jīng)過中都要比后者看得到更多的激光焦斑，因而在東經(jīng)２２．５的探測器測量的Ｍ帶能量份額要大于在西經(jīng)０的探測器。４結(jié)論通過復(fù)合濾片的優(yōu)化設(shè)計(jì)，與通用Ａｌ陰極ＸＲＤ配合能夠?qū)崿F(xiàn)金Ｍ帶Ｘ光能區(qū)的帶通平響應(yīng)特性，大部分探測器整體偏離平整度小于１０％。利用新型金Ｍ帶帶通平響應(yīng)探測器在神光系列實(shí)驗(yàn)中獲得了腔外金Ｍ帶的能量份額和空間角分布規(guī)律。在針對(duì)大腔和輸運(yùn)腔的金Ｍ帶Ｘ光實(shí)驗(yàn)中，通過對(duì)腔內(nèi)等離子體的運(yùn)動(dòng)和探測器視場的分析，很好地解釋了實(shí)驗(yàn)現(xiàn)象。實(shí)驗(yàn)結(jié)果為靶丸優(yōu)化設(shè)計(jì)和腔內(nèi)等離子體填充特性等相關(guān)物理的進(jìn)一步研究奠定了實(shí)驗(yàn)基礎(chǔ)。以下為參考文獻(xiàn)：［１］ＤｅｗａｌｄＥＬ，ＧｌｅｎｚｅｒＳＨ，ＬａｎｄｅｎＯＬ，ｅｔａｌ．Ｆｉｒｓｔｌａｓｅｒ－ｐｌａｓｍａｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｎｄｈｏｈｌｒａｕｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＩｇｎｉｔｉｏｎＦａｃｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＰｌａｓｍａＰｈｙｓＣｏｎｔｒｏｌＦｕｓｉｏｎ，２００５，４７：Ｂ４０５－Ｂ４１７．［２］ＧｌｅｎｚｅｒＳＨ，ＭａｃＧｏｗａｎＢＪ，ＭｅｅｚａｎＮＢ，ｅｔａｌ．Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｉｇｎｉｔｉｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎｉｎｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕ－ｓｉｏｎｈｏｈｌｒａｕｍｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ，２０１１，１０６：０８５００４．［３］ＯｌｓｏｎＲＥ，ＬｅｅｐｅｒＲＪ，ＮｏｂｉｌｅＡ，ｅｔａｌ．Ｓｈｏｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｐｒｅｈｅａｔ，ａｎｄＸ－ｒａｙｂｕｒｎｔｈｒｏｕｇｈｉｎｉｎｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎａｂ－ｌａｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＰｌａｓｍａｓ，２００４，１１〔５〕：２７７８－２７８９．［４］ＡｍｅｎｄｔＰＡ，ＲｏｂｅｙＨＦ，ＰａｒｋＨＳ，ｅｔａｌ．Ｈｏｈｌｒａｕｍ－ｄｒｉｖｅｎｉｇｎｉｔｉｏｎｌｉｋｅｄｏｕｂｌｅ－ｓｈｅｌｌｉｍｐｌｏｓｉｏｎｓｏｎｔｈｅｏｍｅｇａｌａｓｅｒｆａｃｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ，２００５，９４：０６５００４．［５］ＲｏｂｅｙＨＦ，ＰｅｒｒｙＴＳ，ＰａｒｋＨ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