晏驥 鄭建華 陳黎 涂紹勇 韋敏習(xí) 余波 劉慎業(yè) 江少恩

(中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心,綿陽(yáng) 621900)

1 引言

背光照相是通過(guò)強(qiáng)激光與背光靶相互作用產(chǎn)生激光等離子體X光源,利用該光源輻照待測(cè)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(diǎn)可控、感興趣時(shí)間可自由選擇、光源亮度高、圖像質(zhì)量好等優(yōu)點(diǎn),是當(dāng)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(yīng)用于內(nèi)爆物理、流體力學(xué)不穩(wěn)定性、不透明度等重要課題研究中[1,2].

背光照相的關(guān)鍵在于利用激光與靶物質(zhì)相互作用獲取性能良好的點(diǎn)光源.目前一般采用面背光結(jié)合針孔成像的方式來(lái)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(chǎng)受限的缺點(diǎn),不利于開(kāi)展精密物理實(shí)驗(yàn).國(guó)外研究人員于2001年開(kāi)始在歐米茄(OMEGA)裝置上開(kāi)展大量針孔點(diǎn)背光成像技術(shù)的實(shí)驗(yàn)研究,為精密化的物理研究提供了支持[3,4].國(guó)內(nèi)從2008年開(kāi)始在神光II裝置上開(kāi)展相關(guān)研究,初步發(fā)展了針孔點(diǎn)背光技術(shù)[5,6],但是其中仍然存在噪聲屏蔽等關(guān)鍵問(wèn)題亟待解決,為此需要開(kāi)展針孔點(diǎn)背光技術(shù)的進(jìn)一步研究.

本文在神光II背光源實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上改進(jìn)了針孔點(diǎn)背光技術(shù),發(fā)展并優(yōu)化了新型針孔點(diǎn)背光.在神光III原型裝置上通過(guò)新型針孔點(diǎn)背光對(duì)樣品成像獲得了高質(zhì)量的圖像,同時(shí)通過(guò)多種診斷設(shè)備獲取了較為完整的背光源參數(shù).實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,新型的針孔點(diǎn)背光具備高亮度、高空間分辨等優(yōu)點(diǎn),可以廣泛應(yīng)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(diǎn)背光設(shè)計(jì)

針孔點(diǎn)背光首先是激光與靶物質(zhì)相互作用產(chǎn)生高溫等離子體并發(fā)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(tǒng)的空間分辨率)用于約束X光源形成次級(jí)點(diǎn)光源,然后利用該點(diǎn)光源對(duì)待測(cè)量樣品投影成像.針孔點(diǎn)背光存在多種結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn),如圖1所示.圖1(a)為早期針孔點(diǎn)背光研究中采用的設(shè)計(jì)[3,5,6],該設(shè)計(jì)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(fā)光直接進(jìn)入到成像記錄面上).在圖1(a)基礎(chǔ)上為了能夠更好地屏蔽噪聲的影響,改進(jìn)為圖1(b)的設(shè)計(jì).圖1(b)基本原理是將背光靶與針孔板結(jié)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(kāi),從而達(dá)到屏蔽噪聲的目的.

圖1(b)的設(shè)計(jì)中存在幾個(gè)關(guān)鍵要點(diǎn):首先,該設(shè)計(jì)是利用背光靶靶后X光,由于中高Z靶材料對(duì)X光源的強(qiáng)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(jié)合一體設(shè)計(jì),燒蝕等離子體會(huì)對(duì)針孔板產(chǎn)生堵孔的效應(yīng),所以需要在背光靶和針孔板之間添加低Z材料層來(lái)過(guò)渡.圖1(b)所示的新型針孔點(diǎn)背光的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示.在當(dāng)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(guò)較薄的背光靶提高轉(zhuǎn)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(guò)渡層,主要作用包括防止等離子體堵孔,降低沖擊波對(duì)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(diǎn)背光典型設(shè)計(jì)排布 (a)早期設(shè)計(jì);(b)改進(jìn)后設(shè)計(jì)

圖2 改進(jìn)的針孔點(diǎn)背光靶結(jié)構(gòu)示意圖

3 實(shí)驗(yàn)排布

本次實(shí)驗(yàn)在神光III原型裝置上開(kāi)展.實(shí)驗(yàn)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(chǎn)生以4.75 keV為主的光源;針孔相機(jī)(PHC)放置于激光注入面,用于監(jiān)測(cè)背光靶等離子體發(fā)光情況;兩臺(tái)X光探測(cè)器(XRD)放置于激光注入面(位置分別為上極點(diǎn) 67.5?,西經(jīng) 180?;上極點(diǎn) 78.7?,西經(jīng)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(lèi)He線(約為4.75 keV)的發(fā)光強(qiáng)度以及時(shí)間行為,從而獲取轉(zhuǎn)換效率信息.

圖3 實(shí)驗(yàn)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(nèi),同時(shí)在鎢絲上裝配內(nèi)徑300μm,球殼總厚度20μm的靶丸.記錄介質(zhì)采用了成像板(IP,型號(hào)為SR,掃描儀為BAS5000型,掃描時(shí)間為曝光后30 min,成像板單個(gè)像素元大小為25μm×25μm),對(duì)Multi-keV的X光源響應(yīng)為2%—8%,濾片選擇200μm Be結(jié)合5μm Ti,對(duì)4.75 keV背光源透過(guò)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(zhǔn)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(tǒng)放大倍數(shù)M為8.6.

4 光源性能優(yōu)化

針孔點(diǎn)背光實(shí)驗(yàn)研究中對(duì)雜散光的屏蔽是最為關(guān)鍵的問(wèn)題,這里的雜散光主要是發(fā)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(qiáng)干擾噪聲.早期針孔點(diǎn)背光實(shí)驗(yàn)采用的多種方法并沒(méi)有從根本上解決該問(wèn)題,本次實(shí)驗(yàn)中采用的新型針孔點(diǎn)背光從原理上可以完全屏蔽雜散光的影響,但是實(shí)驗(yàn)過(guò)程中仍然出現(xiàn)了該噪聲的干擾.

圖4 (a)強(qiáng)面光源干擾成像;(b)弱面光源干擾成像

在基于圖2的靶設(shè)計(jì)中為了方便靶場(chǎng)定位瞄準(zhǔn)在距離背光靶點(diǎn)2 mm處開(kāi)了尺寸為200μm的定位槽,實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(a)所示.從結(jié)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(qiáng)度非常強(qiáng),大大影響了點(diǎn)光源成像的效果,同時(shí)該噪聲源尺寸與定位槽尺寸相符合,判斷為該定位槽產(chǎn)生的噪聲.為此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)中屏蔽掉該定位槽,之后實(shí)驗(yàn)結(jié)果如圖4(b)所示.從圖4(b)可以看到粗細(xì)分布的鎢絲像(尺寸分別為100μm,40μm),表明除了針孔處產(chǎn)生的次級(jí)點(diǎn)光源成像之外,還存在一個(gè)空間上與針孔距離較近、強(qiáng)度較弱、尺寸約為百微米的面光源噪聲同時(shí)對(duì)樣品成像.通過(guò)對(duì)打靶后靶架回收的分析,推斷出該面光源噪聲為穿過(guò)針孔的高溫碳?xì)涞入x子體燒蝕靶架表面產(chǎn)生的噪聲光源,為此在后續(xù)實(shí)驗(yàn)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(shí)驗(yàn)結(jié)果表明,對(duì)于新型的針孔點(diǎn)背光設(shè)計(jì),為了杜絕等離子體翻越針孔板產(chǎn)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(shí)形成次級(jí)點(diǎn)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(fā)光.

圖5 點(diǎn)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(guān)物理信息.在這樣的前提下,需要對(duì)光源的參數(shù)進(jìn)行全面的考核,為此,本輪實(shí)驗(yàn)中通過(guò)XRD和針孔相機(jī)獲取光源的時(shí)間行為和強(qiáng)度信息;通過(guò)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(zhì).

5.1 時(shí)間行為

背光源與激光的時(shí)間關(guān)系是光源的重要參數(shù)之一,它表征了背光源持續(xù)時(shí)間與強(qiáng)度分布.在這里選取其中一發(fā)數(shù)據(jù)進(jìn)行分析,結(jié)果如圖6所示(圖6中將激光信號(hào)與XRD信號(hào)起始點(diǎn)對(duì)齊).從圖6可以看到,兩臺(tái)XRD獲取的信號(hào)波形與激光脈沖信號(hào)完全一致,表明了產(chǎn)生的X光源強(qiáng)度與注入激光的強(qiáng)度基本成正比關(guān)系;另一方面,圖6中X光信號(hào)的持續(xù)時(shí)間約為870 ps,激光的持續(xù)時(shí)間約為1170 ps,表明了激光注入到背光靶上到靶物質(zhì)被電離化形成高溫等離子體并發(fā)出硬X光存在一個(gè)響應(yīng)時(shí)間,而當(dāng)激光結(jié)束時(shí)高溫等離子體將很快冷卻,停止發(fā)射硬X光,所以激光比X光信號(hào)的持續(xù)時(shí)間稍長(zhǎng).

圖6 XRD信號(hào)與激光波形時(shí)間行為對(duì)比

5.2 光源通量(亮度)

光源通量(即亮度)是光源最關(guān)鍵的參數(shù),本

節(jié)中首先利用一維流體數(shù)值模擬程序給出當(dāng)前激光功率密度下背光靶材料產(chǎn)生的等離子體溫度密度,數(shù)值模擬結(jié)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(zhǎng)為351 nm;靶材料選擇厚度為10μm的Ti,圖7(a)表明當(dāng)前Ti等離子體的溫度約為1000 eV,同時(shí)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(huà)出密度分布);再基于局域熱動(dòng)平衡假設(shè)通過(guò)模型計(jì)算給出在當(dāng)前等離子體狀態(tài)下的能譜及發(fā)射強(qiáng)度分布,結(jié)果如圖7(b).根據(jù)圖7(b)再結(jié)合實(shí)際激光狀況可以估算出總共發(fā)射的4.75 keV光子,Nc滿足公式

其中I是發(fā)射強(qiáng)度(單位為J/(s·cm3·eV),hv是單個(gè)光子能量(單位為eV),t是發(fā)光時(shí)間(單位為s),V是發(fā)光體積(近似為激光焦斑,單位為cm3),Γ是譜線寬度(一般來(lái)說(shuō),keV級(jí)的譜線其寬度約為其能點(diǎn)的千分之一,單位為eV),通過(guò)模擬計(jì)算得到發(fā)射的總光子數(shù)約為1017量級(jí).

本輪實(shí)驗(yàn)利用XRD獲取光源強(qiáng)度的信息,其激光與背光靶相互作用產(chǎn)生的光子數(shù)Ne滿足公式:

其中EL為激光能量1617 J,η為轉(zhuǎn)換效率(XRD測(cè)量結(jié)果為1.5%(4 π立體角,不確定度為30%)),hv為光源單個(gè)能量4.75 keV(這里將類(lèi)He的Ti光源近似為單色光源).對(duì)比可以發(fā)現(xiàn),實(shí)驗(yàn)結(jié)果比計(jì)算結(jié)果低近一個(gè)數(shù)量級(jí),其中最主要的原因在于模擬計(jì)算過(guò)程采用的是局域熱動(dòng)平衡假設(shè),在激光直接驅(qū)動(dòng)過(guò)程中該假設(shè)與真實(shí)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(lái)說(shuō),采用的多種數(shù)值模擬工具相結(jié)合的方法與實(shí)驗(yàn)結(jié)果在一定程度上還是可以相互比對(duì)的.

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

從針孔相機(jī)監(jiān)測(cè)Ti背光總發(fā)光面的直徑為250μm,而針孔孔徑為15μm(針孔孔徑尺寸即為實(shí)際光源利用到的部分),綜合考慮背光發(fā)光中間強(qiáng)邊緣弱,近似認(rèn)為穿過(guò)針孔形成次級(jí)點(diǎn)光源的光子數(shù)占總光子數(shù)的10%(見(jiàn)圖8).同時(shí),實(shí)際對(duì)成像產(chǎn)生作用的光源只有2π立體角.為此,真實(shí)的點(diǎn)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(duì)比國(guó)內(nèi)同步輻射光源光通量(約 1013sr?1·s?1),強(qiáng)激光驅(qū)動(dòng)等離子體光源的光通量有著本質(zhì)的提升,這樣的超強(qiáng)超快高分辨的點(diǎn)光源對(duì)于新興前沿的納秒皮秒級(jí)超快過(guò)程研究具有重要意義.

圖8 針孔相機(jī)監(jiān)測(cè)背光靶發(fā)光結(jié)果 (a)注入焦斑圖像;(b)背光發(fā)光強(qiáng)度分布

在該光通量下,成像面與光源的距離R為30 cm,單個(gè)像素元大小S為25μm×25μm,且型號(hào)為SR的IP成像板對(duì)于4.75 keV光子的響應(yīng)r約為5%[9,10],采用濾片透過(guò)率T為70%,那么IP成像板上單個(gè)像素元計(jì)數(shù)N滿足公式:

從圖5的結(jié)果中IP成像板記錄到的信號(hào)每單個(gè)像素元計(jì)數(shù)約為5×104,與推導(dǎo)的結(jié)果基本符合,表明采用該種方法估算光源的強(qiáng)度是合理的.

5.3 空間分辨

空間分辨能力是點(diǎn)光源重要參數(shù),針對(duì)圖5中粗細(xì)為40μm,間距為300μm的鎢絲像進(jìn)行數(shù)據(jù)處理,利用求導(dǎo)勻滑傅里葉變化獲得其調(diào)制傳遞函數(shù)(MTF)函數(shù)(見(jiàn)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(dá)到12.5μm,略好于15μm的針孔孔徑.

圖9 點(diǎn)光源成像結(jié)果 (a)鎢絲樣品圖像;(b)鎢絲樣品的MTF函數(shù)

在一般情況下,點(diǎn)光源成像系統(tǒng)的空間分辨極限應(yīng)當(dāng)不會(huì)優(yōu)于其點(diǎn)光源焦斑,但是在針孔點(diǎn)背光的設(shè)計(jì)中為了回避燒蝕碎片的影響,將針孔板傾斜15?放置,使得實(shí)際的點(diǎn)光源焦斑變小從而空間分辨能力提升,同時(shí)也降低了光源的通量,可以說(shuō)是犧牲光源亮度來(lái)提高空間分辨.當(dāng)然針孔板加工過(guò)程中孔徑會(huì)存在1—2μm的誤差,使得實(shí)際針孔小于設(shè)計(jì)值,也會(huì)造成空間分辨提高的效果.

5.4 背光均勻性

在對(duì)圖像進(jìn)行相關(guān)物理量提取的過(guò)程中背光源的均勻性是獲取可靠物理信息的前提,傳統(tǒng)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(dāng)前精密物理實(shí)驗(yàn)中需要回避的問(wèn)題.針孔點(diǎn)背光由于其自身是一個(gè)次級(jí)點(diǎn)光源,在光源的均勻性上得到了保障.從圖5結(jié)果分析獲得其光源強(qiáng)度分布(見(jiàn)圖10),可以看到其光源強(qiáng)度分布均勻,相比較于面背光有本質(zhì)的提升(見(jiàn)圖8(b)),為獲取精密的物理信息提供了基礎(chǔ).

圖10 圖9(a)鎢絲像的強(qiáng)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?nèi)剂系陌型铇悠肪鶠檩p物質(zhì)組成且結(jié)構(gòu)復(fù)雜,為此需要發(fā)展針對(duì)靶丸樣品成像的新型技術(shù).相襯成像可以提高輕物質(zhì)分界面對(duì)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(qū)動(dòng)等離子體獲取性能良好的X射線點(diǎn)光源.在本次實(shí)驗(yàn)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(jiàn)圖11),靶丸燒蝕層內(nèi)外表面觀察到明顯的亮暗光環(huán)現(xiàn)象[11,12],該現(xiàn)象對(duì)于ICF研究中內(nèi)爆壓縮過(guò)程診斷具有重要的意義.另一方面,由于IP成像板單個(gè)像素元較大(25μm)同時(shí)成像放大倍數(shù)較小(M=8.6),所以靶丸燒蝕層分層結(jié)構(gòu)并不明顯.

圖11 輕物質(zhì)靶丸樣品相襯成像性能

6 結(jié)論

本文在神光III原型裝置上開(kāi)展了進(jìn)一步的針孔點(diǎn)背光實(shí)驗(yàn)研究,通過(guò)優(yōu)化靶設(shè)計(jì)解決了面光源噪聲干擾問(wèn)題,獲得了干凈的點(diǎn)光源.同時(shí)通過(guò)多種診斷設(shè)備對(duì)該光源性能進(jìn)行了較為全面的考核,獲得了光源時(shí)間行為、空間分辨、光通量等重要參數(shù),為提高精密化實(shí)驗(yàn)?zāi)芰Υ蛳禄A(chǔ).實(shí)驗(yàn)結(jié)果也表明新型的針孔點(diǎn)背光相比較于傳統(tǒng)的面背光成像和早期的針孔點(diǎn)背光在多項(xiàng)光源性能參數(shù)上均存在明顯的優(yōu)勢(shì),可以廣泛應(yīng)用于高能量密度物理和ICF研究中.

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