强激光产生的高能质子束对直接驱动内爆机制进行放射成像

发布时间: 2012-04-28 08:45:03   作者:本站编辑   来源: Rev.Sci.Instrum   浏览次数:

  

  惯性约束核聚变(ICF)是利用高功率物质,如激光、电子束、粒子束均匀辐照氘氚等热核燃料组成的微型靶丸上,把靶丸压缩到极高的密度和温度,引起氘氚燃料的核聚变反应。美国国家点火装置(NIF)计划采用直接驱动的方式实现靶丸的点火,而了解其物理过程对点火的成功起着重要的作用。目前,与点火相关的基础性的内爆过程研究已经在一些相对比较小型的装置(OMEGA)上展开了。

  目前来说,用X-ray 或者高能质子束对ICF内爆过程进行放射成像是一种比较成功的手段,而本文主要就是研究如何用强激光与物质相互作用得到的高能质子束来实现放射成像。本文中的高能质子束是利用靶面鞘层加速机制(TNSA)来获得,当强激光作用在固体靶面时,电子会首先被加速到高能状态并以近光速脱离靶面,从而形成一个很强的鞘层电场,离子通过该电场的加速获得能量。通过将这些质子束作为背光源,可以对ICF和高能高密(HED)等离子体进行有效的分析。

  相比于用聚变获得的质子束,TNSA可以获得更高的时间分辨率(10ps 对比100ps)和更好的空间分辨率(10μm对比4050μm),并且还可以对一个内爆过程的不同时刻进行成像。但是,应用于本条件下的TNSA也有一些限制性的机制,比如预等离子体、X-ray干扰和电流回流。预等离子体的存在主要是当靶丸被60OMEGA激光脉冲引爆后,脱离的碎片会溅射开来,形成一个很大的等离子体冕区这个冕区的存在,一方面会影响激光的传播,减低其能量转换效率,另一方面,冕区的存在会削弱鞘层电场,同样导致质子束能量的降低;X-ray干扰主要是内爆过程中产生的大量X-ray会撞击TNSA靶面并产生预等离子体,从而造成类似的破坏效果;如果在靶面的前方放置一层金属箔来防护X-ray的干扰,就容易产生电流回流效应。这主要是由于TNSA过程中的高能电子束有可能撞上该防护箔并回流到靶面上,从而导致鞘层电场的削弱。因此,设计的背光靶面应该大于特征长度,其中为激光脉冲的长度,为电子束的速度(接近光速)。对于本文中1ps的激光束来说,其特征长度约为0.3mm。针对上述分析,文中设计了一种用于EP TNSA放射成像的结构,如图6所示,靶面材料为10μm厚的金箔,其被粘附与1mm厚的垫圈的一端,另一端粘附了3μm后的钛箔作为避免X-ray干扰的防护层。整个垫圈被固定在一个很薄的黄铜柱体之中以防止等离子体冕区的干扰。

  

  6 实验中使用的质子束发射源结构设计方案

  实验中所使用的胶片包如图7所示,背光源出来的质子束从其左边入射。胶片包又一系列铝箔、钛箔过滤片和辐射变色胶片交错构成,这些过滤片的尺寸为10cm×10cm。知道了每个过滤片的材质和厚度,就可以计算出每层胶片主要记录的质子束能量ε和飞行时间(TOF)

  

  7 胶片包设计方案

  驱动内爆的OMEGA装置是一台603倍频的钕玻璃激光器,激光脉冲为1ns至几个ns,能量为30kJOMEGA EP拍瓦激光装置可以产生2ns量级的长脉冲和21100ps量级的短脉冲。其中一束短脉冲可以引入到OMEGA装置靶室内参与点火试验。目前,该脉冲在1ps时能量可达到300J,在10ps时能量约1kJ。实验方案如图8所示。靶球是一个厚为2040微米的CH壳层,该壳球的外径为  860微米,内充18个大气压的4He。所使用的OMEGA脉冲为3.5ns17kJ的冲击点火脉冲。因为大家最感兴趣的物理过程发生在冲击发生之后,所以靶球的驱动脉冲比EP脉冲提前几个nsOMEGA EP脉冲为1ps 300J 的短脉冲,焦斑直径为   40微米。

  

  8 实验装置示意图

  

  9 4幅连续的丝状电磁场胶片图

  通过利用上述的实验装置,该小组得到了内爆靶丸周边的丝状电磁场结构的放射成像,图9显示了4个连续的胶片。胶片中的丝状结构是由于质子收到电磁场的洛伦茨力的偏转所形成的。ICF内爆过程中所产生的这种很强的自生场在以前也用TNSA的质子束进行过成像,但是并没有得到本文中的丝状结构,这主要是因为前面实验中内爆驱动的激光强度太低了。此外,在间接驱动的内爆过程中也没有观察到该类型的丝状结构。

  考虑到进行本类型实验的诸多限制性条件,当放射性成像失败时,我们应该用尽可能少的枪数和尽可能短的时间分析出错的原因。下面来分析两个典型的失败案例。正如上面所分析过的,预等离子体的干扰会影响成像的效果,如图10所示,  10(a)为没使用等离子体防护体的成像结果,图中大部分区域都是由于冕区等离子体与质子束作用导致的混乱区域,而图10(b)则为使用了防护体的成像效果,丝状结构清晰可见。图11所示的是当胶片包被放置的距离靶丸太远的成像效果(靶丸并没有被内爆),这种情况下,高能部分的质子束由于其发射的太严重而几乎无法成像,对低能部分的来说,其对应胶片的截止能量会进一步降低到1020MeV,但是其成像的边缘会更锐利。

  

  10 等离子体防护体效果对比图

  

  11 当胶片包被放置的过远时的尚未内爆的靶丸成像图

  总之,本次实验实现了TNSA所加速的高能质子束对直接驱动内爆机制的放射成像,观察到了靶丸周边的丝状电磁场结构。本方案可以提供更高的时间和空间分辨率。本方案将来可以用于OMEGA OMEGA EPICF HEDP 物理研究。

  李文涛编译自Using high-intensity laser-generated energetic protons to radiograph directly

  driven implosions. A. B. Zylstra, C. K. Li, H. G. Rinderknecht, et al.

  Rev. Sci. Instrum. 83, 013511 (2012); doi: 10.1063/1.3680110

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