惯性约束聚变实验中多光束集体SRS SBS的实验研究

发布时间: 2020-01-20 10:22:11   作者:本站编辑   来源: Plasma Phys. Control. Fusion   浏览次数:

  实现激光驱动的ICF的里两种主要方式 :(1)直接驱动使用激光束直接照射靶丸均匀的分布在靶丸表面上;(2)间接驱动 利用高Z罩(激光光束从两个相对的激光入射孔(LEH)进入)将激光能量转换为一个X射线然后用X射线驱动引爆燃料盒或者燃料胶囊。

  多光束相互作用的另一个关键方面是由具有对称角度分布的圆锥体形式的光束的规则排列导致的。对于具有共同的对称轴的激光束,沿着它们驱动共同的子波会发生这种不稳定性。集体耦合导致随着相互作用光束数量的增加,生长增益增加。这些集体不稳定性还会在新的反向方向上产生能量损失。

  在低密度等离子体内传输的激光可以和等离子体正常模式发生耦合,从而产生散射波。在与电子等离子波(EPW)耦合的情况下,这种不稳定性称为受激拉曼散射(SRS),并产生波长为入射激光波长两倍的散射光。与离子声波(IAW)的耦合会引起受激布里渊散射(SBS),散射光的波长相对于入射激光在波长上稍微偏移了几埃。由于采用对称激光成圆锥形分布的光束存在多光束重叠区域那么每一个光束都可以和沿着圆锥轴体排列的子波相互作用从而激发同侧散射光。在这种特定的几何构型中(对称锥形光束均匀分布照射),对于每个光束与该公共波的耦合,可以满足三波谐振条件。对于具有向后传播的散射波的布里渊(Brillouin)和拉曼(Raman)不稳定性的情况,根据子波的性质,预计会有四个几何形状。

  在橄榄球形状的黒腔中放置一个球状靶丸,黒腔中充满一个大气压的甲烷气体。激光脉冲的总持续时间为2.5 ns,每个光束的强度约为~8×1013Wcm-2的预脉冲和随后的主脉冲组成主脉冲时间为时间为t=1.8nst=2.3ns 每束强度为5×1014Wcm-2

  重点讨论了由59°圆锥体的10个光束驱动的集体IAW(离子声波)。59°锥面的10束光束指向激光入孔。测得焦点的1/e大小,其小直径和大直径分别为210280μm

  对于每个光束,从集体IAW散射的光的小部分落入其准相反光束的孔径中,因此可以通过测量进入相应的背向散射线站进行诊断。在实验中,散射光是沿59°锥面的一束光束的后向收集的,然后通过FABS在时间和波长上以80 ps0.4Å的分辨率进行分析。 在此FABS 30中测量的典型的时间分辨SBS频谱如图1所示。 对于激光强度接近其最大值的时间间隔[1.82.3 ns]。第一个信号在t=1.9ns处的是由于在黒腔内部由填充气体或金壁制成的等离子体中产生的光束本身的SBS背向散射所致。在t=2.3ns之后观察到的第二个成分是集体SBS不稳定性的特征。第二个信号的频谱如图1b)所示。

  

  1a)在FABS 30中收集的SBS散射光的时间分辨光谱,(b)整体积分时间100ps以上在t = 1.9 nst = 2.3 ns时(a)的光谱图。

  对于图1所示的光谱条件,在t = 2.3 ns处,在10个束重叠区域的中间的等离子体流μ~1.2×107cms-1,离子声速为cs~4×107cms-1 给出了θIAW=59ºΔλSBS~3.3ÅSBS侧向散射光的计算光谱偏移。在散射波长范围为ΔλSBS=3ÅΔλSBS=4Å的散射波长下测量集体Sd信号,其光谱展宽主要取决于相互作用区域中等离子体自身相关参量的改变。在图1所示的时间分辨频谱中,集体SBS信号似乎比在t=1.9ns处测得的单光束反向散射信号要窄。这是由于集体SBS相互作用的局限性以及侧面散射角的窄范围所致,可以通过10个光束放大并在FABS中检测到。

  FABS中也进行了绝对能量测量。 当改变激光和目标配置时,检测到与集体的10束光束不稳定性相关的第二个信号的最大水平约为3-4%。由于该贡献仅占总散射光的小部分,因此文章中估计,由集体的10束光束不稳定性引起的总SBS损耗在激光脉冲结束时(t=2.3ns)达到30%的水平以上。另外在t~1.9ns处测得的反向散射贡献在1%的范围内。

  该文通过电离低密度(7mgcc-1)泡沫材料C12H16O8而形成的等离子体(电离后的ne/nc=0.24),在这种等离子体中研究了非均质等离子体中拉曼散射的放大效应。在每一侧,用六束锥形光束照射泡沫,该六束光束从H3-H18(目标的轴方向)轴以60.5º±1.8º的角度入射。光束由f/6.7透镜加随机相位板聚焦产生椭圆形焦点。激光脉冲以方波形式400J能量1ns脉宽,每个光束的最大强度为7×1014Wcm-2。在他们以前的实验中有结果在7mgcc-1的泡沫中,电离前沿的传播速度为0.9mmns-1

  

  2a)泡沫靶中的两个束锥的示意图;(b)入射在H18侧的6束光束的角度分布和NBI扩散板的方案;(c)对于3种电子密度,在真空中测得的散射光的角度(θSRS,υ)随其在等离子体中的产生角(θSRS,P)的变化

  通过近背向散射成像器(NBI)的示意图2a),该图像测量了在拉曼波长范围λsRS中散射的光的时间积分角分布λsRS=[450-900]nm。该诊断程序收集在4550的中平面周围散射的SRS光。 我们首先考虑这两个351 nm光束在等离子体中的传播,考虑到它们由于倾斜入射而在密度梯度中产生的折射。 在图2a)中的不同z平面中显示了两个光束的位置。观察到两束光束开始在z=400μm处重叠,然后在泡沫轴上以z=-300μm的方向彼此交叉。 两束光共同作用的区域位于z=350μmz=250μm之间,其中电子密度变化为ne/nc=0.15变为ne/nc=0.18  t=0.9ns时刻。

  在平面等离子体中,SRS光的折射通过笛卡尔折射定律来计算:(1-ne / nc,SRS)1/2sin( θSRS,P )=sin( θSRS,υ)

  这个式子将θSRS,P与在真空中测得的SRS光的角度θSRS,υ联系起来了。在该表达式中

  nc,SRS= nc×(λ0/λSRS)2是与激光的临界密度相关联的SRS光的临界密度。图2c)中,针对在光

  束重叠区域中存在的各种电子密度(以及相关的散射光波长),绘制了在真空中观察SRS光的角度θSRS,PθSRS,υ的函数关系。

  该文章描述了在Omega激光装置上实施了两次相关实验来研究ICF直接和间接驱动方案相关的高温等离子体状态下的这些集体不稳定性。

  第一类实验是在间接驱动配置下以40束光束照射的橄榄球形黒腔进行的。大的瞬时布里渊散射(峰值反射率>30%)被证明是由沿10束锥束沿黒腔轴驱动的共享离子声波的集体布里渊放大引起的。

  第二类实验在平面开放几何中执行。研究证明40年前理论上预测的几乎垂直于密度梯度的受激拉曼散射(SRS)电磁波的大幅放大。这是在长标度高温等离子体中实现的,在该等离子体中,两个光束耦合到同一散射电磁波,进一步证明了这种多束集体SRS相互作用。耦合的集体性质和密度梯度在大角度处的放大会增加整体SRS损耗,并产生在新颖方向上从光束入射平面散射的光。

  摘译自:S Depierreux et al. Experimental investigation of the collective stimulated Brillouin and Raman scattering of multiple laser beams in inertial confinement fusion experiments. Plasma Phys. Control. Fusion 62 (2020) 014024

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