陳法新 馮璟華 李林波 楊建倫 周林 徐榮昆 許澤平

(中國(guó)工程物理研究院核物理與化學(xué)研究所,綿陽(yáng) 621900)

(2012年6月27日收到;2012年9月26日收到修改稿)

1 引言

Z箍縮黑腔研究是Z箍縮聚變研究中的關(guān)鍵環(huán)節(jié),其中動(dòng)態(tài)黑腔(見(jiàn)圖1)是在軟X射線波段實(shí)驗(yàn)室內(nèi)可以實(shí)現(xiàn)的最接近黑體輻射的源之一,同時(shí)也是輻射輸運(yùn)基礎(chǔ)研究和間接驅(qū)動(dòng)的慣性約束聚變最有力的X射線源[1],因此在各種黑腔研究中受到廣泛的重視.目前動(dòng)態(tài)黑腔的實(shí)驗(yàn)研究主要集中在輻射場(chǎng)診斷方面,測(cè)量由軸向診斷孔輻射的X光功率和X光圖像[2,3],部分實(shí)驗(yàn)測(cè)量了示蹤元素的能譜[4].這些黑腔實(shí)驗(yàn)基本上都是在具有大脈沖電流的Z裝置上開展的,而在小電流裝置上,如1 MA左右,基本沒(méi)有開展過(guò)類似實(shí)驗(yàn),因?yàn)樾‰娏餮b置上的Z箍縮軸向黑腔輻射場(chǎng)測(cè)量有很大困難,一方面在這類裝置上黑腔輻射溫度低,X光輻射強(qiáng)度也很低,這就要求用于軸向測(cè)量的黑腔靶上診斷孔盡量大,另一方面又要求在軸向診斷視野內(nèi)盡量不要有絲等離子體進(jìn)入,否則絲等離子體的輻射會(huì)對(duì)測(cè)量結(jié)果產(chǎn)生極大的干擾,這就要求診斷孔盡量小,因此選擇大小合適的軸向診斷孔至關(guān)重要.如何確定軸向診斷孔的大小,在這樣小的脈沖電流裝置上徑向探針光陰影像不失為一個(gè)有力的工具,通過(guò)分幅陰影像的定量分析可以提供動(dòng)態(tài)黑腔徑向箍縮數(shù)據(jù),為軸向診斷孔徑的選擇提供依據(jù).另外,對(duì)帶泡沫柱的動(dòng)態(tài)黑腔中絲等離子體與泡沫相互作用的時(shí)間演化圖像未見(jiàn)有文獻(xiàn)報(bào)道,而該類數(shù)據(jù)對(duì)提高動(dòng)態(tài)黑腔物理認(rèn)識(shí)非常重要.本文正是通過(guò)分幅陰影像呈現(xiàn)了從固體絲膨脹消融到先驅(qū)等離子體與泡沫相互作用,從泡沫的箍縮到反彈膨脹的全過(guò)程演化圖像,同時(shí)提供動(dòng)態(tài)黑腔的徑向箍縮速度,這些數(shù)據(jù)也為黑腔動(dòng)力學(xué)模擬程序提供了定標(biāo)參數(shù).

圖1 含泡沫柱鎢絲陣動(dòng)態(tài)黑腔實(shí)物圖

2 陰影像的物理內(nèi)涵

利用準(zhǔn)平行激光束作為探針光源,令其入射到Z箍縮等離子體上,由于激光同等離子體相互作用,一方面逆韌致吸收等吸收機(jī)制導(dǎo)致通過(guò)等離子體后的激光光強(qiáng)被衰減,衰減量與激光通過(guò)的不同路徑上的等離子體狀態(tài)參量如密度、溫度的不同而不同,另一方面由于等離子體密度分布的不均勻,其等效折射率也發(fā)生了變化,透過(guò)的激光光線就會(huì)發(fā)生偏折,這也會(huì)導(dǎo)致激光光強(qiáng)分布發(fā)生變化[5].激光在等離子體中的輸運(yùn)結(jié)果到底哪種物理機(jī)制起主導(dǎo)作用還是兩者不可偏廢,既反映了本次實(shí)驗(yàn)探針光陰影像的物理內(nèi)涵,同時(shí)對(duì)診斷系統(tǒng)的參數(shù)設(shè)計(jì)亦具有指導(dǎo)意義.因?yàn)槿绻諜C(jī)制起主導(dǎo)作用,那么透過(guò)等離子體的光強(qiáng)分布就取決于準(zhǔn)平行入射后光線的衰減變化,診斷系統(tǒng)對(duì)收光角的要求就會(huì)大為降低,即不用追求大的收光角以增加可測(cè)等離子體的密度梯度范圍;相反,如果偏折機(jī)制起主導(dǎo)作用,勢(shì)必要盡量增大收光角.

圖2 266 nm激光與密度鐘形分布等離子體作用后的光強(qiáng)分布

鑒于探針光用的激光光強(qiáng)較弱(本次實(shí)驗(yàn)為12 ns,脈沖能量為30 mJ),吸收效應(yīng)僅考慮線性吸收即可.為了能夠定量地提供判據(jù),針對(duì)Z箍縮等離子體的密度分布特點(diǎn),設(shè)計(jì)了兩種具有代表性的軸對(duì)稱密度分布形式:鐘形分布和雙峰分布.通過(guò)光跡追蹤的辦法模擬計(jì)算了兩種密度分布形式下吸收與偏折效應(yīng)的比較結(jié)果,其中,線性逆軔致吸收中線性吸收系數(shù)為[6]

式中,ne,nc為等離子體密度和對(duì)應(yīng)探針光波長(zhǎng)的截止密度(1/cm3),Z為等效電荷數(shù),Te為等離子體電子溫度(keV),lnΛ為庫(kù)侖對(duì)數(shù).而光線輸運(yùn)偏折計(jì)算采用正則方程:

當(dāng)密度僅沿半徑方向變化時(shí),則光線徑跡方程為

在鐘形密度分布下,計(jì)算結(jié)果如圖2所示,在雙峰分布下的計(jì)算結(jié)果如圖3所示.其中,探針光波長(zhǎng)為266 nm.

圖3 266 nm激光與密度雙峰分布等離子體作用后的光強(qiáng)分布

由圖2和圖3可知,兩種密度分布形勢(shì)下,雖然探針光經(jīng)過(guò)等離子體時(shí)僅考慮吸收效應(yīng)和僅考慮偏折效應(yīng)造成的出射光強(qiáng)分布很不相同,在雙峰分布時(shí),由于偏折角很大,不同收光角下的分布也很明顯,但當(dāng)同時(shí)計(jì)及逆軔致吸收和偏折效應(yīng)時(shí),即光跡追蹤的每一步的空間位置由偏折效應(yīng)確定,輸運(yùn)的權(quán)重由吸收效應(yīng)確定,最后出射的光強(qiáng)分布與僅計(jì)算吸收效應(yīng)時(shí)的光強(qiáng)分布相當(dāng).因此,從這些計(jì)算結(jié)果來(lái)看,Z箍縮探針光陰影成像主要反映了激光與等離子體相互作用的逆軔致吸收效應(yīng).

3 診斷系統(tǒng)主要構(gòu)成

實(shí)驗(yàn)用激光器具備12 ns脈寬和30 mJ/266 nm激光脈沖能量輸出能力.將激光器輸出的12 ns脈沖分成兩束,相對(duì)延時(shí)后有效寬度近30 ns,系統(tǒng)的時(shí)間分辨是基于記錄單元像增強(qiáng)器的門寬.系統(tǒng)具備四分幅成像能力,時(shí)間分辨約為2.5 ns,靜態(tài)空間分辨優(yōu)于70μm,系統(tǒng)分光入射單元和分幅成像單元光路圖見(jiàn)圖4.

圖4 (a)分光入射;(b)成像單元示意圖

4 實(shí)驗(yàn)布局及結(jié)果分析

實(shí)驗(yàn)在西北核技術(shù)研究所的“強(qiáng)光一號(hào)”脈沖功率裝置上開展,負(fù)載脈沖電流峰值約為1.3 MA,上升時(shí)間(10%—90%)約為80 ns,動(dòng)態(tài)黑腔負(fù)載如圖1所示.鎢絲陣直徑有8和12 mm兩種,均為42根直徑4.2μm的鎢絲構(gòu)成,泡沫(C15H20O6)柱直徑3 mm.

首先,以Φ8 mm鎢絲陣為例,不同發(fā)次按時(shí)間順序?qū)⒌湫蜁r(shí)刻的箍縮演化圖像列于圖5中,其中某些圖像中心的亮點(diǎn)是成像系統(tǒng)自身的缺陷所致,陰影像中的時(shí)間參考零點(diǎn)均是每發(fā)次的徑向X光功率峰值時(shí)刻.

從圖5中可以明顯看出,在X光峰前約70 ns時(shí)先驅(qū)等離子體已經(jīng)與泡沫柱有明顯的相互作用,此時(shí)絲直徑也已由最初的4.2μm膨脹到70—200μm,后續(xù)的時(shí)間里可以清楚地看到先驅(qū)等離子體向內(nèi)箍縮運(yùn)動(dòng)徑跡,在X光峰前45 ns時(shí)靜態(tài)絲位置還留有大量剩余質(zhì)量,X光峰前約24 ns時(shí)由陰影像上已經(jīng)無(wú)法再看到殘留在絲原位上的質(zhì)量,此時(shí)大部分鎢絲質(zhì)量極有可能已經(jīng)消融殆盡,而具有內(nèi)爆聚芯行為的等離子體相互融合成“尖刺”狀向內(nèi)發(fā)展,X光峰前約14 ns時(shí)鎢等離子體主要質(zhì)量已經(jīng)作用到泡沫上,此時(shí)泡沫的直徑也明顯被壓縮,由Φ3 mm變?yōu)榧sΦ2 mm.由前述過(guò)程很明顯可以看出,首先,先驅(qū)等離子體形成并向軸向運(yùn)動(dòng),該過(guò)程一直持續(xù)到鎢絲幾乎全部消融(在絲原位已看不到絲的本來(lái)形狀).可以認(rèn)為這一過(guò)程是先驅(qū)等離子體不斷向軸向注入,且泡沫柱上的鎢等離子體質(zhì)量是不斷增加的.隨著鎢絲幾乎全部消融,主體鎢等離子體開始向軸運(yùn)動(dòng),但是可以看出這時(shí)的等離子體并非以較薄的殼層結(jié)構(gòu)向內(nèi)箍縮,而是分布在整個(gè)有效的半徑空間.因此作用到泡沫上的等離子體是持續(xù)且不斷增多的,當(dāng)然或許在某個(gè)瞬間有鎢等離子體質(zhì)量上的陡然增加(即鎢主體等離子體與泡沫作用瞬間),這種作用形式很難形成良好的黑腔壁,進(jìn)而影響泡沫中黑腔輻射場(chǎng)的品質(zhì).在X光峰附近泡沫柱與部分鎢等離子體的混合邊界平均直徑僅為Φ1 mm,X光峰后16 ns明顯看出箍縮到芯后的反彈膨脹,此時(shí)泡沫與鎢等離子體混合柱已經(jīng)膨脹到約Φ3.6 mm.對(duì)于Φ12 mm的絲陣陰影像反映的黑腔動(dòng)力學(xué)演化圖像與Φ8 mm絲陣是一致的.

接下來(lái),對(duì)不同發(fā)次探針光陰影像參考時(shí)間“標(biāo)準(zhǔn)點(diǎn)”,是采用每發(fā)次徑向X光功率峰時(shí)刻還是負(fù)載電流時(shí)間波形中某些特征時(shí)間點(diǎn)的合理性做出判斷.

為了回答該問(wèn)題,我們先將每發(fā)次相對(duì)X光峰值不同時(shí)刻泡沫柱(覆蓋有鎢等離子體)平均半徑進(jìn)行判讀,再根據(jù)每發(fā)次X光峰值相對(duì)電流波形的時(shí)間,將泡沫柱的判讀數(shù)據(jù)關(guān)聯(lián)到電流波形的特征時(shí)刻.

各分幅成像時(shí)刻以X光功率峰值時(shí)刻、電流峰的10%幅度時(shí)刻和電流峰的70%幅度時(shí)刻為參考,如圖6(a)—(c)所示,上面的十字叉代表了每幅圖像的拍攝時(shí)刻在相應(yīng)時(shí)間波形上的位置;圖6(d)—(f)是相應(yīng)的以該拍攝時(shí)間序列為參考,泡沫箍縮半徑隨時(shí)間的演化圖像,可以看出泡沫箍縮過(guò)程的物理圖像發(fā)展以X功率峰為參考時(shí)間點(diǎn)有明顯的箍縮-滯止-反彈三個(gè)階段,而以電流波形特征點(diǎn)為參考時(shí)間點(diǎn)數(shù)據(jù)顯得較為雜亂,因此以X光功率峰為參考時(shí)間點(diǎn)更具合理性.

圖5 動(dòng)態(tài)黑腔動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程 (a)?69.5 ns,289#;(b)?45.5 ns,288#;(c)?24.3 ns,292#;(d)?13.7 ns,303#;(e)0.2 ns,301#;(f)15.9 ns,302#

圖6 以不同特征時(shí)間點(diǎn)為參考成像時(shí)刻分布以及相應(yīng)分布下的泡沫半徑演化

圖7 泡沫柱與鎢等離子體混合界面徑向時(shí)間演化曲線

下面以X光功率峰為參考時(shí)刻,對(duì)Φ8 mm,Φ12 mm和混合不分類(是指將Φ8 mm和Φ12 mm的絲陣數(shù)據(jù)不區(qū)分的放在一起)三種情況下的泡沫柱半徑隨時(shí)間的演化曲線進(jìn)行3階多項(xiàng)式擬合(圖7),通過(guò)擬合得到的表達(dá)式,求解瞬時(shí)箍縮速度(圖8),不分類負(fù)載泡沫柱最小箍縮速度為1.0×106cm/s,最大箍縮速度為6.0×106cm/s.

圖8的泡沫柱徑向箍縮速度演化曲線有一個(gè)交叉點(diǎn),該時(shí)刻之前Φ12 mm絲陣泡沫柱徑向箍縮速度較大,隨著時(shí)間的推移,Φ8 mm絲陣泡沫柱徑向箍縮速度越來(lái)越大,但由于Φ12 mm絲陣統(tǒng)計(jì)數(shù)據(jù)還不夠多,因此該結(jié)論還需要有更多實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)支持.

圖8 箍縮速度演化

圖9 展示了不同發(fā)次帶泡沫柱鎢絲陣徑向X光功率的時(shí)間演化.由圖9中可以看出,X光功率呈現(xiàn)雙峰結(jié)構(gòu),而第一個(gè)X光峰主要位于主X光峰(幅度最大者)前10—16 ns范圍內(nèi),由絲陣的動(dòng)力學(xué)演化過(guò)程可以判斷,主X光峰是泡沫柱箍縮到芯時(shí)刻爆發(fā)的X光輻射,那么可以判斷第一個(gè)X光峰應(yīng)該是主體鎢等離子體與泡沫相互作用的時(shí)刻,此時(shí)大量鎢等離子體攜帶的動(dòng)能轉(zhuǎn)化為泡沫等離子體內(nèi)能,并以輻射能的形式釋放出來(lái).所以,第一個(gè)峰值時(shí)刻對(duì)應(yīng)的陰影圖像恰好反映了主體鎢等離子體與泡沫柱相互作用的形態(tài).該時(shí)刻所對(duì)應(yīng)的陰影像如圖10所示,其在整個(gè)時(shí)間演化圖像(見(jiàn)圖5)中的圖像形態(tài)(即泡沫徑向邊界外已觀測(cè)不到等離子體)符合以上的判斷,說(shuō)明結(jié)果是自洽的.

圖9 不同發(fā)次徑向X光功率

圖10 第一個(gè)X光峰值時(shí)刻的陰影圖像

5 結(jié)論

通過(guò)探針光陰影像的診斷方式獲得了Z箍縮動(dòng)態(tài)黑腔的徑向分幅圖像,不同發(fā)次不同時(shí)刻的陰影圖像展示了從鎢絲膨脹消融到先驅(qū)等離子體向心運(yùn)動(dòng),從先驅(qū)等離子體與泡沫柱相互作用到泡沫柱的箍縮滯止反彈膨脹等一系列動(dòng)力學(xué)過(guò)程的演化圖像.

基于Z箍縮等離子體密度軸對(duì)稱分布模型,建立了徑向密度呈鐘形分布和雙峰分布的兩種密度分布形式,通過(guò)模擬計(jì)算266 nm激光與等離子體相互作用的兩種不同效應(yīng):逆軔致吸收和光線偏折,結(jié)果顯示激光透射出等離子體后的光強(qiáng)分布主要表征了逆軔致吸收效應(yīng)的影響,說(shuō)明類似實(shí)驗(yàn)中可測(cè)等離子體密度梯度范圍和成像系統(tǒng)靈敏度與增大收光角關(guān)系不大.

陰影圖像時(shí)間演化說(shuō)明,在長(zhǎng)達(dá)約50 ns時(shí)間內(nèi)絲等離子體以“雨”的形式持續(xù)與泡沫相互作用,在整個(gè)箍縮階段并未觀察到形成等離子體殼層結(jié)構(gòu).定量數(shù)據(jù)分析表明,泡沫柱的最大箍縮速度為6.0×106cm/s,最小箍縮速度為1.0×106cm/s,在軸上滯止的直徑約為1 mm.該數(shù)據(jù)也為動(dòng)態(tài)黑腔軸向輻射測(cè)量診斷孔的選擇提供了定量的參考.

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