楊進(jìn)文楊 鳴李廷帥易 濤劉慎業(yè)

（1.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2.電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

基于神光Ⅲ主機(jī)裝置激光打靶產(chǎn)生電磁脈沖特性研究

楊進(jìn)文1,2楊 鳴2李廷帥2易 濤1劉慎業(yè)1

（1.中國工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2.電子科技大學(xué)能源科學(xué)與工程學(xué)院，成都 611731）

激光打靶過程會(huì)產(chǎn)生大量的電磁脈沖，脈沖強(qiáng)度大，頻帶寬，會(huì)影響各種重要診斷設(shè)備的正常運(yùn)行以及精密物理結(jié)果的精確測(cè)量。本實(shí)驗(yàn)在神光Ⅲ主機(jī)裝置靶室壁和靶室外搭建診斷系統(tǒng)，并利用自行設(shè)計(jì)的多款天線進(jìn)行脈沖信號(hào)的采集，為電磁脈沖特性的進(jìn)一步研究提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。本文分別對(duì)電場(chǎng)天線與磁場(chǎng)天線采取不同的數(shù)據(jù)處理方法以獲得靶場(chǎng)電磁場(chǎng)分布，多發(fā)數(shù)據(jù)表明，大盤錐天線測(cè)得信號(hào)最強(qiáng)，超頻段偶極天線測(cè)得信號(hào)最弱，靶室內(nèi)外均產(chǎn)生較強(qiáng)的電磁干擾，需要進(jìn)行相應(yīng)的電磁屏蔽。

強(qiáng)激光；電磁脈沖；神光Ⅲ；天線

慣性約束核聚變（Inertial Confinement Fusion,ICF）是實(shí)現(xiàn)可控核聚變的重要途徑之一，其原理為通過高功率激光、高功率電磁脈沖和高能重粒子束作為外部能源直接或者間接驅(qū)動(dòng)含熱核燃料（氘、氚）靶丸內(nèi)爆，壓縮燃料至高溫高密度的狀態(tài)，從而發(fā)生核聚變[1-2]。ICF作為國際高科技研究方向，為了實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火，世界各地現(xiàn)已建造了許多高功率激光裝置，這些激光裝置作為驅(qū)動(dòng)設(shè)備，功率已可達(dá)拍瓦（PW）級(jí)別。比如，美國勞倫斯·利弗莫爾實(shí)驗(yàn)室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL）于 2009年建成的 NIF裝置[3]，可輸出192束激光，輸出能力位居世界第一；另外還有法國的LMJ[4]，英國的HiPER，日本的FIREX等。我國目前也建立了神光系列裝置，其中神光Ⅲ主機(jī)裝置于2015年9月完成了輸出測(cè)試實(shí)驗(yàn)，標(biāo)志著神光Ⅲ主機(jī)裝置已全面建成，也意味著神光Ⅲ主機(jī)裝置成為輸出能力排名世界第二、亞洲第一的慣性約束聚變激光裝置[5]。

高功率激光裝置打靶實(shí)驗(yàn)中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁脈沖（Electromagnetic pulse,EMP），這些脈沖分布頻域廣（幾十MHz～5GHz），強(qiáng)度大，對(duì)靶室內(nèi)外的診斷設(shè)備和電子器件產(chǎn)生嚴(yán)重干擾，甚至導(dǎo)致診斷設(shè)備出現(xiàn)故障，無法準(zhǔn)確地實(shí)現(xiàn)物理量的測(cè)量[6]。而且激光與等離子體作用中會(huì)產(chǎn)生大量的熱電子，同時(shí)還伴隨著X射線、γ 射線出射等二次反應(yīng)[7-8]，物理機(jī)制十分復(fù)雜，研究人員對(duì)此過程的解釋尚不完善，還存在許多無法解釋的現(xiàn)象，所以電磁脈沖產(chǎn)生機(jī)制及其輻射特性的研究顯得十分迫切。

本文采用自行設(shè)計(jì)的多款天線對(duì)神光Ⅲ主機(jī)裝置靶室壁和靶室外的電磁脈沖分布進(jìn)行了采集，通過數(shù)據(jù)處理得到了電磁場(chǎng)的時(shí)域和頻域分布，為深入理解聚變基本物理過程提供了實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)布置

本實(shí)驗(yàn)在神光Ⅲ主機(jī)裝置靶場(chǎng)完成，實(shí)驗(yàn)布置如圖1所示。神光Ⅲ主機(jī)裝置是銣玻璃激光裝置，是我國開展 ICF研究的重要平臺(tái)，可同時(shí)輸出 48束激光能量達(dá) 180kJ，峰值功率達(dá) 60TW的三倍頻紫外激光。48束激光從靶室南北半球入射，最終通過打靶獨(dú)立透鏡向心匯聚于靶上。

圖1 實(shí)驗(yàn)布局

激光打靶各發(fā)次激光束能量與靶條件的對(duì)比由表 1給出，7發(fā)數(shù)據(jù)選取靶型均為半黑腔靶，靶材均為金。實(shí)驗(yàn)選取的半黑腔靶有兩種尺寸，shot1-shot3所用的靶尺寸為φ 1400μm×1000μm；shot4-shot7所用另一種靶尺寸為φ 1600μm×1300μm。半黑腔靶實(shí)驗(yàn)中48束激光束未全部參與打靶，每發(fā)次情況表中已列出，全部激光束加CPP進(jìn)行束勻滑，焦斑尺寸為500μm。

表1 打靶信息

電磁脈沖分布頻域廣，使用常規(guī)天線難以實(shí)現(xiàn)整個(gè)頻域范圍信號(hào)的接收，因此針對(duì)不同頻段（低、中、高）的信號(hào)采集需要使用不同尺寸的天線，本實(shí)驗(yàn)自行設(shè)計(jì)了 5套天線用于電磁脈沖信號(hào)的采集，電場(chǎng)天線：盤錐天線、平板天線和超帶寬偶極天線；磁場(chǎng)天線：環(huán)天線（B-dot）、筒天線。靶室內(nèi)所用天線通過專門定制的法蘭（搭配長(zhǎng)度一致的支架）固定放置于靶室壁上，各天線信號(hào)獨(dú)立輸出，通過支架竿中的同軸線纜與示波器相連，靶室內(nèi)脈沖信號(hào)較強(qiáng)，為了防止示波器因電壓過大而損壞，在天線與示波器之間接入了相應(yīng)的衰減片。另外定制與法蘭口徑一致的全銅筒，罩于法蘭與支架間，防護(hù)同軸線，屏蔽電磁信號(hào)與線纜之間的耦合。設(shè)計(jì)了每款天線與靶室壁的距離略有偏差，小盤錐天線、小環(huán)天線、小平板天線、大平板天線、大盤錐天線和小筒天線到靶室壁的距離分別為 112mm、120mm、112mm、112mm、110mm、105mm。除此之外，在靶室外安裝了采集電磁脈沖信號(hào)的超頻段微帶天線和超大盤錐天線，天線安裝位置距外壁3.5m，距靶室中心6.7m。

2 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

在神光Ⅲ主機(jī)裝置靶室內(nèi)外進(jìn)行了定點(diǎn)多次測(cè)量，得到了多組實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)。圖 2為 shot3發(fā)次接收到的電壓時(shí)域信號(hào)，信號(hào)由8GHz示波器（a）和1GHz示波器（b）輸出，六種天線對(duì)應(yīng)的信號(hào)持續(xù)時(shí)間不同，分別為250ns、300ns、350ns、150ns、150ns、150ns。此外在相同靶型和相同激光能量條件下，各天線接收到的電壓信號(hào)幅值存在很大差異，分別為124.1V、60.7V、1.5V、239V、456.5V、453.5V，這主要是由于各款天線其增益、效率等方面都存在很大的差異，且接收頻段也會(huì)導(dǎo)致接收到的信號(hào)大小不一。

圖2 shot3對(duì)應(yīng)的電壓信號(hào)

電場(chǎng)天線和磁場(chǎng)天線各自的數(shù)據(jù)處理方式不同，對(duì)電場(chǎng)天線而言，首先通過快速傅里葉變換（Fast Fourier Transform，F(xiàn)FT），將天線接收到的電磁脈沖時(shí)域信號(hào)變?yōu)轭l域信號(hào)，再根據(jù)電場(chǎng)與電壓之間傳遞函數(shù)的關(guān)系獲取電場(chǎng)值；對(duì)磁場(chǎng)天線而言，對(duì)時(shí)域信號(hào)進(jìn)行積分處理過后，最后再除以天線等效面積Aea（單位：mm2）即可得磁場(chǎng)大小。圖3為shot3發(fā)次中小筒天線和大盤錐天線電磁脈沖信號(hào)時(shí)域分布，靶室壁處的小筒天線測(cè)得磁場(chǎng)強(qiáng)度為6.02T，大盤錐天線測(cè)得電場(chǎng)強(qiáng)度為3079kV/m。

圖4（a）為所有發(fā)次對(duì)應(yīng)的不同天線測(cè)得的電壓幅值，圖4（b）為5種電場(chǎng)天線處理得到的電場(chǎng)強(qiáng)度，圖4（c）為磁場(chǎng)天線處理得到的磁場(chǎng)強(qiáng)度。在電場(chǎng)天線中，大盤錐天線本身較其他天線而言具有更好的全向性，且接收信號(hào)的頻譜范圍廣（0～ 12GHz），增益較高，所以大盤錐天線接收到的電磁脈沖信號(hào)最強(qiáng)，電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)3210kV/m。平板天線增益較低，所以接收到的電磁脈沖信號(hào)較弱，電場(chǎng)強(qiáng)度為3kV/m左右。超帶寬偶極天線本身效率低且放置于靶室外測(cè)量，距離靶室中心最遠(yuǎn)，所以測(cè)得的信號(hào)最弱，電場(chǎng)強(qiáng)度僅為 1kV/m。但總體而言神光Ⅲ主機(jī)靶室電場(chǎng)值高至MV/m量級(jí)，不論對(duì)人還是對(duì)診斷設(shè)備來說都存在較高的安全隱患，需進(jìn)行相應(yīng)電磁屏蔽。

圖3 電磁脈沖時(shí)域信號(hào)

圖4

電磁脈沖的產(chǎn)生機(jī)制普遍接受的解釋為靶充電模型[9]，激光打靶過程產(chǎn)生大量的超熱電子和X射線，熱電子在自生磁場(chǎng)中發(fā)生漂移離開靶面形成電流[10]，相對(duì)而言，靶被充電帶正電，由于靜電場(chǎng)的存在，靶后形成很強(qiáng)的靜電分離勢(shì)，在靜電分離勢(shì)的作用下僅有很少的能量很高的電子能夠脫離靜電力的束縛，其他能量較低的大部分電子被拉回靶面并以等離子體頻率做往復(fù)振蕩，不同能量電子從而出射激發(fā)不同頻率的高強(qiáng)度、寬頻域的電磁脈沖。

3 結(jié)論

本文利用自行設(shè)計(jì)的多款天線對(duì)強(qiáng)激光與半黑腔靶相互作用產(chǎn)生的電磁脈沖在靶室壁和靶室外的分布進(jìn)行了測(cè)試與分析。實(shí)驗(yàn)獲得了不同天線測(cè)得的電壓信號(hào)，通過對(duì)電場(chǎng)天線和磁場(chǎng)天線不同的數(shù)據(jù)處理方法，得到的各天線對(duì)應(yīng)的電場(chǎng)強(qiáng)度或磁場(chǎng)強(qiáng)度，發(fā)現(xiàn)大盤錐天線接收到的電磁脈沖信號(hào)最強(qiáng)，超頻段偶極天線接收到的電磁脈沖信號(hào)最弱。通過處理shot3發(fā)次數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)靶室壁處磁場(chǎng)達(dá)6.02T，靶室周邊電場(chǎng)強(qiáng)度達(dá)3079kV/m，表明神光Ⅲ主機(jī)裝置的靶室內(nèi)外均產(chǎn)生了很強(qiáng)電磁干擾，需要采取一定的屏蔽措施。最后，本文對(duì)電磁脈沖的產(chǎn)生機(jī)制進(jìn)行了簡(jiǎn)要探討，但對(duì)與電磁脈沖更深層次物理特性方面的解釋還不夠完善，需要在接下來的研究中進(jìn)一步探索。

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Investigation of Electromagnetic Pulses Generated by the Laser Shooting based on SG-Ⅲ facility

Yang Jinwen1,2Yang Ming2Li Tingshuai2Yi Tao1Liu Shenye1
(1.Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 621900；2.School of Energy Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731)

The interaction between intensive laser and metal targets can yield an extremely significant electromagnetic radiation,which not only has a large intensity and widely bandwidth,but leads to malfunctioning of various important diagnostics systems and the inaccuracy of physical experiment result.This study focus on building a diagnostic system against and outside the target chamber and collecting the pulse signal by designing multiple antennas,which are expected to provide the experimental basis for further investigation of EMP characteristic.Different data processing methods of electric field antennas and magnetic-filed antennas are used to obtain the electromagnetic field distribution inside and outside the target chamber.Multiple data shows that large discone antenna gets the highest signal while ultra wideband dipole antenna gets the lowest signal.It is necessary to make corresponding electromagnetic shielding because the high electromagnetic interference inside and outside the target chamber.

laser;electromagnetic pulse;sg-Ⅲ;antenna

中央高?；究蒲谢穑╖YGX2015J108）

國家自然科學(xué)基金（11575166，51581140）