嚴(yán) 穎 江少恩 易有根 易 濤 丁永坤

（1. 中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2. 中南大學(xué)物理與電子學(xué)院，長(zhǎng)沙 410012）

激光聚變物理中電磁脈沖輻射特性研究

嚴(yán) 穎1,2江少恩1易有根2易 濤1丁永坤1

（1. 中國(guó)工程物理研究院激光聚變研究中心，四川 綿陽 621900；2. 中南大學(xué)物理與電子學(xué)院，長(zhǎng)沙 410012）

激光聚變物理過程中會(huì)產(chǎn)生大量的電磁脈沖輻射，該電磁脈沖頻譜寬，強(qiáng)度大，會(huì)對(duì)各診斷設(shè)備的正常運(yùn)行以及精密測(cè)量造成不同程度的影響。為了研究該電磁脈沖的特性，為其產(chǎn)生機(jī)制研究和優(yōu)化防護(hù)措施提供依據(jù)，對(duì)本次實(shí)驗(yàn)，在神光Ⅲ主機(jī)裝置上進(jìn)行。并在靶室內(nèi)外搭建天線診斷系統(tǒng)，對(duì)電磁脈沖信號(hào)進(jìn)行采集。本文討論分析了靶室內(nèi)小盤錐和矩形全向天線所采集的信號(hào)，并且兩款天線所測(cè)時(shí)域信號(hào)值在特征峰位置吻合得相當(dāng)好，所測(cè)頻譜也最大范圍的囊括了示波器的頻域值，圖像清晰的顯示了激光與黑腔靶相互作用過程的4個(gè)電磁脈沖產(chǎn)生機(jī)制。

強(qiáng)激光；黑腔靶；電磁脈沖；神光Ⅲ主機(jī)；天線

實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兎磻?yīng)將會(huì)為人們提供安全、經(jīng)濟(jì)、豐富的能源[1]。而慣性約束聚變（inertial confinement fusion, ICF）是實(shí)現(xiàn)受控?zé)岷司圩兒苡邢Ｍ耐緩街籟2]。激光聚變是以強(qiáng)激光作為驅(qū)動(dòng)源，通過內(nèi)爆作用，壓縮氘、氚等熱核燃料到高溫高密度狀態(tài)，在慣性約束下，實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火獲取聚變能[3]。我國(guó)中國(guó)工程物理研究院的神光系列裝置可實(shí)現(xiàn)聚變點(diǎn)火。其中神光Ⅲ主機(jī)裝置于2015年9月 15日全面建成，是世界上第二大輸出能量的激光器[4]。

激光與點(diǎn)火靶相互作用過程中，會(huì)有熱電子從靶材料上噴射出來，此時(shí)靶帶正電，在靶面靜電場(chǎng)作用下，電子形成回流[7]。在這個(gè)過程中會(huì)產(chǎn)生大量的寬頻域（幾十MHz～5GHz），大強(qiáng)度的電磁輻射，這些電磁脈沖（electromagnetic pulse, EMP）對(duì)實(shí)驗(yàn)中的電子器件和診斷設(shè)備將會(huì)產(chǎn)生不同程度的干擾與損壞，嚴(yán)重的將致使設(shè)備出現(xiàn)故障，從而無法對(duì)實(shí)驗(yàn)中的物理量進(jìn)行準(zhǔn)確的測(cè)量[5-6]。本次實(shí)驗(yàn)采用小盤錐和矩形全向天線對(duì)靶室內(nèi)的電磁脈沖進(jìn)行收集，通過這兩款電場(chǎng)天線的時(shí)域和頻域的分布圖像，為激光聚變實(shí)驗(yàn)物理過程中電磁脈沖產(chǎn)生機(jī)制研究和優(yōu)化防護(hù)措施提供實(shí)驗(yàn)依據(jù)。

1 實(shí)驗(yàn)靶參數(shù)

本次實(shí)驗(yàn)在神光Ⅲ主機(jī)裝置上進(jìn)行，實(shí)驗(yàn)增加了背光光源和背光靶，如圖 1、圖 2所示，背光靶框架上封有一層CH薄膜，用于提供均勻的面光源。與背光靶同一水平線上對(duì)開的診斷口，用于背光成像測(cè)量。柱腔腔軸豎直放置，黑腔中心置于靶室基準(zhǔn)位；背光靶中心距離黑腔中心3500μm（其中背光靶指向靶室26°），背光靶朝向66#DIM（天線診斷大致方位）方向，抽出外環(huán)4路激光作為背光驅(qū)動(dòng)光源。

圖1 激光靶圖側(cè)面示意圖

圖2 激光靶圖正面示意圖

2 實(shí)驗(yàn)布置

我國(guó)的神光Ⅲ主機(jī)裝置可輸出 48束陣列化的三倍頻180kJ/3ns，峰值功率60TW的激光輸出，分別從南北兩個(gè)半球入射靶室，匯聚在靶上。本次實(shí)驗(yàn)基于神光Ⅲ主機(jī)裝置，實(shí)驗(yàn)大致布局如圖3所示。

實(shí)驗(yàn)使用12.5GHz的示波器進(jìn)行信號(hào)采集，用10m的電磁脈沖信號(hào)線將其連接可固定在靶室壁上的專門定制的法蘭上，與靶室內(nèi)的電磁脈沖接收天線組合裝置相連，各天線收集的電磁脈沖信號(hào)獨(dú)立輸出。靶室內(nèi)的天線組合裝置有個(gè)全銅罩口徑與法蘭口一致，用來保護(hù)同軸線纜，以及屏蔽靶室內(nèi)電磁信號(hào)與纜線的耦合。小盤錐距離靶室壁 115cm，矩形全向天線距離靶室壁 105cm。電磁輻射在靶室內(nèi)比較強(qiáng)，所以在天線與示波器之間加入了相應(yīng)大小的衰減器，小盤錐和矩形全向天線在本發(fā)次中分別都加了40倍衰減，用以保護(hù)示波器。

圖3 神光Ⅲ主機(jī)裝置上實(shí)驗(yàn)布局

本次激光打靶實(shí)驗(yàn)使用充氣（0.3atm）柱腔靶，靶尺寸為φ 2.4mm×4.0mm，激光注入口（LEH）φ 1.2mm。柱腔腔軸豎直放置，黑腔中心置于靶室基準(zhǔn)位；背光靶中心距離黑腔中心3500μm（其中背光靶指向靶室 26°）。激光光束（除背光光束）交叉點(diǎn)位于黑腔注入孔中心；激光能量參數(shù)見表 1，其中背光激光（共 4束），3000J/3ns/351nm/800μm CPP，方波，延遲4ns，彈著點(diǎn)位于背光靶中心，激光總能量為86307J。

表1 激光能量參數(shù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果及分析

本實(shí)驗(yàn)在神光Ⅲ主機(jī)裝置上進(jìn)行了多次重復(fù)實(shí)驗(yàn)，得到的多組數(shù)據(jù)結(jié)果都比較穩(wěn)定，本文選取其中一發(fā)次實(shí)驗(yàn)進(jìn)行具體分析。實(shí)驗(yàn)使用兩組電場(chǎng)天線，即頻帶響應(yīng)較窄的矩形全向天線和頻帶響應(yīng)較寬的小盤錐天線對(duì)電磁脈沖進(jìn)行收集，并在同一臺(tái)12.5GHz的示波器上輸出。

圖 4為實(shí)驗(yàn)中接收到的時(shí)域電壓信號(hào)，如圖 4所示，小盤錐和矩形全向天線在10ns以內(nèi)區(qū)域吻合比較好。兩種天線均在 1ns、4ns、8ns處出現(xiàn)峰值電壓，且它們都出現(xiàn)了明顯的4個(gè)峰值電壓。由圖5所示，小盤錐前3個(gè)峰值電壓分別為22V、20V、86V，第4個(gè)峰值電壓出現(xiàn)在26ns處，峰值電壓為34V。如圖 6所示，矩形全向天線前面 3個(gè)峰值電壓分別為-10V、-14V、-50V，第 4個(gè)峰值電壓出現(xiàn)在 15ns處，峰值電壓為-40V（由于電場(chǎng)天線的具有方向性，正負(fù)號(hào)只代表接收信號(hào)的正反面）。由于兩種天線的效率和增益各有區(qū)別，在同一發(fā)次中接受到的電壓幅值存在不同程度的差異，同時(shí)其頻域的響應(yīng)范圍不同，在后一段時(shí)間吻合不佳。

圖4 時(shí)域信號(hào)對(duì)比

圖5 小盤錐天線時(shí)域信號(hào)

通過討論4個(gè)時(shí)域峰值，分別體現(xiàn)了激光與靶相互作用的4個(gè)產(chǎn)生電磁脈沖過程。在第一個(gè)峰值點(diǎn)（0～1ns）時(shí)間內(nèi)，對(duì)應(yīng)的是激光從黑腔兩端燒蝕封口膜，從激光注入口（LEH）注入后，與黑腔壁的高Z物質(zhì)相互作用，產(chǎn)生X射線和電磁輻射的過程。第二個(gè)峰值點(diǎn)（1～4ns）時(shí)間內(nèi)，對(duì)應(yīng)著背光激光與背光靶相互作用產(chǎn)生的電磁脈沖過程，由于4束背光激光會(huì)延后其他激光4ns，匯聚在背光靶中心，所以在 4ns的時(shí)刻，剛好發(fā)出背光激光，與背光靶相互作用。第三個(gè)峰值點(diǎn)（4～8ns）時(shí)間內(nèi)，對(duì)應(yīng)的是黑腔爆炸產(chǎn)生反向推力壓縮氘、氚熱核燃料組成的靶丸，使其達(dá)到高溫高密度狀態(tài)。在 8ns時(shí)刻，實(shí)現(xiàn)慣性約束聚變，釋放聚變能和大量的電磁輻射。因此，在此時(shí)刻的峰值電壓達(dá)到最大值，也是電磁輻射的一個(gè)峰值時(shí)刻。第四個(gè)峰值點(diǎn)就有所區(qū)別，小盤錐天線出現(xiàn)在 26ns時(shí)刻，峰值電壓34V；而矩形全向天線的峰值出現(xiàn)在15ns處的-40V處。這個(gè)點(diǎn)對(duì)應(yīng)的是補(bǔ)償電流產(chǎn)生的電磁脈沖過程。激光與靶相互作用后，會(huì)有電子從靶材料上噴射出，從而使靶帶上正電，之后就會(huì)有電子補(bǔ)償進(jìn)來，即補(bǔ)償電流，補(bǔ)償電流會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。

對(duì)于電場(chǎng)天線接收到的電磁脈沖時(shí)域信號(hào)，通過對(duì)其進(jìn)行快速傅里葉變化（fast fourier transform，F(xiàn)FT），轉(zhuǎn)換為天線的頻域信號(hào)。如圖7所示，小盤錐在0.03GHz，0.05GHz，0.17GHz處均出現(xiàn)峰值，分別為2.28dB，2.79dB，0.87dB。如圖8所示，而矩形全向天線則在0.15GHz，0.70GHz，0.92GHz處分別出現(xiàn)0.57dB，0.21dB，0.25dB的峰值。這是由于矩形全向天線的全向性比較好，增益高，特別是對(duì)高頻頻段有很好的響應(yīng)；而小盤錐天線全向性稍差，響應(yīng)頻帶主要集中在低頻段。但可以看出，在他們共同響應(yīng)的頻段出現(xiàn)峰值的頻率點(diǎn)和峰值大小都吻合得很好。由此信號(hào)總體來看，可發(fā)現(xiàn)所測(cè)量到的頻譜很低，而激光與靶相互作用過程中所產(chǎn)生的電磁脈沖是達(dá)幾十 MHz～5GHz的寬頻域，高強(qiáng)度。這說明電子在噴射的過程中被抑制住了，從而只收集到低頻部分的電磁脈沖信號(hào)。

圖6 矩形全向天線時(shí)域信號(hào)

圖7 小盤錐天線頻域分布

圖8 矩形全向天線頻域分布

4 結(jié)論

本文利用小盤錐和矩形全向兩款電場(chǎng)天線對(duì)強(qiáng)激光與柱腔靶相互作用在靶室內(nèi)產(chǎn)生的電磁脈沖的分布進(jìn)行了測(cè)量與分析。實(shí)驗(yàn)測(cè)得該兩款天線的時(shí)域信號(hào)，對(duì)其時(shí)域信號(hào)做傅里葉變換得到天線的頻域信號(hào)。兩款天線在時(shí)域上吻合得很好，很完美地體現(xiàn)的電磁脈沖產(chǎn)生的4個(gè)機(jī)制。激光首先通過柱腔靶注入口，燒蝕封口膜，與腔壁高Z物質(zhì)相互作用產(chǎn)生X射線和電磁輻射；此時(shí)延后4ns的背光光源照射背光靶產(chǎn)生電磁輻射；之后X射線加熱靶丸，將其壓縮至高溫高壓狀態(tài)使其產(chǎn)生內(nèi)爆，黑腔解體產(chǎn)生大量電磁輻射；最后出現(xiàn)的補(bǔ)償電流也會(huì)產(chǎn)生電磁輻射。并且，在后兩個(gè)過程所產(chǎn)生的電磁輻射比較大，對(duì)靶室內(nèi)的診斷設(shè)備和電器會(huì)造成很大的損害和干擾。所以，有必要對(duì)儀器設(shè)備采取相關(guān)的屏蔽措施。本次實(shí)驗(yàn)只收集到了靶室內(nèi)的電磁脈沖信號(hào)，靶室外的信號(hào)沒有收集成功，不能進(jìn)行靶室內(nèi)外的信號(hào)強(qiáng)度比較；所用天線搭配優(yōu)化不夠。在接下來的實(shí)驗(yàn)中要對(duì)靶室外不同方位的電磁信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，并優(yōu)化天線的選擇搭配。

[1] Roth J, 李中興, 譯. 聚變能引論[M]. 北京： 清華大學(xué)出版社, 1993.

[2] 王淦昌, 袁之尚. 慣性約束核聚變[M]. 合肥： 安徽教育出版社, 1996.

[3] 江少恩, 丁永坤, 繆文勇, 等. 我國(guó)激光慣性約束聚變實(shí)驗(yàn)研究進(jìn)展[J]. 中國(guó)科學(xué)： G 輯： 物理學(xué) 力學(xué)天文學(xué), 2009, 39(11)： 1571-1583.

[4] 鄭萬國(guó), 魏曉峰, 朱啟華, 等. 神光-Ⅲ主機(jī)裝置成功實(shí)現(xiàn) 60TW/180kJ三倍頻激光輸出[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 2016, 28(1)： 207-208.

[5] 楊進(jìn)文, 楊鳴, 易濤, 等. 強(qiáng)激光靶耦合過程中激發(fā)的電磁脈沖診斷與分析[J]. 電工技術(shù)學(xué)報(bào), 2016,32(13)： 5-10.

[6] Brown C G, Ayers J, Felker B, et al. Assessment and mitigation of diagnostic-generated electromagnetic interference at the National Ignition Facility[J].Review of Scientific Instruments, 2012, 83(10)：10D729.

[7] Pearlman J S. Charge separation and target voltages in laser-produced plasmas[J]. Applied Physics Letters,1977, 31(7)： 414-417.

[8] Tao Yi, Jinwen Yang, Tingshuai Li, et al. Investigation Into the Electromagnetic Impulses From LongPulse Laser Illuminating Solid Targets Inside a Laser Facility,IEEE Photonic Sensors, 2016, 9, 6(3)： 249-255.

[9] Kmetec J, Gordon C, Macklin J, et al. MeV X-ray Generation with a femtosecond laser[J]. Physical Review Letter, 1992, 68(10)： 1527-1530.

[10] 楊進(jìn)文, 易濤, 李廷帥, 等. 激光打靶過程中的電磁脈沖特性[J]. 強(qiáng)激光與粒子束, 27(10), 103224(2015).

[11] 楊進(jìn)文, 楊鳴, 李廷帥, 等. 神光 III主機(jī)裝置激光打靶產(chǎn)生電磁脈沖特性研究[J]. 電氣技術(shù), 2016(11)：21-24.

Electromagnetic Pulse Radiation Characteristics Research in Laser Fusion Physics

Yan Ying1,2Jiang Shaoen1Yi Yougen2Yi Tao1Ding Yongkun1
(1. Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900;2. The Central South University, Institute of Physics and Electronic, Changsha 410012)

Laser fusion physics will produce a large number of electromagnetic pulse radiation, the electromagnetic pulse spectrum is wide and the intensity is high, it will be caused different degrees of impact on the normal operation and precision measurement of the diagnostic equipment. In order to study the characteristics of the electromagnetic pulse. To provide a basis for the mechanism of research and optimization of protective measures. This experiment, in the SG Ⅲ host device on. And the antenna diagnosis system is in the chamber inside and outside, collecting the electromagnetic pulse signal. This article analyzes the target of indoor small discone and collected signals, the rectangular antenna and two antenna measured time domain signals match quite well in characteristic peak position,the measured spectrum also contains the largest oscilloscope frequency domain values, and the image clearly shows the four processes of the interaction between the laser and the black-cavity target.

laser; black cavity target; electromagnetic pulse; SG-Ⅲ; antenna

嚴(yán) 穎（1993-），女，湖南省長(zhǎng)沙人，碩士研究生，主要從事神光裝置電磁脈沖輻射研究工作。