楊燕飛，李廷帥

(1.山東科技職業(yè)學(xué)院 基礎(chǔ)部，濰坊 261053；2.電子科技大學(xué) 材料與能源學(xué)院，成都 611731)

引 言

慣性約束聚變(inertial confinement fusion，ICF)是一種實(shí)現(xiàn)核聚變的有效方法，它依靠慣性約束產(chǎn)生大量等離子體來獲得核聚變過程中的超高溫超高壓條件[1-3]。直接驅(qū)動(dòng)就是通過激光束直接輻照靶丸，加熱靶體薄壁。在這一過程中，包裹在靶丸外層低密度冕區(qū)中的電子將吸收外界能量，形成超熱電子。伴隨超熱電子的出射，能量被傳遞到靶殼的高密度區(qū)域，并驅(qū)動(dòng)燒蝕，最終實(shí)現(xiàn)內(nèi)爆[4-5]。然而，在這一過程中不斷有高強(qiáng)度、寬頻率(幾十兆赫茲～5GHz)的電磁脈沖(electromagnetic pulse，EMP)被激發(fā)[5-7]，其主要來源可以歸結(jié)為高能電子從靶體表面逃逸，并對(duì)靶體進(jìn)行充電。此外，靶桿的中和電流也對(duì)EMP的產(chǎn)生起到了一定的作用[8]。因此，電磁脈沖的強(qiáng)度與熱電子之間存在密切的關(guān)系[9]。

目前的研究表明：由不同的加熱過程或吸收過程產(chǎn)生的熱電子呈現(xiàn)出不同的角分布。例如對(duì)于p偏振光，對(duì)非相對(duì)論而言，由共振吸收和真空加熱產(chǎn)生的超熱電子一般沿著密度梯度方向發(fā)射，而由相對(duì)論場(chǎng)加熱和激光尾流場(chǎng)產(chǎn)生的超熱電子一般沿著激光的傳播方向發(fā)射[10]。經(jīng)過準(zhǔn)直的超熱電子沿著激光的鏡面方向發(fā)射[11-12]。CAI等人報(bào)道了超短超強(qiáng)激光與固體靶相互作用形成的熱電子的角分布，他們發(fā)現(xiàn)，當(dāng)入射激光的角度設(shè)置為45°時(shí)，激光反射方向和法向方向有兩個(gè)發(fā)射峰[13]。當(dāng)熱電子從靶上逃逸時(shí)，從靶桿中產(chǎn)生中和電流，如果將整個(gè)結(jié)構(gòu)等效為半偶極子天線，則可以發(fā)射高強(qiáng)度EMP信號(hào)。并且，如果使用絕緣靶桿，則無法產(chǎn)生較高頻范圍(GHz)內(nèi)的EMP信號(hào)，信號(hào)強(qiáng)度將大幅衰減[14]，這是因?yàn)橥ㄟ^靶桿的回流電流減少的同時(shí)，由此產(chǎn)生的輻射電磁能量也會(huì)減少；此外，靶體與靶桿的形狀也會(huì)明顯影響EMP輻射的強(qiáng)度[15]。

在強(qiáng)激光與靶相互作用輻射電磁脈沖的研究方面，電磁脈沖與激光強(qiáng)度[16-17]、靶型的關(guān)系[18-20]已經(jīng)被廣泛研究。在本研究中，作者揭示了電磁脈沖強(qiáng)度、分布與激光參量及靶桿之間的關(guān)系，這有助于加深對(duì)激光與固體靶相互作用產(chǎn)生電磁脈沖機(jī)理的理解。

1 實(shí) 驗(yàn)

本文中進(jìn)行的所有實(shí)驗(yàn)都是在一個(gè)總能量為100J的實(shí)驗(yàn)裝置上進(jìn)行的。如圖1所示，超短脈沖激光(4ns，波長1053nm)以45°角照射銅箔產(chǎn)生的電磁脈沖采用B-dot天線進(jìn)行測(cè)量。為有效地對(duì)比分析，用連接在帶寬為8GHz的示波器(Agilent Infiniium DSO80804B/8GHz40gsa/)上的幾個(gè)超小B-dot(EMP探頭)對(duì)電磁脈沖進(jìn)行定點(diǎn)測(cè)量。所有天線被放置在距離靶室中心3cm的6個(gè)不同方向，分別為45°,67.5°,75°,90°,105°和135°(所有這些角度都是以激光入射的零度方向作為參考給出的)。為了比較EMP特征，采用的是同一種靶，但支撐靶體的靶桿分別為導(dǎo)電型和絕緣型以觀察回流電流對(duì)電磁輻射的影響。表1中給出了打靶的發(fā)次編號(hào)與激光能量、EMP探頭的對(duì)應(yīng)關(guān)系。

Fig.1 The schematic diagram for experiment

Table 1 The laser energy and types of targets

2 結(jié)果與討論

圖2展示了不同位置檢測(cè)到的EMP信號(hào)波形圖。

Fig.2 The typical EMP waveforms at different angles

第1發(fā)激光照射在由導(dǎo)電靶桿支撐的銅箔上，產(chǎn)生的電磁脈沖波形如圖2a所示，其幅值大于由第2發(fā)激光打在絕緣靶桿支撐的銅箔上產(chǎn)生的電磁脈沖(如圖2b所示)。第1發(fā)激光產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)在90°處達(dá)到峰值20V，而第2發(fā)在67.5°處達(dá)到峰值17V，表明激光輻照兩種靶時(shí)，在靶桿產(chǎn)生充放電模式有變化，導(dǎo)致了出射熱電子的不同分布[7-8]。

圖3中對(duì)比了兩組不同靶桿在不同位置的電磁脈沖信號(hào)。圓圈和方形分別表示來自導(dǎo)電靶桿和絕緣靶桿的信號(hào)?？梢钥闯觯瑏碜杂趯?dǎo)電靶桿的信號(hào)明顯比絕緣靶桿的信號(hào)大，最大達(dá)到了22V。圖4中正三角形和倒三角形表示的兩組數(shù)據(jù)采集于絕緣靶桿，方形和圓圈表示的兩組數(shù)據(jù)來自導(dǎo)電靶桿。經(jīng)過仔細(xì)對(duì)比之后發(fā)現(xiàn)，來自導(dǎo)電靶桿的電磁信號(hào)明顯大于來自絕緣靶桿的信號(hào)。

Fig.3 Influence of target stalk on EMP radiations

如圖5所示，圖5a～圖5c中曲線表示導(dǎo)電靶桿對(duì)應(yīng)的EMP信號(hào)，圖5e～圖5g中曲線表示絕緣靶桿對(duì)應(yīng)的EMP信號(hào)。圖5a所示導(dǎo)電桿產(chǎn)生的EMP最大值是絕緣桿(見圖5e)最大值的100倍;但在圖5b中，導(dǎo)電桿對(duì)應(yīng)的EMP最大值與絕緣桿(見圖5f)最大值的比值僅為1.6。圖5c中兩組信號(hào)的最大值相差不大。通過對(duì)這些EMP信號(hào)的頻域分析發(fā)現(xiàn)，圖5a、圖5e和圖5b、圖5f中兩種靶桿對(duì)應(yīng)的頻域差異不大，而圖5c、圖5g中所示的兩種靶桿對(duì)應(yīng)的頻域相差較大。

Fig.4 The EMP signals detected on varying target stalk

由圖3和圖4中的結(jié)果可以看出，導(dǎo)電靶桿對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值整體大于絕緣靶桿對(duì)應(yīng)的信號(hào)幅值。根據(jù)等效半偶極子輻射電磁脈沖模型。由于導(dǎo)電靶桿可以使電荷在靶體和靶室地面之間進(jìn)行傳輸，電磁出射產(chǎn)生后在靶體形成的正電勢(shì)會(huì)通過靶桿吸收地面的電子。此時(shí)，電子出射產(chǎn)生的電勢(shì)差將減小，電子出射的阻礙減小，因此導(dǎo)致電磁脈沖輻射增強(qiáng)。然而，從圖5中的結(jié)果可以看出，偶極輻射并不是唯一的機(jī)制，因?yàn)樵诮^緣靶桿的情況下，靶室內(nèi)仍然會(huì)存在一些GHz頻段的EMP信號(hào)。

圖6中3組EMP數(shù)據(jù)均來自絕緣靶桿情況下的測(cè)量結(jié)果。如圖所示，每組數(shù)據(jù)都由一種形狀表示。

Fig.5 The evolution of voltage signals by FFT transformation

Fig.6 EMP signals detected at different directions on the insulating stalk

檢測(cè)4個(gè)不同方向的EMP信號(hào)，分別為45°,67.5°,90°,135°。所有這些測(cè)試結(jié)果表明，在法線方向(45°)和激光反射方向(90°)之間區(qū)域的EMP信號(hào)大于在激光反射方向(135°)以上區(qū)域的EMP信號(hào)。

圖7中兩組EMP數(shù)據(jù)均來自導(dǎo)電靶桿的測(cè)量結(jié)果，但探測(cè)方向與圖6不同。其探測(cè)方向分別為45°,75°,105°和135°。在法線方向(45°)和激光反射方向(75°)內(nèi)的結(jié)果也大于在激光反射方向(105°和135°)上的結(jié)果。可以看出，圖7所示的變化趨勢(shì)與圖6的相同，由此可知，圖5和圖6中的電磁輻射差異的主要原因是超熱電子的發(fā)射方向不同，所以不同方向的EMP信號(hào)存在差異[9]?？梢钥吹?，電磁輻射具有極強(qiáng)的激化特性，這與出射熱電子的能量、方向和數(shù)量有直接關(guān)系[15]，同時(shí)，電磁脈沖在等離子中的傳播也會(huì)影響其波形與輻射強(qiáng)度[21-22]。因此，如果要做到對(duì)靶室內(nèi)主要診斷設(shè)備的防護(hù)，應(yīng)該首先考慮把設(shè)備安置在這些強(qiáng)輻射區(qū)域以外，然后結(jié)合由激光的參量、把參量決定的電磁強(qiáng)度來做綜合屏蔽設(shè)計(jì)。

Fig.7 The EMP signals for conductive stalk at different directions

3 結(jié) 論

本文中研究了激光打靶過程中的電磁輻射現(xiàn)象。采用4只相同的B-dot天線測(cè)量了超短(4ns)激光以45°照射銅箔產(chǎn)生的電磁脈沖信號(hào)，并進(jìn)行了對(duì)比分析，討論了電磁輻射的極化方向。著重分析了在不同方向、導(dǎo)電靶桿和絕緣靶桿支撐下的電磁脈沖輻射強(qiáng)度，進(jìn)一步深化了解了電磁輻射產(chǎn)生的本質(zhì)。結(jié)果表明：電磁輻射與測(cè)試的角度與靶桿材料直接相關(guān),在激光入射的法線方向，具有輻射強(qiáng)度較大，并且導(dǎo)體靶桿能夠產(chǎn)生更強(qiáng)的電磁輻射，揭示了強(qiáng)激光打靶誘導(dǎo)的電磁輻射具有很強(qiáng)的極化特性。

本文是在中國工程物理研究院激光聚變研究中心工作人員的指導(dǎo)和幫助下完成的，在此對(duì)靶場(chǎng)提供測(cè)試幫助的王志強(qiáng)表示感謝。