新型金M带平响应探测器功能验证

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论文摘要

  在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)研究中,金是目前最常用的腔壁材料,因此金M带辐射(光子能量1.6~4.5keV)的相关物理问题是ICF中重要的研究内容。而激光与金腔壁作用中产生的M带辐射会预热靶丸燃料,最终降低内爆过程中的流体力学效率,因此,抑制金M带辐射预热靶丸,一直是ICF研究的重点。由于金M带辐射功率在激光打靶过程中变化较大,为达到最佳的内爆烧蚀和压缩效率,通常烧蚀层中会分层掺杂不同浓度的中Z材料,这就需要较精确的金M带辐射份额及其时间行为数据。在激光与金材料作用中产生的M带辐射受电子热传导、材料不透明度和状态方程等多种因素影响,目前还很难建立准确的数值模拟,这就需要通过实验数据来获得准确的M带辐射特性,并完善点火靶设计及理论模拟。目前金M带辐射的实验测量主要采用软X光能谱仪(Dante),软X光能谱仪可以实现对金M带的时间分辨测量,但是在金M带能区谱响应较差,较难定量测量,而且软X光能谱仪结构复杂,只能获得一至两个观测角度的实验结果,难以在靶室上多点排布,而金M带辐射主要来自于激光焦斑,因此较难定量还原整个黑腔内部的金M带辐射特性。针对目前的实验情况,课题组研发了一种新型的金M带平响应探测器。这种探测器具备谱响应特性好、较高的时间分辨、体积较小便于安装等特点,能够在同一次金M带测量中获取多个角度的数据。其主要创新点是设计了一种特殊的复合滤片,这种滤片与通用的Al阴极XRD探测器结合后实现了1.6~4.4keV之间的带通平响应特性;同时特殊的微孔阵列结构也满足了在北京同步辐射光源上进行精密标定的要求。利用这种新型探测器与高速示波器等探测设备组成的测量系统在ICF实验中获得了腔外金M带的能量份额、时间行为及其空间角分布,为优化设计靶丸和了解腔内等离子体填充特性等提供了实验基础。

  1金M带诊断技术原理

  在过去的实验中金M带测量通常采用Al阴极XRD加15μm的Be滤片和4μm的Ti滤片测量,图1给出了组合滤片加XRD探测器整体响应曲线,可以看出组合滤片加XRD探测器抑制了2keV以下和5keV以上的X射线,但整个金M带能量响应平整度较差,较难实现准确的定量测量。
  为了改善金M带的带通能区平响应特性,我们重新考虑了探测器的配置。首先,由于实际黑腔辐射谱大部分能量集中在低能部分,而Al材料吸收边在1.6keV附近,因此选用Al阴极XRD可以抑制低能区的影响。其次,为了配合Al阴极XRD的响应曲线,使整个探测器的灵敏度为平响应,我们采用了多种材料或材料组合进行了大量计算,最后采用了复合滤片的方式,即采用3.9μm的Sc滤片和720nm的B滤片一起作为前滤片,用34μm厚的带针孔阵列的Sc滤片作为后滤片,针孔阵列空占比为18%,针孔直径95μm,孔间距200μm。使用Sc滤片是因为其在4.5keV附近有吸收边,可以作为带通响应曲线的下降边,而采用微针孔阵列的优点是能够在空间并不均匀的光源下进行绝对标定。

复合滤片G6+C1106号Al阴极XRD整体响应曲线图
  图2给出了经北京同步辐射光源绝对标定获得的特殊复合滤片与Al阴极XRD配合的整体响应曲线,其平响应较好的能量区间为1.6~4.5keV。

  2实验条件和布局

  腔靶结构和探测器排布示意图如图3所示,腔靶位于真空靶室中央,实际的腔靶几何尺寸很小,示意图中腔靶尺寸人为放大。腔靶注入口为南北朝向,八路激光对称均匀入射。在黑腔物理实验中主要诊断设备有:一台时空分辨可见光谱仪(SOP)测量台阶样品背侧可见光信号的时空分辨图像,给出冲击波传播速率;三台软X光能谱仪(SXS)测量腔内时间分辨X光谱、腔内辐射温度;八支新型金M带带通平响应XRD测量金M带时间演化行为、角分布和能量份额;八支新型平响应XRD(PXRD)测量辐射流角分布。
  经过优化不同复合滤片与不同Al阴极XRD探测器组合得到的配置参数见表1所示。表中偏离平整度(relative meansquare error)定义为在相关能区谱响应标准方差与平均值之比值。我们在实验中在靶室上布置了八个金M带带通平响应探测器测量腔外的金M带能量份额及其空间角分布,它们的位置分别为:北纬25°在东经22.5°,北纬15°在西经90°,北纬65°、55°、45°、35°、25°、15°在西经0°。

探测器排布示意图金M带带通探测器的配置及其标定的偏离平整度图

  3金M带诊断结果与分析

  图4给出了靶室上不同位置的探测器观察标准腔靶的三维视图。可以看到,若不考虑腔内激光焦斑的移动和膨胀,离焦注入时各个角度只能看到很小的激光弹着点,或完全看不到;聚焦时则完全看不到激光弹着点。
  从左至右分别为西经0度线上与轴线夹角为65°,55°,45°,35°,25°,15°时的视角。
  离焦注入情况下标准腔靶及激光焦斑的3D视图  图5和图6分别给出了大腔和输运(R-T)腔不同方向金M带发射功率时间曲线和金M带强度角分布。
  大腔柱端直径1mm,长2.1mm,激光注入孔(LEH)0.6mm,实验中入射激光总能量1.72kJ,脉宽1ns;输运腔尺寸1.0mm×1.7mm,LEH为0.5mm,入射激光总能量2.27kJ,脉宽2ns。图中零时刻为激光注入时刻(时间已经根据短脉冲激光打靶定标)。
  大腔靶实验中不同方向金M带发射功率时间演化曲线(a)和金M带强度角分布(b)图  金M带带通平响应探测器测量的信号主要是激光焦斑或等离子体聚心后进入探测器视场的M带X射线。因此角度较大的探测器测量的是接近LEH处腔壁等离子体聚心后所发射的X射线,离激光焦斑较远,其腔壁的离化缘自焦斑处的热传导,等离子体温度较低,而且随着角度增加,透过LEH的视场减小,所以金M带X光较弱,即探测器角度越大其测量值越小。相反,随着角度减小,探测器视场中测量的是焦斑及附近区域的等离子体聚心运动发光,其温度更高,并且同时探测器视场范围较大,所以探测器与腔轴夹角越小金M带测量值越大。
  从图6可以明显看出,对于输运腔在1.7ns左右,所有探测器测得的金M带信号都开始迅速增大,我们分析在1.7ns之后腔内已经出现了Au等离子体堵腔效应,在这之前的金M带辐射是探测器通过LEH测得的腔内壁激光焦斑附近等离子体发射的X光。当腔内充满等离子体后,即堵腔以后,激光能量沉积区域移动到LEH附近,此时相当于四束激光重叠打Au平面靶,所以激光功率密度迅速升高,激光到金M带能量的转换份额也同时升高。
  另外,从图5和图6中也可以看出存在方位角相同而测量结果不同的现象。这是由于实验中腔靶每端只有四路激光注入,无法在环绕腔轴的方向上达到均匀分布,四路激光入射条件稍有不平衡,便会影响到测量结果。而方位角同为25°,在东经22.5°探测器的测量值要比在西经0°的大得多,还与视场有关,前者比后者更加接近经度为45°和135°的激光入射方位,在整个打靶过程中都要比后者看得到更多的激光焦斑,因此在东经22.5°的探测器测量的M带能量份额要大于在西经0°的探测器。

  4结论

  通过复合滤片的优化设计,与通用Al阴极XRD配合能够实现金M带X光能区的带通平响应特性,大部分探测器整体偏离平整度小于10%。利用新型金M带带通平响应探测器在神光系列实验中获得了腔外金M带的能量份额和空间角分布规律。在针对大腔和输运腔的金M带X光实验中,通过对腔内等离子体的运动和探测器视场的分析,很好地解释了实验现象。实验结果为靶丸优化设计和腔内等离子体填充特性等相关物理的进一步研究奠定了实验基础。

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