我国激光惯性约束聚变实验研究进展

中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期: 1571 ~ 1583 《中国科学》杂志社SCIENCE IN CHINA PRESS我国激光惯性约束聚变实验研究进展江少恩*, 丁永坤, 缪文勇, 刘慎业, 郑志坚, 张保汉, 张继彦, 黄天晅, 李三伟, 陈家斌, 蒋小华, 易荣清, 杨国洪, 杨家敏, 胡昕, 曹柱荣, 黄翼翔中国工程物理研究院激光聚变研究中心, 绵阳 621900 * E-mail: jiangshn@收稿日期: 2009-03-15; 接受日期: 2009-08-02国家高技术研究发展计划和国家自然科学基金(批准号: 10775120)资助项目摘要 介绍国内自2000年以来的激光惯性聚变(inertial confmement fusion, ICF)实验研究进展, 主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验, 也对刚建成不久的神光III 原型装置上的实验作简要介绍. 在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究, 进行了系列综合和分解实验, 获得的主要实验技术指标为: 黑腔峰值辐射温度超过二百万度; 辐射驱动DT 聚变中子产额达108和辐射驱动压缩DD 燃料密度超过10倍液氘密度; 辐射不透明的样品温度接近100 eV. 在神光II 装置上得到这些结果表明国内在惯性约束聚变研究方面取得了显著的进步. 随着神光III 原型装置建造的完成, 2007年在该装置上进行了首轮物理实验, 开展了黑腔物理和辐射内爆物理实验, 首轮实验的成功说明神光Ⅲ原型装置已具备实验能力.关键词激光聚变 神光II 激光装置 神光III 原型装置 激光惯性聚变(ICF)在地球上实现受控热核聚变反应, 将可能为人类提供丰富、经济、安全的能源. 惯性约束聚变(ICF)是实现受控热核聚变很有希望的途径之一, 它是通过内爆对热核燃料进行压缩, 使其达到高温高密度, 在内爆运动过程中惯性约束下实验热核点火和燃烧, 从而获取聚变能的方法. 激光聚变是用激光作为驱动源的. ICF 领域研究工作的开展无论对国民经济、 军事应用, 还是对于基础研究探索都有着重要而特殊的意义. ICF 早已成为当代重大而难度大的国际高科技研究课题, 为了演示点火和聚变燃烧, 世界各地都在进行兆焦耳激光器拍瓦激光器高重复率能量驱动器的运转和建造, 美国于2009年建成国家点火装置(NIF)[1], 法国正在加紧建造兆焦激光装置(LMJ)[2].ICF 的基本思想是: 利用激光或离子束作驱动源,脉冲式地提供高强度能量,均匀地作用于装填氘氚(DT)燃料的微型球状靶丸外壳表面, 形成高温高压等离子体, 利用反冲压力, 使靶外壳极快地向心运动, 压缩氘氚主燃料层到每立方厘米的几百克质量的极高密度, 并使局部氘氚区域形成高温高密度热斑, 达到点火条件(离子温度Ti>5 keV, 燃料的面密度ρR hs > 0.3 g/cm 2), 驱动脉冲宽度为纳秒级, 在高温高密度热核燃料来不及飞散之前, 进行充分热核燃烧, 放出大量聚变能. 采用激光产生的惯性约束聚变称为激光聚变. 利用激光产生驱动惯性约束聚变内爆需要的能流和压强可采用两种途径(见图1). 在直接驱动中, 多束激光束直接均匀辐照含有热核燃料的聚变靶丸, 激光能量被靶丸外层低密度的冕区中的电子吸收, 电子热传导将能量输运到靶壳的高密度区, 驱动烧江少恩等: 我国激光惯性约束聚变实验研究进展1572图1 ICF 利用直接驱动(a)或间接驱动(b)产生高烧蚀压驱动内爆蚀并产生内爆(图1(a)). 在间接驱动中, 激光能量被围绕靶丸的黑腔壁高Z 物质吸收并部分转换成X 光能量, 并被约束在黑腔内, 然后X 光被燃料的靶丸吸收, 产生烧蚀压力, 驱动内爆(见图1(b)).我国先后建造了神光Ⅰ, Ⅱ和Ⅲ原型激光装置. 在2000年建成的神光Ⅱ装置具有8束三倍频激光输出, 在物理实验中可以保证2 kJ/1 ns 激光注入黑腔[3]. 2005年在神光Ⅱ上又建成了第9束激光束, 用于背光照相. 第9路激光的输出能力为: 二倍频能量1500 J, 脉宽1~2 ns, 蝇眼透镜束匀化; 三倍频能量1200 J, 脉宽1~2 ns, 蝇眼透镜束匀化; 三倍频, 能量300~ 1200 J, 脉宽0.2~1.0 ns. 2006年基本完成了神光III 原型的建设, 8束三倍频激光输出能力为~10 kJ/1 ns. ICF 包括: 粒子束驱动、激光驱动、Z-pinch 等, 我们所研究的对象是以激光驱动的ICF, 因此, 文后的激光聚变和ICF 的内涵相同. 由于点火需要兆焦耳级的激光装置, 所以神光Ⅱ和神光Ⅲ原型等这样的装置主要用来进行物理分解实验研究. 因为激光聚变属于高能密度物理领域, 点火燃烧极其复杂和综合的物理过程, 因此分解实验十分必要.激光间接驱动ICF 可分为两大过程: (ⅰ) 激光-X 光转换过程, 即激光由入射孔注入黑腔产生辐射场的过程, 这是黑腔物理研究的内容; (ii) 内爆压缩和聚变点火燃烧过程, 即辐射场驱动内爆使得聚变燃料达到点火和传播燃烧所需的温度与密度条件的过程, 这是内爆物理研究的内容. 与黑腔物理相关的内容有: 黑腔辐射温度以及激光与等离子体相互作用等, 与内爆物理相关的内容包括: 内爆压缩的对称性、中子产额、流体动力学不稳定性等; 此外, 对ICF 的研究需要了解材料的状态参数: 高压状态方程(EOS)和辐射不透明度(Opacity). 于是这些就构成了间接驱动ICF 的分解实验内容.本文将介绍近年来在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型两个激光装置上实验研究的主要进展.1 神光Ⅱ装置上的物理实验2000年神光Ⅱ激光装置建造完成以后, 就作为国内“十五”期间最主要的激光聚变实验的研究装置. 依据引言中的介绍, 在神光Ⅱ装置上, 开展了许多分解实验研究: (ⅰ) 黑腔辐射温度, (ⅱ) 内爆物理, (ⅲ) 流体动力学不稳定性, (ⅳ) 辐射不透明度, (ⅴ) 辐射驱动冲击波. 对于神光II 装置上的主要诊断系统的介绍见文献[4].1.1 黑腔辐射温度在间接驱动ICF 中, 首先将驱动源能量转换为软X 光能量,由后者再去驱动靶丸内爆(故又称为辐射驱动). 间接驱动方式通常需要由“黑腔靶”(hohlraum)加以实现. 黑腔靶是一个由高Z 元素(常用金)构成的中空腔体, 形状多为柱形或球形, 并有一些孔, 让驱动源束进入腔内, 聚变靶丸置于黑腔的中央. 如果驱动源是激光, 这些激光束将辐照黑腔的内壁,在那里激光能量被吸收, 并大部分转换为X 射线, 然后经过输运将辐射传至内爆区, 从而驱动中心的靶丸内爆. 间接驱动的优点在于: 可以降低激光束均匀性和流体力学不稳定性的要求.在黑腔物理实验中, 研究激光与腔内等离子体 相互作用、腔内的辐射温度. 在神光Ⅱ三倍频8束激 光装置上, 探索产生各种高温辐射源的方法和途径. 腔靶一般采用两端开激光注入孔的圆柱体, 腔的轴 向沿南北方向. 8束激光分成两组南北各4束, 南北4 束激光为夹角45°的四棱锥结构, 同时分别穿过两个Φ 380 µm 微米小孔, 将总2000 J 三倍频激光注入黑腔靶. 下文中除特别指明外, 激光注入条件与此相同.辐射温度是黑腔靶最重要的特征参量, 因此, 黑 腔物理实验应着重关注辐射温度. 在神光Ⅱ三倍频8 束准方波激光条件打靶下, 改变腔靶尺寸和激光能 量等实验参数, 获得了3种典型的黑腔靶辐射温度(T r )的时间变化曲线, 图2给出了这3种黑腔即小腔 (small)、内爆(implosion)和输运(transport)腔的辐射温 度波形曲线[5,6], 其中高温小腔(Φ 600×500 µm)的辐 射温度可达190 eV; 辐射驱动内爆的黑腔尺寸为Φ 800 µm(直径)×L 1350 µm(长度)、辐射输运黑腔尺寸为Φ 800 µm (直径)×L 1600 µm (长度). 内爆黑腔的辐射中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期1573图2 几种典型黑腔的辐射温度波形曲线温度一般为170 eV , 输运腔的辐射温度通常为160 eV .1.2 内爆物理内爆物理是ICF 最为重要的研究内容, 为综合的 物理实验. 内爆物理研究内容包括内爆压缩与压缩 对称性、中子产额.1.2.1 内爆压缩与压缩对称性改变黑腔的长度, 能够得到不同大尺度二维不 均匀的辐射场, 利用已建立的内爆变形诊断技术(X 光分幅相机和二维单能成像系统), 研究非球对称内 爆变形, 数值模拟结果和实验测量定性上符合, 为开 展更复杂轴对称压缩变形实验奠定了基础.在柱对称黑腔中, 由于有限数量的激光光斑源 和激光入射口, 使得黑腔内部辐射场存在不对称的 因素. 需要研究在何种条件下能够获得较均匀的压 缩以及靶球压缩变形与辐射不均匀性的关系, 在轴对称假设下, 黑腔辐射场与黑腔长度相关联(见图3). 在激光入射的早期, 由于光斑发射X 光靠近靶球赤 道面, 使得其辐照温度高于两极的温度, 随着光斑的 运动, 两极感受到的辐射增强, 其温度高于赤道面上的温度, Φ 800 µm ×L1350 µm 的黑腔就会在靶球表面产生这样特点的辐射场, 内爆靶球压缩接近球形; 对 于短腔L =1200 µm, 赤道面上的温度始终高于两极的 温度, 在这样的辐射场作用下, 靶球压缩成香肠状; 对于长腔L =1600 µm 则相反, 两极的温度始终高于 赤道面上的温度, 靶球压缩成饼状.采用纵横比a /b (赤道方向尺寸与两极方向尺寸 之比)来表示靶丸压缩的对称性, 当a /b 接近1时, 认 为对称性较好. 改变黑腔长度, 用X 射线分幅相机(XFC)测量获得压缩变形结果如图4所示. 对于短腔 (L =1200 µm), 变形因子a /b 约0.6; 对于长腔(L =1600 µm), 变形因子a /b 约1.4; 对于标准黑腔变形因子a /b 约 1. 结果表明: 当腔长为1350 µm 时, 压缩对称 性较好.通过对靶丸的压缩过程进行背光照相, 可以获 得具有一定精度的时间分辨靶球内爆背光图像, 以 便研究辐射驱动内爆的对称性问题和分析内爆推进 层运动过程, 并与数值模拟程序进行比对.基本靶结构和实验记录方式如图5所示, 图5中水平方向过背光靶和靶球中心连线即背光成像的主轴. 实验用靶由主靶和背光靶构成, 记录设备为X 射线分幅相机. 主靶的结构由柱腔和靶丸构成. 金柱腔: 直径φ 800 µm, 腔长L 有两种1350和1500 µm; 入射口: φ 380 µm; 双诊断口对穿: 330 µm×330 µm. 靶球: 直径φ 230 µm; 塑料球壳厚度为14和17 µm 两种; 充气: 纯D 2密度 1.8 mg/cm 3. 背光靶: 镀钯(Pd), 厚 度大于 3 µm. 8束激光从腔靶的两端注入孔分别注 入. 第9路激光能量1.5 kJ, 脉宽2 ns, 波长526.5 nm, 激光加列阵透镜后从斜45°法兰均匀辐照背光平面靶. 图6显示标准腔(Φ 800 µm×L 1350 µm)靶球(壳厚 14 µm)内爆压缩的背光图像. 图中所显示的数字为 记录的时刻. 由图6看出, 在标准腔的压缩对称性较 好. 图7显示长腔(Φ 800 µm×L 1500 µm)靶球(壳厚14赤道图3 辐射驱动内爆靶丸变形示意图(a) L = 1200 µm; (b) L = 1350 µm; (c) L = 1600 µm江少恩等: 我国激光惯性约束聚变实验研究进展1574图4 辐射驱动内爆靶丸变形随腔长度的变化(a) a /b ≈0.6, L =1200 µm; (b) a /b ≈1, L =1350 µm;(c) a /b ≈2.2, L =1600 µm图5 内爆背光靶与实验记录示意图(轴向)图6 标准腔的内爆压缩分幅背光图像µm)内爆压缩的背光图像, 由于辐射驱动两极强于赤道, 故内爆靶球被压缩成为薄饼状, 背光照相很好地记录下了这一演变过程. 不过, 由于成像系统分辨有限、靶芯自发射干扰和背光源局部不均匀等不利因素图7 长腔的内爆压缩分幅背光图像的存在, 靶球内爆的高阶不对称性和内爆后期的内界面位置尺寸都无法从这些图像中获取.将分幅相机门控脉冲引出与激光脉冲比较, 使X 光信号与激光信号在时间上关联起来. 在图8中, 时间零点为主激光脉冲前沿半高宽时刻, 对应的数据点为制靶测量值. 该图给出了靶球(对应于图6)在标腔辐射驱动下, 内爆推进层内界面的运动轨迹, 并与Multi-1d 的模拟结果(实线)进行了比较. 在内爆加速阶段, 二者较为一致. 在内爆后期, 由于自发光等因素影响, 实验测量不确定度很大, 而且计算模型也较为粗糙, 所以两者的偏离也是可以预期的. 粗略估计靶球的内爆速度约为1.2×107 cm/s.图8 对应图6的靶球推进层运动轨迹中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期1575图6和7为时间分幅的二维图像, 其优点可以反映压缩对称性二维信息, 缺点是时间不连续. 所以采用另外的测量设备来补充, 就是利用X 射线条纹相机来记录内爆时间连续的一维空间图像. 实验布局与图5类似, 不同的是第9路激光斜22.5°入射背光靶, 背光靶平面与水平面成22.5°夹角, 背光材料为Ag, 测量设备换成X 射线条纹相机.靶参数: 金柱腔: φ 800 µm×L 1350 µm; 入射口:φ 380 µm; 双诊断口: 350 µm×350 µm 方孔, 两诊断孔均贴3 µm 厚的CH 膜; 靶球: φ 260 µm, 壳层总厚度20 µm (PS, PV A 的厚度分配由制靶的实际情况、 根据保气等需要而定), 充气充纯DD 气体, 质量密度ρDD =1.8 mg/cm 3.实验中, 神光II 装置8束激光同时注入标准柱腔靶产生的X 光驱动位于柱腔中心的靶丸内爆, 第9路激光辐照Ag 盘靶产生的L 线(3d →2p)作为背光源对内爆靶丸进行透视照相. 实验结果如图9所示, 图10是内爆靶丸壳层运动轨迹, 与图8用X 光分幅相机的结果相近. 对图10进行数据处理, 可以获得内爆靶丸的内爆速度约为1.0×107cm/s, 且靶丸壳层的运动是一个变加速度的加速过程, 不同时刻的速度和加速度都是变化的, 很难用单一的速度描述靶丸的运动, 这里的内爆速度是一种平均速度.图9 X 光条纹相机获得内爆的连续图像1.2.2 中子产额对中子产额的测量分为两类: 直接驱动和间接驱动.直接驱动主要以爆推靶的高中子产额为主, 采图10 由条纹图像获得内爆靶丸运动轨迹用的靶丸结构为: 靶丸由两层构成, 外层为玻璃球壳, 厚度1 µm, 球内冲压力为2×106 Pa 的DT 气体, 靶丸的直径为1200 µm. 激光参数为: 8(束)×100 J/100 ps/1ω 0. 得到最高中子产额为3×109/发[7,8].对于间接驱动, 靶型由柱腔内放置内爆靶丸构成. 为了产生高中子产额, 需要尽可能均匀和高温的黑腔辐射场, 即需要获得接近一维压缩的辐射场, 在此基础上进一步优化内爆靶球的参数(如壳层的厚度). 为了获得柱对称方向较均匀的内爆靶球压缩, 一般认为黑腔直径和靶球直径比要大于3, 因此, 在兼顾辐射场均匀性和高辐射温度的条件下, 确定金柱黑腔的直径为Φ 800 µm, 靶球直径为200 µm. 由于黑腔的激光注入口和激光在腔壁上形成的光斑是影响黑腔内辐射场轴向均匀性的主要因素, 因此在注入口固定的条件下, 改变黑腔的长度, 可以得到不同的空间和时间分布的辐射场, 获得不同形状靶球压缩结果(见图3和4). 如前所述, 腔长为1350 µm 时, 内爆压缩接近球形. 同时中子产额测量也高于其他长度黑腔下内爆压缩的中子产额. 神光II 内爆物理实验中的“标准黑腔”尺寸为: Φ 800 µm×L 1350 µm, 也成为辐射驱动出中子实验的标准黑腔. 靶球由两层或三层构成, 球直径为Φ 200 µm, 内部充气为106 Pa 氘氚, 球壳为SiO 2层厚度2 µm 与不同厚度CH 层构成. 在假设其他靶球参数和辐射场条件基本一致的条件下, 只研究靶球壳厚对中子产额的影响, 所得到CH 的不同厚度下的中子产额Yn 变化见图11, 最高DT 中子产额超过108/发; 实验获得的DT 中子产额与CH 烧蚀层厚度变化关系主要趋势与数值模拟一致,江少恩等: 我国激光惯性约束聚变实验研究进展1576图11 DT中子产额随CH厚度的变化但数值模拟值偏高, 峰值位置也有差别. 可以看出, 中子产额随CH厚度的增加而下降.1.3流体动力学不稳定性在内爆过程中, 壳层加速阶段时的烧蚀面以及减速阶段推进层和芯部燃料界面上, 密度梯度和压力梯度的方向是相反的, 因而瑞利泰勒不稳定性(Rayleigh-Taylor, R-T不稳定性)是不稳定的, 其他还有, 冲击波压缩产生的Richtmyer-Meshkov(RM)不稳定性, 剪切流产生的Kelvin-Helmholtz(KH)不稳定性. 不稳定性初始扰动来源于靶丸表面的微小起伏和靶丸辐照的不均匀和不完全对称. 扰动的发展会造成球壳变形直至破裂, 短波长扰动的增长会引起相对较冷的推进层与热核燃料的混合, 影响燃料的高压缩、降低热斑温度, 从而导致内爆效率大大降低、甚至完全失败.对R-T不稳定性, 进行了侧向背光(side-on radi-ography)和面向背光(face-on radiography)照相测量. 在侧向背光研究流体力学不稳定性实验中, 可以对样品加速度和样品表面扰动形貌二维图像进行观测. 在面向背光实验中, 可以获得R-T不稳定性的增长率.在测向背光实验中[9], 实验排布方式见图12. 神光II的第9束激光与水平成45°角照射背光靶(图12); 腔靶轴线南北向, 南北各4束激光注入柱形腔靶, 柱腔中部开孔放置样品, 样品法线与诊断系统观测方向垂直. 图12中XSC和XFC分别表示为X射线条纹相机和X射线分幅相机.样品结构如图13所示, 样品材料: CH掺Br, 掺图12 侧向背光照相实验示意图(轴向图)图13 调制样品结构示意图Br原子比2%; 表面初始扰动为一维正弦调制. 调制波长λ为103.0 µm; 调制幅度(a0)为11 µm; 平台厚度d为25.0 µm. 调制波长λ为51.0 µm; 调制幅度(a0)为2 µm; 平台厚度d为31.0 µm. 背光靶为Cu.侧向背光照相实验中获得的样品二维形貌分幅图像如图14所示, 其中图14(a)中样品扰动波长为51 µm、初始扰动正弦振幅(a0)为2 µm、样品平台厚度为31 µm, 图14(b)中样品扰动波长为103 µm、初始正弦振幅(a0)为11 µm、样品平台厚度为25 µm. 成像针孔直径为8 µm, 成像放大倍率为19倍, 滤片有2 µm厚的铝膜和20 µm厚的铍膜. 图14中, 画幅时序均是从上到下、再从左往右, 相邻画幅像时间相差65ps, 每幅曝光时间约60 ps.图14中, 烧蚀面朝下, X光是从下往上辐照烧蚀样品的. 对于扰动波长51 µm、初始扰动正弦振幅(a0) 2 µm的情况, 图14(a)显示了基本看不出烧蚀面扰动到可以较为清楚地看出烧蚀面扰动二维形貌图像的过程, 其中相邻微带首尾画幅时间相差约310 ps.而对于扰动波长103 µm、初始扰动正弦振幅(a0) 11 µm、最薄处厚度25 µm样品的情况, 图14(b)显示了烧蚀面扰动馈通(feed-through)到后界面及其后的变化过程情况, 其中图14(b)所示左边微带与中间微带首尾画幅时间相差约500 ps、中间微带与右边微带首尾画幅时间相差约120 ps, 由于测量时触发晃动的影响, 没有观察到烧蚀面扰动馈通到样品后界面之中国科学 G 辑: 物理学 力学 天文学 2009年 第39卷 第11期1577图14 侧向背光照相的R-T 不稳定性增长过程多分幅图像(a) 扰动波长51 µm; (b) 扰动波长103 µm前的增长图像, 并且由于初始扰动较大(扰动振幅11 µm 、峰谷厚度差达22 µm)、而样品厚度又偏小(仅25 µm), 因此, 烧蚀面扰动因流体力学不稳定性而增长并馈通到后界面之后, 尖刺(spike)迅速将样品“刺穿”、形成后面两条微带上的射流状图样. 正是由于103 µm 样品较早被“刺穿”、破裂、形成分离的单个射流状“尖刺”, 才未显示出图14(a)可以看出的垂直于观测方向的二维效应(样品在图中显示出的、后期在水平方向的、偏离平整的弯曲变形).面向背光照相研究R-T 不稳定性实验用靶以及实验排布见看图15, 背光靶及样品法线沿东西方向放置, 神光II 第9束激光与水平成45°角照射背光靶; 腔靶轴线南北向, 南北各4束激光注入图15所示腔靶[10]. 样品: CH 掺Br (3%), λ=75 µm; a 0=0.35 µm; d =33 µm. 实验得到的图像见图16, 获得增长因子大小在10~20之间.图15 面向实验用靶及排布示意图(顶视图)1.4 辐射不透明度高温等离子体物理有两个最基本的物态参数,图16 面向背光照相R-T 不稳定性增长过程一个是辐射不透明度, 另一个是状态方程. 辐射不透明度决定物质的辐射性质, 主要研究辐射吸收与物质类型及其温度密度的关系; 状态方程决定物质的力学性质, 主要研究压力与物质类型及其温度密度的关系.针对神光II 激光能量为2.5 kJ 的条件, 提出了新的辐射不透明度实验靶设计[11~13], 实验表明该靶型可以产生干净的辐射场, 样品温度接近100 eV, 而美国Nova 实验用15 kJ 只获得58 eV.根据辐射输运实验的一些结果和理论分析, 设计了新的不透明度测量的靶型(见图17), 这种靶型的优点在于: (ⅰ) 辐射在泡沫中超声速传播和高效率输运, 加热产生高温样品; (ⅱ) 泡沫阻止散射激光和腔等离子体的影响, 避免样品直接受到激光或散射激光的辐照, 形成高温低密度冕区等离子体从而偏离LTE(局域热动平衡)状态; (ⅲ) 采用CH/Al/CH“夹心饼”结构, 一方面限制样品在真空界面膨胀形成较大的温度密度梯度, 另一方面限制样品从横向边界传入稀疏波引起横向不均匀性, 从而保证样品均匀江少恩等: 我国激光惯性约束聚变实验研究进展1578图17 不透明度的实验靶型和实验布局性[12]. 实验靶参数如下.腔靶参数: Au 材料, 尺寸为φ700 µm×2000 µm; 样品参数: Al 样品厚度(0.10±0.01) µm, 面积900 µm×170 µm; CH 覆盖层厚度0.5 µm, 面积1000 µm×380 µm; 泡沫阻挡层参数: φ780 µm×200 µm; 背光靶参数: 金丝(端面镀厚度为10 µm 的CsI), 截面尺寸60 µm×200 µm, 长度1200 µm, 表面覆盖50 µm 的CH 材料. 实验中的主要诊断设备为一台PET 晶体谱仪, 用于Al 吸收谱测量. 实验中的激光参数为: 8束主激光, 三倍频, 脉宽1.0 ns, 每路能量260.0 J; 第9束激光: 从东上45°入射; 三倍频, 脉宽130.0 ps, 能量130.0 J, 聚焦打靶. 图18为Al 的吸收谱的实验曲线, 图18中实线为实验结果, 虚线为辐射不透明度程序计算的曲线, 由图知道, Al 样品的电子温度可达95 eV.图18 Al 等离子体辐射吸收谱1.5 辐射驱动冲击波对冲击波的测量可以研究物质的状态方程(EOS). 利用激光能量产生高压冲击波主要有两种方式: 直接驱动和间接驱动. 直接驱动方式是激光经束匀滑后直接辐照到靶平面表面, 在靶中产生高强度的平面冲击波; 间接驱动(也称辐射驱动)方式是将激光首先辐照到一个高Z 介质构成的黑腔内, 腔壁吸收激光能量并产生X 光, 来驱动样品产生冲击波.当冲击波通过样品后界面时, 由于后界面温度升高发射可见光、紫外光, 利用不同厚度的样品介质测量冲击波发光的时空图像可得到冲击波速度, 测量冲击波一般采用光学条纹相机加成像系统组成.与直接驱动相比, 间接驱动的冲击波有两个优点: (ⅰ) 辐射烧蚀的深度更大, 产生的冲击波压力更高; (ⅱ) 间接驱动中, 腔壁对X 射线的约束和多次吸收与再发射, 在腔内逐渐形成比较均匀分布的辐射场, 从而能产生平面性更好的冲击波. 另外间接驱动产生的冲击波速度与辐射温度密切相关, 因此, 可以利用冲击波速度来测量辐射场的辐射温度. 但是, 由于激光产生的杂散光比冲击波发光信号高得多(一亿倍以上), 因此, 对辐射驱动的冲击波测量而言, 对杂散光的屏蔽的好坏直接关系到实验是否成功.实验用靶示意图如图19所示. 腔壁材料为35 µm 厚的金, 腔为长1700 µm 、直径为800 µm 的柱腔, 比神光Ⅱ常用的内爆腔长300 µm, 不仅可以提高冲击波的平面性, 还能降低样品的预热效应. 腔两端的激光注入孔(LEH)直径为420 µm, 在柱腔中部开460 µm×400 µm 的长方形诊断孔作为驱动样品的辐射源,长方孔上放置台阶样品, 为确保CH 样品在冲击波卸载前不出现漏光, 还在CH 材料外侧镀了0.25 µm 厚的Al. 为避免杂散光照射到冲击波样品上而进入光学条纹相机的视场范围进而给测量带来干扰, 在柱腔的激光注入孔两端加有屏蔽片, 同时在样品周围加装了一个锥形屏蔽筒(图19). 在屏蔽锥后端安装光学条纹相机和成像系统测量冲击波发光信号, 波长范围为352~525 nm. 这样在样品周围增加了一个长长的屏蔽锥筒, 诊断上改进了成像系统、在光学条纹相机前放置了一片三倍频光和二倍频光全反镜, 从而提高了信噪比, 获得了清晰的辐射驱动冲击波图像[14].。