新型金M带平响应探测器功能验证,光学论文

新型金M带平响应探测器功能验证,光学论文在激光间接驱动惯性约束聚变〔ＩＣＦ〕研究中，金是当前最常用的腔壁材料，因而金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，最终降低内爆经过中的流体力学效率，因而，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经过中变化较大，为到达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，这就需要较精到准确的金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，当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。当前金Ｍ带辐射的实验测量主要采用软Ｘ光能谱仪〔Ｄａｎｔｅ〕，软Ｘ光能谱仪能够实现对金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光能谱仪构造复杂，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，因而较难定量复原整个黑腔内部的金Ｍ带辐射特性。针对当前的实验情况，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构造也知足了在北京同步辐射光源上进行精致细密标定的要求。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１５ｍ的Ｂｅ滤片和４ｍ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，能够看出组合滤片加ＸＲＤ探测器抑制了２ｋｅＶ下面和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，因而选用Ａｌ阴极ＸＲＤ能够抑制低能区的影响。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３．９ｍ的Ｓｃ滤片和７２０ｎｍ的Ｂ滤片一起作为前滤片，用３４ｍ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９５ｍ，孔间距２００ｍ。使用Ｓｃ滤片是由于其在４．５ｋｅＶ附近有吸收边，能够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。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构造和探测器排布示意图如此图３所示，腔靶位于真空靶室，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〔ｒｅｌａｔｉｖｅｍｅａｎｓｑｕａｒｅｅｒｒｏｒ〕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。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。能够看到，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。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１．０ｍｍ１．７ｍｍ，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〕。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。因而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，其温度更高层次，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能够明显看出，对于输运腔在１．７ｎｓ左右，所有探测器测得的金Ｍ带信号都开场迅速增大，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中可以以看出存在方位角一样而测量结果不同的现象。这是由于实验中腔靶每端只要四路激光注入，无法在环绕腔轴的方向上到达均匀分布，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，前者比后者愈加接近经度为４５和１３５的激光入射方位，在整个打靶经过中都要比后者看得到更多的激光焦斑，因而在东经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。以下为参考文献：［１］ＤｅｗａｌｄＥＬ，ＧｌｅｎｚｅｒＳＨ，ＬａｎｄｅｎＯＬ，ｅｔａｌ．Ｆｉｒｓｔｌａｓｅｒ－ｐｌａｓｍａｉｎｔｅｒａｃｔｉｏｎａｎｄｈｏｈｌｒａｕｍｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔｓｏｎｔｈｅＮａｔｉｏｎａｌＩｇｎｉｔｉｏｎＦａｃｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＰｌａｓｍａＰｈｙｓＣｏｎｔｒｏｌＦｕｓｉｏｎ，２００５，４７：Ｂ４０５－Ｂ４１７．［２］ＧｌｅｎｚｅｒＳＨ，ＭａｃＧｏｗａｎＢＪ，ＭｅｅｚａｎＮＢ，ｅｔａｌ．Ｄｅｍｏｎｓｔｒａｔｉｏｎｏｆｉｇｎｉｔｉｏｎｒａｄｉａｔｉｏｎｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅｓｉｎｉｎｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕ－ｓｉｏｎｈｏｈｌｒａｕｍｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ，２０１１，１０６：０８５００４．［３］ＯｌｓｏｎＲＥ，ＬｅｅｐｅｒＲＪ，ＮｏｂｉｌｅＡ，ｅｔａｌ．Ｓｈｏｃｋｐｒｏｐａｇａｔｉｏｎ，ｐｒｅｈｅａｔ，ａｎｄＸ－ｒａｙｂｕｒｎｔｈｒｏｕｇｈｉｎｉｎｄｉｒｅｃｔ－ｄｒｉｖｅｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎａｂ－ｌａｔｏｒｍａｔｅｒｉａｌｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＰｌａｓｍａｓ，２００４，１１〔５〕：２７７８－２７８９．［４］ＡｍｅｎｄｔＰＡ，ＲｏｂｅｙＨＦ，ＰａｒｋＨＳ，ｅｔａｌ．Ｈｏｈｌｒａｕｍ－ｄｒｉｖｅｎｉｇｎｉｔｉｏｎｌｉｋｅｄｏｕｂｌｅ－ｓｈｅｌｌｉｍｐｌｏｓｉｏｎｓｏｎｔｈｅｏｍｅｇａｌａｓｅｒｆａｃｉｌｉｔｙ［Ｊ］．ＰｈｙｓＲｅｖＬｅｔｔ，２００５，９４：０６５００４．［５］ＲｏｂｅｙＨＦ，ＰｅｒｒｙＴＳ，ＰａｒｋＨＳ，ｅｔａｌ．ＥｘｐｅｒｉｍｅｎｔａｌｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｏｆＡｕＭ－ｂａｎｄｆｌｕｘｉｎｉｎｄｉｒｅｃｔｌｙｄｒｉｖｅｎｄｏｕｂｌｅ－ｓｈｅｌｌｉｍｐｌｏｓｉｏｎｓ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＰｌａｓｍａｓ，２００５，１２：０７２７０１．［６］ＤｅｗａｌｄＥＬ，ＲｏｓｅｎＭ，ＧｌｅｎｚｅｒＳＨ，ｅｔａｌ．Ｘ－ｒａｙｃｏｎｖｅｒｓｉｏｎｅｆｆｉｃｉｅｎｃｙｏｆｈｉｇｈ－Ｚｈｏｈｌｒａｕｍｗａｌｌｍａｔｅｒｉａｌｓｆｏｒｉｎｄｉｒｅｃｔｄｒｉｖｅｉｇｎｉｔｉｏｎ［Ｊ］．ＰｈｙｓｉｃｓｏｆＰｌａｓｍａｓ，２００８，１５：０７２７０６．［７］江少恩，孙可煦，彭能玲，等．小型Ｘ光二极管的研制［Ｊ］．核电子学与探测技术，２００４，２４〔６〕：５７１－５７４．〔ＪｉａｎｇＳｈａｏｅｎ，ＳｕｎＫｅｘｕ，ＰｅｎｇＮｅｎｇｌｉｎｇ，ｅｔａｌ．ＤｅｖｅｌｏｐｍｅｎｔｏｎｍｉｎｉＸ－ｒａｙｄｉｏｄｅ．ＮｕｃｌｅａｒＥｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ＆ＤｅｔｅｃｔｉｏｎＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ，２００４，２４〔６〕：５７１－５７４〕［８］孙可煦，江少恩，易荣清，等．滤片－ＸＲＤ探测系统的响应时间测量［Ｊ］．强激光与粒子束，２００４，１６〔１２〕：１５５８－１５６２．〔ＳｕｎＫｅｘｕ，ＪｉａｎｇＳｈａｏｅｎ，ＹｉＲｏｎｇｑｉｎｇ，ｅｔａｌ．Ｒｅｓｐｏｎｓｅｔｉｍｅｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｆｏｒａｆｉｌｔｅｒ－Ｘ－ｒａｙｄｉｏｄｅｄｅｔｅｃｔｉ