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熊俊 助理研究员 座机电话号码 bearbaby_x@ 百皮秒激光驱动下的Ti 4.7?keV背光源优化 X射线背光是一种高效的诊断高密度等离子体瞬态物象变化的工具，它被广泛应用于观测等离子体不稳定性发展、ICF压缩对称性以及射流的演化等ICF相关物理实验。诊断应用对X射线源提出了如下要求：高达几到几的光子能量及较高的亮度，以保证X射线穿越较厚的样品具有较高的透过率，且同时能有效压制样品的自发辐射；较大的视场以辐照较大尺寸的样品；照明区域具有一定的均匀性；准单色的X射线源，以提高诊断实验的信噪比。随着高功率激光器件的发展和ICF相关物理实验研究的深入，实验用靶也朝着大尺寸、高密度、高Z值方向发展，对X射线源的要求也越来越高。 目前低于10?keV波段的高能X光背光探针主要以纳秒激光及百皮秒短脉冲激光辐照平面金属材料的内壳层线谱辐射为主。这需要驱动激光将等离子体加热到较高的温度，获得较高的高电离态离子丰度以及较大的低密度辐射等离子体体积。由于平面靶产生的等离子体密度呈陡峭的密度梯度分布，主要产生高能X射线的低密度高温区域体积小，产生的背光探针强度不足，尝试通过预主脉冲驱动方式在主脉冲到达时产生足够多的低密度预等离子体增大辐射等离子体的体积产生足够强的背光探针。通过理论模拟及实验验证，建立百皮秒激光加载下的Ti 4.75?keV背光诊断技术平台，用于当前神光装置上进行的多项ICF基础物理实验的诊断。 初步理论模拟 前期实验发现，如何在短脉冲驱动条件下提高Ti等离子体的K壳层线谱转换效率，抑制轫致辐射，提高背光源强度，对今后的应用来说是至关重要的。因此采用二维非平衡辐射流体力学程序XRL2D，针对神光的实验条件，对平面靶背光源进行优化设计。首先通过碰撞辐射模型来初步寻找理想工作区。 图 1用平均原子模型给出的稳态布居在Ne Te平面的分布。等高线为基态离子布居PgH-like和PgHe-like，彩色填充图为第一激发态布居P1H-like和P1He-like。图1给出了在辐射全逃逸的稳态情况下，类H离子和类He离子布居随温度密度的变化。可见最理想的K 发光区电子温度为2?keV以上，电子密度大于1023 cm 3。实际上这个理想工作区很难企及，因为激光能量很难有效耦合到超临界区域，且Ti等离子体对于K 线并非完全光性薄，实际离子布居数和图1的数据有一定出入。 图2所示为不同预主脉冲强度比情况下，Ti等离子体中K壳层辐射功率的变化。从模拟中可以发现，不同的预脉冲强度下，K壳层辐射功率差别不大，但无预脉冲条件下的K壳层辐射量要远小于预主脉冲驱动方式。 x/ m t/ns a 不同预主脉冲强度比发光区域空间分布 b K 线辐射瞬时功率随时间演化 图 2 XRL 2D辐射流体力学程序模拟结果 实验结果及分析 为了获得百皮秒激光加载下，45?keV波段内的高能X光背光的优化输出条件, 在神光激光装置上进行了一系列激光驱动钛背光优化实验，采用预主脉冲驱动方式对Ti 4.7?keV背光源进行优化。图3a 、b 为实验中针孔相机拍摄到的4?keV以上波段X射线辐射区域，从图中可以发现，有10%的预脉冲情况下，X射线辐射区域显著增大约40%。这表明预脉冲够显著扩大高能X射线的辐射区域，从而提高X射线的辐射强度。图4为弯晶谱仪获得不同激光入射条件下的钛的类He线相对强度分布，由图可知有预脉冲情况下，Ti 4.7?keV波段的高能X射线相对强度约无预脉冲时3倍，也进一步证实了预脉冲对提高高能X射线辐射强度的重要性。 结合模拟结果图3，获得了基于神光八路装置驱动条件下的最优化驱动激光参数：主脉冲总能量120?J，脉宽约100?ps，驱动激光波长0.35? m，焦斑150? m，预主脉冲强度比取10%，预主脉冲时间间隔取2?ns。 科学意义 通过理论模拟结合实验验证的方式，获得了钛4.75?keV波段背光探针优化条件，建立了百皮秒激光驱动钛背光诊断技术平台，满足当前实验条件下多种ICF相关实验的诊断应用需求。在RT流体力学不稳定性实验及一维预压缩实验中，获得了较高质量的诊断图像，为上述实验研究提供了有力的支持图5[1]。 a 侧向诊断一维CH调制靶不同时刻 b 预压缩实验中的激光imprinting现象 图 5百皮秒钛背光源诊断应用结果为应对今后多种不同实验需求，进一步提高背光诊断能力，开发多种不同波段下的高效背光探针，逐步提高高能X背光诊断技术的时空分辨能力，为未来点火相关实验研究提供高效X光背光探针。 [1] 方智恒. 高温烧蚀初始印记及其瑞利泰勒不稳定性发展的研究[J]. 物理学报58 10 : 7057-7061. 1021 1022 1023 1024 1 Te /keV 2 3 4 He-like Ne /cm 3 Ne /c