新型金M带平响应探测器功能验证,光学论文.docx

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研究中，金是当前最常用的腔壁材料，因而金带辐射光子能量的相关物理问题是中重要的研究内容。而激光与金腔壁作用中产生的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，抑制金带辐射预热靶丸，一直是研究的重点。由于金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材料，这就需要较精到准确的金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带辐射特性，并完善点火靶设计及理论模拟。当前金带辐射的实验测量主要采用软光能谱仪，软光能谱仪能够实现对金带的时间分辨测量，但是在金带能区谱响应较差，较难定量测量，而且软光能谱仪构造复杂，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，这种滤片与通用的阴极探测器结合后实现了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实验中获得了腔外金带的能量份额、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。 金带诊断技术原理 在过去的实验中金带测量通常采用阴极加 的滤片和 的滤片测量，图给出了组合滤片加探测器整体响应曲线，能够看出组合滤片加探测器抑制了下面和以上的射线，但整个金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，而材料吸收边在附近，因而选用阴极能够抑制低能区的影响。其次，为了配合阴极的响应曲线，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 的滤片和的滤片一起作为前滤片，用 厚的带针孔阵列的滤片作为后滤片，针孔阵列空占比为，针孔直径 ，孔间距 。使用滤片是由于其在附近有吸收边，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阴极配合的整体响应曲线，其平响应较好的能量区间为。 实验条件和布局 腔靶构造和探测器排布示意图如此图所示，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；三台软光能谱仪测量腔内时间分辨光谱、腔内辐射温度；八支新型金带带通平响应测量金带时间演化行为、角分布和能量份额；八支新型平响应测量辐射流角分布。 经过优化不同复合滤片与不同阴极探测器组合得到的配置参数见表所示。表中偏离平整度 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带带通平响应探测器测量腔外的金带能量份额及其空间角分布，它们的位置分别为：北纬 在东经 ，北纬 在西经 ，北纬 、 、 、 、 、 在西经 。 金带诊断结果与分析 图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度线上与轴线夹角为 ， ， ， ， ， 时的视角。 图和图分别给出了大腔和输运腔不同方向金带发射功率时间曲线和金带强度角分布。 大腔柱端直径，长，激光注入孔，实验中入射激光总能量，脉宽；输运腔尺寸 ，为，入射激光总能量，脉宽。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带射线。因而角度较大的探测器测量的是接近处腔壁等离子体聚心后所发射的射线，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，透过的视场减小，所以金带光较弱，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带测量值越大。 从图能够明显看出，对于输运腔在左右，所有探测器测得的金带信号都开场迅速增大，我们分析在之后腔内已经出现了等离子体堵腔效应，在这之前的金带辐射是探测器通过测得的腔内壁激光焦斑附近等离子体发射的光。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附近，此时相当于四束激光重叠打平面靶，所以激光功率密度迅速升高，激光到金带能量的转换份额也同时升高。 另外，从图和图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 ，在东经 探测器的测量值要比在西经 的大得多，还与视场有关，前者比后者愈加接近经度为 和 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 的探测器测量的带能量份额要大于在西经 的探测器。 结论 通过复合滤片的优化设计，与通用阴极配合能够实现金带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。利用新型金带带通平响应探测器在神光系列实验中获得了腔外金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带光实验中，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： ， ， ， ，： ， ， ， ，： ， ， ， ， ，： ， ， ， ，： ， ， ， ，： ， ， ， ，： 江少恩，孙可煦，彭能玲，等小型光二极管的研制核电子学与探测技术，： ， ， ，： 孙可煦，江少恩，易荣清，等滤片探测系统的响应时间测量强激光与粒子束，： ， ， ，： ， ， ， ，：