铝套筒Z箍缩X射线背光照相实验研究

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随着大型脉冲功率装置相继建成，电磁加载能力不断提升，利用电磁驱动固体套筒内爆成为研究高能量密度物理、内爆动力学、惯性约束聚变以及材料冲击响应的一个重要手段。脉冲电流通过固体套筒表面时产生环形磁场使套筒具有向心的作用力，驱动固体套筒内爆，在这个过程中套筒内爆的均匀性对内爆性能有着至关重要的影响，因此诊断和分析套筒内爆过程对深入研究和理解内爆物理非常关键。激光驱动的X射线背光照相技术利用高功率激光与固体靶材相互作用产生X射线点源对诊断目标进行瞬时透视照相，获得目标在某一动态时刻的图像信息。由于具有非破坏性、高时空分辨、强穿透能力等优点，激光驱动的X射线背光照相技术是Z箍缩实验研究中的一个理想的诊断手段。美国圣地亚国家实验室为其Z/ZR装置建设了一台背光照相用的高功率激光器ZBL(527 nm，~3 kJ，1 ns)，并分别发展了基于Si靶(1.865 keV)和Mn靶(6.151 keV)的单色X射线背光照相技术，在丝阵和套筒Z箍缩，以及近年来提出的惯性约束聚变新方案——MagLIF研究中发挥了相当重要的作用。

“聚龙一号”是一台由24路模块并联组成、峰值输出电流8~10 MA、电流上升时间(10%~90%)约70 ns的脉冲功率装置，是我国开展Z箍缩、高能量密度物理以及实验室天体物理研究的重要实验平台。基于Z箍缩实验对背光照相诊断的需求，中国工程物理研究院建设了一台基频波长为1 053 nm、单脉冲能量输出大于1 kJ、脉宽1~100 ns可调的多用途激光器系统——千焦耳脉冲激光器。本次实验系首次联合两大装置，利用千焦耳激光器输出的高能量脉冲激光驱动固体靶材产生X射线，分别采用直接点背光照相技术和基于球面弯晶的单色背光照相技术，开展带正弦扰动铝套筒Z箍缩的X射线背光照相实验研究。

1  成功获得套筒的点背光照相图像

激光驱动的点背光照相技术由于具有原理和结构简单、照相视场范围大等特点，多数大型激光装置早期都采用这种照相方式。图1是激光驱动的点背光照相原理示意图，激光与背光靶相互作用产生X射线光子探针，瞬态背向照明被诊断目标，经探测器获得从目标透射过来并且携带目标内部信息的X射线阴影图像。由于激光打靶产生的X光焦斑与诊断目标相比非常小，因此可以把该X光源看作是一个点光源。纳秒脉宽千焦耳能量的激光聚焦与金属靶材相互作用产生热等离子体，辐射出的X射线主要来自靶材的K壳层线谱。为了尽量提高探针光的光子能量，又保证信号的强度，实验选用50 μm厚铜箔作为背光靶，利用铜的类氦线(约8.3 keV)作为准单色光子探针。实验诊断的负载为带正弦扰动的铝套筒，如图2所示，套筒外直径6.24 mm、有效高度8 mm、壁厚175 μm、中间有5个周期的正弦结构，波长0.5 mm，幅值25 μm。

与激光驱动的ICF实验相比，脉冲功率装置上的Z箍缩实验环境要复杂得多，由于成像板探测器直接面向负载，如果没有做好屏蔽与防护，电流在负载区巨大放能产生的硬X射线及爆炸冲击碎片会直接过曝并损毁探测器。本次实验中，成像板被封装在一个10 mm厚的铅筒内部，铅筒前面开有4 mm高、15 mm宽的通光光阑，光阑前表面贴2层210 μm厚聚碳酸酯薄膜和1层50 μm 厚铜膜，后表面贴1层210 μm 厚聚碳酸酯薄膜和1层50 μm 厚铜膜，最后在成像板前面再紧贴一层210 μm 厚聚碳酸酯薄膜，以保护成像板不受残留冲击碎片及金属蒸汽的损坏。成像板距离光源510 mm，成像放大比为6.1。图3是点背光照相获得的铝套筒负载的静态图像以及电流7.43 MA、电压65 kV、电流前沿76 ns条件下的动态图像。从图中可以看出，8.3 keV能段X射线能够穿透175 μm厚铝套筒，照相视场覆盖整个扰动周期结构，图像物场空间分辨率约60 μm。在动态实验中，高能散射本底导致图像信噪比下降，但仍可看出在该时刻套筒已开始向内运动，正弦扰动的套筒边界出现了初始的流体不稳定性发展。

2  单色背光照相技术用于内爆套筒诊断

单色背光照相成像原理和系统布局如图4所示，激光束聚焦打在靶面上，从焦点处辐射出的X射线水平透过诊断目标到达晶体，晶体只反射那些满足布拉格条件的X射线，反射的X射线重新聚焦在限光小孔处，通过限光小孔后成像在探测器上。与点背光照相方式相比，基于球面弯晶的单色背光照相技术只接收和探测满足布拉格角的X射线，可获得目标的单一能谱的透视图像，在提高目标密度分布测量精度方面具有显著优势。在本次单色X射线背光照相实验中，采用Si作为背光靶，其He_a线(1.865 keV)作为照相光子能量，选用石英1011球面弯晶(晶格常数2d=0.668 7 nm)作为单色成像器件，根据晶体衍射公式得到对应的布拉格角为83.89°，球面弯晶曲率半为径280 mm，底面尺寸为45 mm×20 mm，晶体中心距离背光靶为278 mm，探测器距离晶体中心为650 mm，在该几何条件下，成像系统视场为15 mm×7 mm，平均放大倍率为3.6。

在动态实验前开展了静态验证实验，图5(a)为静态单色背光照相实验结果，照相目标为带正弦扰动铝套筒，套筒参数与点背光照相实验相同，从图中可以清晰地分辨套筒一侧的扰动结构，由于晶体尺寸有限，视场未能覆盖套筒另一侧边界，1.865 keV的X射线无法穿透铝套筒，图像信噪比较高。在对静态实验结果进行分析和确认之后，保持成像系统不变，开展了动态单色背光照相实验，实验中聚龙一号放电电压65 kV，电流7.5 MA，脉冲前沿76 ns。动态实验结果如图5(b)所示，由于电极放电过程中产生强烈的硬X射线，造成图像散射本底很高，同时套筒在电流烧蚀下表面产生等离子体，此部分等离子体对于1.865 keV的X射线也是不完全透明的，因此分辨套筒边界较为困难，但是通过对比静态实验结果不难看出在该时刻套筒已向内运动，正弦扰动结构已经不明显，套筒边界出现了流体不稳定性发展。此外，铝套筒在箍缩过程中产生K壳层自发辐射，此辐射能段也刚好位于1.865 keV附近，因此从图像中观察到5条很明显的发光带，对应于5个正弦扰动在箍缩过程产生的积分单色自发辐射，且中心区域亮度高于边缘，表明越箍缩到轴心等离子体温度越高。