CN106601310A - 一种烧蚀状态下中z元素透射能流的测量靶 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，包括有黑腔靶，黑腔靶呈上下开口、中间贯通的管状结构，黑腔靶的侧壁上开设有对称分布的第一诊断孔和第二诊断孔，第一诊断孔所在的平面与第二诊断孔所在的平面所成的角度为45°，第一诊断孔和第二诊断孔内分别放置有第一样品靶和第二样品靶，第一样品靶和第二样品靶的材料不一致，第一样品靶和第二样品靶所成角度为45°。本发明结构简单，能同时测量两种不同掺杂元素所对应的透射能流，尽可能地避免了因系统误差造成的实验差异。

Description

一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶
技术领域
本发明涉及间接驱动激光聚变技术领域，尤其涉及一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶。
背景技术
间接驱动激光聚变中，点火靶通常由烧蚀层、DT（Deuterium-Tritium）冰燃料层及DT气体组成。辐射加热烧蚀层从而对靶丸产生向内的推力，可以用内爆速度来衡量。内爆速度与烧蚀速率相关，烧蚀速率越大，相应的内爆速度越大。同时，烧蚀层还应避免高能X射线（>1.8 keV）对DT冰燃料层的预热，使之能够近等熵压缩。NIF（National IgnitionFacility Project）设计中采用CH梯度掺杂Si或Ge的方式来抑制高能X射线，减弱其对燃料层的预热。然而，Si或Ge掺杂不仅吸收高能X射线，同样吸收低于1.6 keV的低能X射线，导致烧蚀层烧蚀速率下降，降低内爆速度。
NIF激光装置上2011-2012年的实验结果表明，Si梯度掺杂比Ge掺杂可获得较高的烧蚀速率，较少的剩余质量份额，从而达到较高的内爆速度（J. Lindl, O. Landen, J.Edwards, E. Moses, and N. Team, Phys. Plasmas 21, 020501 (2014)）。该结果出乎意料，之前的研究认为Si、Ge掺杂对烧蚀速率的影响不明显。因此实验上研究掺杂材料对辐射流的吸收与透射显得极为重要。目前国外主要通过球形内爆实验获得的内爆速度和中子产额来综合评价掺杂材料的影响，该方法技术难度大，对实验精度要求高。同时我们知道，不同批次的实验会造成测试结果的偏差，这种偏差是由实验本身所带来的，主要是表现在掺杂元素透射能流的测量中，无法保证试验条件的完全一致性，即使两次参数一致，但由于实验本身存在的不确定性，也会产生误差。因此，能够在一次测试中就能测出不同掺杂元素的透射能流的测量靶成为了研究掺杂材料与辐射流的吸收和透射的关系的关键。
发明内容
针对以上不足，本发明提供一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，能够在一次测试中就能够测试出两种不同掺杂元素的透射能流。
为达到上述目的，本发明采用如下技术方案：
一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，包括有黑腔靶，所述黑腔靶呈上下开口、中间贯通的管状结构，所述黑腔靶的侧壁上开设有对称分布的第一诊断孔和第二诊断孔，所述第一诊断孔所在的平面与所述第二诊断孔所在的平面所成的角度为45°，所述第一诊断孔和第二诊断孔内分别放置有第一样品靶和第二样品靶，所述第一样品靶和第二样品靶的材料不一致，所述第一样品靶和第二样品靶所成角度为45°。
进一步地，所述第一样品靶和第二样品靶为CH/Z/CH逐层堆叠结构，其中Z表示中Z元素，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶内部。
进一步地，所述第一样品靶为CH/Si/CH逐层堆叠结构，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶内部；所述第二样品靶为CH/Ge/CH逐层堆叠结构，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶内部。
进一步地，所述第一样品靶中底层CH的厚度为0.8~1.2μm，Si的厚度为0.7~1.2μm，顶层CH的厚度为18~45μm。
进一步地，所述第二样品靶中底层CH的厚度为0.8~1.2μm，Ge的厚度为0.3~0.5μm，顶层CH的厚度为18~45μm。
进一步地，所述黑腔靶的两端分别设置有屏蔽片，所述屏蔽片为无顶空心圆锥体状，所述屏蔽片由Cu制成，表面镀CH，呈无顶空心圆锥体状的所述屏蔽片的底面面向远离所述黑腔靶的方向。
进一步地，所述黑腔靶由Au制成。
进一步地，所述黑腔靶的上下开口处设置有向内的凸沿，所述凸沿所成的圆环的内径小于所述黑腔靶中部的内径。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
1、为了节约实验资源，并深化掺杂材料对烧蚀影响的物理认识，从而能够准确设计烧蚀层的掺杂物质及掺杂份额，本发明采用平面靶的设计，测量掺杂材料经辐射加热后，能够透过的X射线能流，对其吸收高能X射线和低能X射线的情况进行评估。该设计中，较薄的掺杂材料作为夹层置于CH内，受热后其状态一致。辐射源首先烧蚀CH材料，使掺杂材料随时间依次处于高能X射线加热、冲击波加热、辐射加热状态，从而获得这几种主要加热形式下的透射能流。
2、本发明在黑腔靶上开设有对称分布的第一诊断孔和第二诊断孔，第一诊断孔和第二诊断孔上放置第一样品靶和第二样品靶，第一样品靶和第二样品靶的材料不一致，第一样品靶和第二样品靶所成角度为45°，互成45°的第一样品靶和第二样品靶既能够在一次测量中单独测量出其对应掺杂元素的透射能流，又不会对另一个样品靶产生影响，且第一样品靶和第二样品靶的辐射环境基本一致，因此能够尽可能地减少系统误差，准确测量出两种不同掺杂元素所对应的透射能流，使得两种不同掺杂元素所对应的透射能流的对比更为精确、可信。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，以下将对实施例描述中所需要使用的附图作简单地介绍。
图1为烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶的结构示意图；
图2为烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶的剖面示意图；
图3为图2中A-A向的剖面示意图；
图4为烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶的工作示意图；
图5为在同一辐射源作用下，两个样品靶上的辐射温度沿黑腔体轴向的分布曲线；
图6为实施例1中入射激光波形与测量的黑腔辐射源温度曲线；
图7为实施例1中测量得到的样品在1～1.6keV能量区间的X射线透射能流曲线；
图8为实施例2中入射激光波形与测量的黑腔辐射源温度曲线；
图9为实施例2中测量得到的样品在1.6～4keV能量区间的X射线透射能流曲线。
其中，图中所示标记为：1：黑腔靶；2：第一诊断孔；3：第二诊断孔；4：第一样品靶；5：第二样品靶；6：屏蔽片；7：选能XRD。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域普通技术人员在没有作出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。
应注意到：相似的标号和字母在下面的附图中表示类似项，因此，一旦某一项在一个附图中被定义，则在随后的附图中不需要对其进行进一步定义和解释。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“内”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，或者是该发明产品使用时惯常摆放的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于区分描述，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，还需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“设置”、“连接”等应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
请参照图1、图2和图3，本发明提供了一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，主要包括有黑腔靶1、第一诊断孔2、第二诊断孔3、第一样品靶4、第二样品靶5和屏蔽片6。
请参照图1、图2和图3，黑腔靶1呈上下开口、中间贯通的管状结构，黑腔靶1的上下开口处设置有向内的凸沿，凸沿所成的圆环的内径小于黑腔靶1中部的内径。黑腔靶1由Au制成，黑腔靶1用于与入射激光相互作用产生辐射源，产生辐射源能烧蚀位于黑腔靶1侧壁上的对称放置的第一样品靶4和第二样品靶5。
请参照图1、图2和图3，黑腔靶1的两端分别设置有屏蔽片6，屏蔽片6为无顶空心圆锥体状，呈无顶空心圆锥体状的屏蔽片6的底面面向远离所述黑腔靶1的方向，屏蔽片6的侧面与横切黑腔靶1的平面所成的角度为35°。屏蔽片6由Cu制成，表面镀CH，用以遮挡杂散光。
请参照图1、图2和图3，黑腔靶1的侧壁上开设有对称分布的第一诊断孔2和第二诊断孔3，第一诊断孔2所在的平面与第二诊断孔3所在的平面所成的角度为45°，第一诊断孔2和第二诊断孔3内分别放置有第一样品靶4和第二样品靶5，第一样品靶4和第二样品靶5的材料不一致，第一样品靶4和第二样品靶5所成角度为45°。
第一样品靶4和第二样品靶5为CH/Z/CH逐层堆叠结构，其中Z表示中Z元素，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向黑腔靶1内部。所述的第一样品靶4和第二样品靶5的材料不一致主要指具体的中Z元素的不一致，或各层元素的厚度不一致，或具体的中Z元素种类以及各层元素的厚度均不一致。
在一些优选的实施方式中，第一样品靶4为CH/Si/CH逐层堆叠结构，中Z元素为Si，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶1内部；第二样品靶5为CH/Ge/CH逐层堆叠结构，中Z元素为Ge，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶1内部。在另外的实施方式中，第一样品靶4和第二样品靶5中，中Z元素可以为Si、Ge、Cu、W等中Z元素。
在实际测量中，还需要引入激光和透射能流测量仪器以配合测量靶测量出透射能流。请参照图4，，透射能流测量仪器优选为选能XRD7。激光用以与黑腔靶1作用产生辐射源，烧蚀位于黑腔靶1的侧壁上互成45°放置的第一样品靶4和第二样品靶5。激光分别从黑腔靶1的两头射入。选能XRD7为带滤片的X射线二极管，用以测量X射线能流。选能XRD7位于第一样品靶4和第二样品靶5的外侧，用以测得第一样品靶4和第二样品靶5在关注能段下的透射能流，从而可以得到中Z元素的透射能流。
本发明的工作原理是：激光射入黑腔靶1，与黑腔靶1作用产生辐射源，辐射源同时作用于第一样品靶4和第二样品靶5，并烧蚀第一样品靶4和第二样品靶5；辐射源先分别烧蚀第一样品靶4和第二样品靶5中的顶层的CH，再依次烧蚀中Z元素和底层的CH，使中Z元素分别处于冲击波加热、辐射热波加热阶段，再通过选能XRD7测试得到第一样品靶4和第二样品靶5的透射能流数据，从中可得到第一样品靶4和第二样品靶5中相对应的中Z元素的透射能流。其中，第一样品靶4和第二样品靶5所成角度为45°，在该特定角度下，第一样品靶4和第二样品靶5的测试相互独立、互不影响，因此在这角度下，第一样品靶4和第二样品靶5的辐射环境基本一致。图5给出了在同一黑腔环境下，第一样品靶4和第二样品靶5上的辐射温度沿黑腔体轴向分布的曲线。图5中，Tr为样品靶处的辐射温度，L为样品轴向长度；a、b分别为互为45°的第一样品靶4和第二样品靶5在沿黑腔轴向分布的辐射温度曲线。
基于上述技术方案，本发明还有更具体的实施例。
实施例1
本实施例提供一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶。黑腔靶1的长度为1500μm，内径为600μm，腔壁厚度为30μm，凸沿所成的圆环的内径为400μm；第一诊断孔2和第二诊断孔3均位于黑腔靶1的中部，第一诊断孔2和第二诊断孔3为方形孔，方形孔的长为400μm，宽为250μm；第一样品靶4和第二样品靶5均为边长为460μm的正方形，其中第一样品靶4的结构为CH/Si/CH，第一样品靶4各层的厚度从底层到顶层依次为1μm、0.7μm、18μm，第二样品靶5的结构为CH/Ge/CH，第二样品靶5各层的厚度从底层到顶层依次为1μm、0.3μm、18μm。
入射激光波长为0.351μm，功率为2×1014 W/cm2，脉冲为1 ns。入射激光为8束，以4束为一组分别从黑腔靶1的两端分别射入，入射激光与黑腔靶1的径向截面呈45°。图6所示为入射激光波形与测量的黑腔辐射源温度曲线，图6中Tr指黑腔辐射温度，P指入射激光总功率，c为入射激光波形曲线，d为入射激光注入黑腔靶1所形成的辐射源温度曲线。
采用1~1.6 keV带通的选能XRD7测量通过第一样品靶4和第二样品靶5的透射能流。图7所示为测量得到的样品在1～1.6keV能量区间的X射线透射能流曲线。图7中Time指时间，Transmission flux指样品透射能流，p为第一样品靶4测得的透射能流曲线，q为第二样品靶5测得的透射能流曲线。从图7可以看出，通过第一样品靶4和第二样品靶5的透射能流信号稳定，证明了本发明所提供的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶能很好地用以测量烧蚀状态下中Z元素的透射能流，且同一批次实验即可测量两种不同材料的样品靶的透射能流，能够最大化减少实验误差。
实施例2
本实施例提供一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶。黑腔靶1的长度为1500μm，内径为600μm，腔壁厚度30μm，凸沿所成的圆环的内径为400μm；第一诊断孔2和第二诊断孔3均位于黑腔靶1的中部，第一诊断孔2和第二诊断孔3为方形孔，方形孔的长为400μm，宽为250μm；第一样品靶4和第二样品靶5均为边长为460μm的正方形，其中第一样品靶4的结构为CH/Si/CH，第一样品靶4各层的厚度从底层到顶层依次为1μm、1.2μm、45μm，第二样品靶5的结构为CH/Ge/CH，第二样品靶5各层的厚度从底层到顶层依次为1μm、0.5μm、45μm。
入射激光波长为0.351μm，功率为2×1014 W/cm2，脉冲为1 ns。入射激光为8束，以4束为一组分别从黑腔靶1的两端分别射入，入射激光与黑腔靶1的径向截面呈45°。图8所示为入射激光波形与测量的黑腔辐射源温度曲线，图8中Tr指黑腔辐射温度，P指入射激光总功率，m为入射激光波形曲线，n为入射激光注入黑腔靶1所形成的辐射源温度曲线。
采用1.6~4 keV带通的选能XRD7测量通过第一样品靶4和第二样品靶5的透射能流。图9所示为测量得到的样品在1.6～4keV能量区间的X射线透射能流曲线，其中Time指时间，Transmission flux指样品透射能流，x为第二样品靶5测得的透射能流曲线，y为第一样品靶4测得的透射能流曲线。从图9可以看出，通过第一样品靶4和第二样品靶5的透射能流信号稳定，证明了本发明所提供的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶能很好地用以测量烧蚀状态下中Z元素的透射能流，且同一批次实验即可测量两种不同材料的样品靶的透射能流，能够最大化减少实验误差。
以上所述，仅为本发明的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。因此，本发明的保护范围应以所述权利要求的保护范围为准。

Claims (8)

1.一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，包括有黑腔靶（1），所述黑腔靶（1）呈上下开口、中间贯通的管状结构，其特征在于：所述黑腔靶（1）的侧壁上开设有对称分布的第一诊断孔（2）和第二诊断孔（3），所述第一诊断孔（2）所在的平面与所述第二诊断孔（3）所在的平面所成的角度为45°，所述第一诊断孔（2）和第二诊断孔（3）内分别放置有第一样品靶（4）和第二样品靶（5），所述第一样品靶（4）和第二样品靶（5）的材料不一致，所述第一样品靶（4）和第二样品靶（5）所成角度为45°。
2.根据权利要求1所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述第一样品靶（4）和第二样品靶（5）为CH/Z/CH逐层堆叠结构，其中Z表示中Z元素，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶（1）内部。
3.根据权利要求2所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述第一样品靶（4）为CH/Si/CH逐层堆叠结构，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶（1）内部；所述第二样品靶（5）为CH/Ge/CH逐层堆叠结构，顶层的CH的厚度大于底层的CH的厚度，顶层的CH面向所述黑腔靶（1）内部。
4.根据权利要求3所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述第一样品靶（4）中底层CH的厚度为0.8~1.2μm，Si的厚度为0.7~1.2μm，顶层CH的厚度为18~45μm。
5.根据权利要求3所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述第二样品靶（5）中底层CH的厚度为0.8~1.2μm，Ge的厚度为0.3~0.5μm，顶层CH的厚度为18~45μm。
6.根据权利要求1所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述黑腔靶（1）的两端分别设置有屏蔽片（6），所述屏蔽片（6）为无顶空心圆锥体状，所述屏蔽片（6）由Cu制成，表面镀CH，呈无顶空心圆锥体状的所述屏蔽片（6）的底面面向远离所述黑腔靶（1）的方向。
7.根据权利要求1所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述黑腔靶（1）由Au制成。
8.根据权利要求1所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于：所述黑腔靶（1）的上下开口处设置有向内的凸沿，所述凸沿所成的圆环的内径小于所述黑腔靶（1）中部的内径。
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