CN108615564A - 一种烧蚀状态下中z元素透射能流的测量靶及测量方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶及测量方法，属于间接驱动激光聚变技术领域，包括靶面，所述靶面为逐层堆叠的平面靶结构，其由上至下依次包括第一碳氢膜层、中Z元素层和第二碳氢膜层，且第一碳氢膜层的厚度大于第二碳氢膜层的厚度，所述第一碳氢膜层作为激光束入射面，所述第二碳氢膜层作为观测面，所述中Z元素层的厚度可调，本发明中靶面采用逐层堆叠的平面靶结构替代传统的梯度掺杂结构，有利于突出掺杂元素本身的烧蚀特性以及获得X射线通过加热后掺杂元素的透过率，结构新颖，操作便捷且测量精准。

Description

一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶及测量方法

技术领域

本发明属于间接驱动激光聚变技术领域，具体地说涉及一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶及测量方法。

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，此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(>1.8keV)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1.6keV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，而国外关于不同掺杂份额对辐射能流的影响也没有进一步地分析。因此，研究掺杂对辐射烧蚀特性的影响，对选取合适的掺杂元素及掺杂份额显得极为重要。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。而且内爆靶中的掺杂为梯度掺杂(即掺杂原子份额随半径增加而递增，随后递减的掺杂方式)，获得的综合数据难以用于分析掺杂元素的烧蚀特性，在物理问题的提炼上也有难度。

发明内容

针对现有技术的种种不足，为了解决上述问题，现提出一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶及测量方法，用于测量各掺杂中Z元素在不同烧蚀状态(温度、密度)下的透射能流，有助于分析各掺杂元素的烧蚀特性。

为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：

一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，包括靶面，所述靶面为逐层堆叠的平面靶结构，其由上至下依次包括第一碳氢膜层、中Z元素层和第二碳氢膜层，且第一碳氢膜层的厚度大于第二碳氢膜层的厚度，所述第一碳氢膜层作为激光束入射面，所述第二碳氢膜层作为观测面，所述中Z元素层的厚度可调。

进一步，所述第一碳氢膜层的厚度为18-45μm，所述第二碳氢膜层的厚度为08-1.2μm。

进一步，所述中Z元素层的中Z元素为Si，且中Z元素层的厚度为0.5-1.5μm。

进一步，所述第一碳氢膜层的厚度为18μm，所述第二碳氢膜层的厚度为0.8μm，所述中Z元素层的厚度为0.7μm。

进一步，所述第一碳氢膜层的厚度为45μm，所述第二碳氢膜层的厚度为1μm，所述中Z元素层的厚度为1.2μm。

进一步，所述中Z元素层的中Z元素为Ge，且中Z元素层的厚度为0.2-0.7μm。

进一步，所述第一碳氢膜层的厚度为18μm，所述第二碳氢膜层的厚度为0.8μm，所述中Z元素层的厚度为0.2μm。

进一步，所述第一碳氢膜层的厚度为45μm，所述第二碳氢膜层的厚度为1.2μm，所述中Z元素层的厚度为0.7μm。

进一步，还包括黑腔靶和屏蔽片，所述黑腔靶为空心且两端开口的筒状结构，其侧壁上开设诊断孔，所述靶面位于诊断孔处，且第一碳氢膜层面向黑腔靶的内腔，所述屏蔽片为空心的圆台结构，其位于黑腔靶的端部。

另，本发明还提供一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶的测量方法，包括如下步骤：

S1：激光装置发射激光束，所述激光束入射至黑腔靶的内腔并与黑腔靶作用产生辐射源；

S2：所述辐射源作用于靶面并烧蚀第一碳氢膜层，改变第一碳氢膜层厚度，使中Z元素层分别处于冲击波加热状态、辐射热波加热状态，并分别获得观测面处的透射能流数据，即得到中Z元素在不同烧蚀状态下的透射能流。

本发明的有益效果是：

1、靶面采用逐层堆叠的平面靶结构替代传统的梯度掺杂结构，有利于突出掺杂元素本身的烧蚀特性以及获得X射线通过加热后掺杂元素的透过率，结构新颖，操作便捷且测量精准，而传统结构难以获得掺杂元素自身的烧蚀特性，且不能精确评价掺杂元素对烧蚀的影响。

2、当第一碳氢膜层的厚度为18-25μm时，靶面为薄靶，热波可烧蚀至中Z元素层，中Z元素层处于辐射热波加热状态；当第一碳氢膜层的厚度为35-45μm时，靶面为厚靶，热波未烧蚀至中Z元素层，中Z元素层处于冲击波加热状态。通过改变第一碳氢膜层的厚度，改变中Z元素层的位置，便可在加热时改变中Z元素层的辐射温度，得到中Z元素层在辐射热波加热状态、冲击波加热状态两种情况下，靶面对X射线的吸收透射情况。

附图说明

图1是本发明的靶面结构示意图；

图2是本发明的整体结构示意图；

图3是实施例二中激光束波形与辐射源温度曲线图；

图4是实施例二中第一测量靶和第二测量靶的X射线透射能流曲线图；

图5是实施例三中激光束波形与辐射源温度曲线图；

图6是实施例三中第三测量靶和第四测量靶的X射线透射能流曲线图。

附图中：1-第一碳氢膜层、2-中Z元素层、3-第二碳氢膜层、4-靶面、5-黑腔靶、6-屏蔽片。

具体实施方式

为了使本领域的人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合本发明的附图，对本发明的技术方案进行清楚、完整的描述，基于本申请中的实施例，本领域普通技术人员在没有做出创造性劳动的前提下所获得的其它类同实施例，都应当属于本申请保护的范围。此外，以下实施例中提到的方向用词，例如“上”“下”“左”“右”等仅是参考附图的方向，因此，使用的方向用词是用来说明而非限制本发明创造。

实施例一：

如图1-2所示，一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，包括靶面4、黑腔靶5和屏蔽片6，所述靶面4为逐层堆叠的平面靶结构，其由上至下依次包括第一碳氢膜层1、中Z元素层2和第二碳氢膜层3，且第一碳氢膜层1的厚度大于第二碳氢膜层3的厚度。由激光装置发射的激光入射至第一碳氢膜层1，也就是说，所述第一碳氢膜层1作为激光束入射面，所述第二碳氢膜层3作为观测面。

作为优选，所述第一碳氢膜层1的厚度为18-45μm，所述第二碳氢膜层3的厚度为08-1.2μm。当第一碳氢膜层1的厚度为18-25μm时，靶面4为薄靶，热波可烧蚀至中Z元素层2，中Z元素层2处于辐射热波加热状态；当第一碳氢膜层1的厚度为35-45μm时，靶面4为厚靶，热波未烧蚀至中Z元素层2，中Z元素层2处于冲击波加热状态。通过改变第一碳氢膜层1的厚度，改变中Z元素层2的位置，便可在加热时改变中Z元素层2的辐射温度，得到中Z元素层2在辐射热波加热状态、冲击波加热状态两种情况下，靶面4对X射线的吸收透射情况。

此外，所述中Z元素层2的厚度可调，所述中Z元素作为掺杂元素。当所述中Z元素层的中Z元素为Si，即掺杂元素为Si时，中Z元素层2的厚度为0.5-1.5μm。当所述中Z元素层的中Z元素为Ge，即掺杂元素为Ge时，中Z元素层的厚度为0.2-0.7μm。

所述黑腔靶5为空心且两端开口的筒状结构，其侧壁上开设诊断孔，所述靶面4位于诊断孔处，且第一碳氢膜层1面向黑腔靶5的内腔，所述屏蔽片6为空心的圆台结构，其位于黑腔靶5的端部。由激光装置发射激光束，所述激光束入射至黑腔靶5的内腔并与黑腔靶作用产生辐射源，所述辐射源作用于靶面4并依次烧蚀第一碳氢膜层1、中Z元素层2和第二碳氢膜层3，改变第一碳氢膜层1厚度，使中Z元素层2分别处于冲击波加热状态、辐射热波加热状态，并分别获得观测面处的透射能流数据，即得到中Z元素在不同烧蚀状态下的透射能流。

实施例二：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

第一测量靶和第二测量靶均为边长为460μm的正方形，其中，第一测量靶的结构为CH/Si/CH，第一测量靶各层的厚度从底层到顶层依次为0.8μm、0.7μm、18μm，第二测量靶的结构为CH/Si/CH，第二测量靶各层的厚度从底层到顶层依次为1.0μm、1.2μm、45μm。

激光束波长为0.351μm，功率为2×10¹⁴W/cm²，脉冲为1ns。激光束为8束，以4束为一组分别从黑腔靶5的两端分别射入，激光束与黑腔靶5的径向截面呈45°。激光束波形与测量的黑腔靶5辐射源温度曲线如图3所示，Tr表示黑腔靶5辐射源温度，P表示激光束总功率，Time表示时间，a表示激光束波形曲线，b表示激光束注入黑腔靶5所形成的辐射源温度曲线。采用1～1.6keV带通的选能XRD测量通过第一测量靶和第二测量靶的X射线透射能流，得到得透射能流曲线如图4所示。Time表示时间，Transmission flux表示透射能流，E1表示第一测量靶测得的透射能流曲线，E2表示第二测量靶测得的透射能流曲线。

第一测量靶中第一碳氢膜层的厚度为18μm，辐射热波可烧蚀至中Z元素层，其1-1.6keV的透射能流远高于第二测量靶的透射能流。第二测量靶中第一碳氢膜层的厚度为45μm，冲击波加热中Z元素层，辐射热波不能到达中Z元素层，其温度较低，透射能流强度较小。同时，第一测量靶和第二测量靶的透射能流曲线有明显差异，E1的峰值出现时间比E2早0.11ns，E1的强度是E2的6.5倍。

实施例三：

本实施例与实施例一相同的部分不再赘述，不同的是：

第三测量靶和第四测量靶均为边长为460μm的正方形，其中，第三测量靶的结构为CH/Ge/CH，第三测量靶各层的厚度从底层到顶层依次为0.8μm、0.2μm、18μm，第四测量靶的结构为CH/Ge/CH，第四测量靶各层的厚度从底层到顶层依次为1.2μm、0.7μm、45μm。

激光束波长为0.351μm，功率为2×10¹⁴W/cm²，脉冲为1ns。激光束为8束，以4束为一组分别从黑腔靶5的两端分别射入，激光束与黑腔靶5的径向截面呈45°。激光束波形与测量的黑腔靶5辐射源温度曲线如图5所示，Tr表示黑腔靶5辐射源温度，P表示激光束总功率，Time表示时间，c表示激光束波形曲线，d表示激光束注入黑腔靶5所形成的辐射源温度曲线。采用1～1.6keV带通的选能XRD测量通过第三测量靶和第四测量靶的X射线透射能流，得到得透射能流曲线如图6所示。Time表示时间，Transmission flux表示透射能流，E3表示第三测量靶测得的透射能流曲线，E4表示第四测量靶测得的透射能流曲线。

第三测量靶中第一碳氢膜层的厚度为18μm，辐射热波可烧蚀至中Z元素层，其1-1.6keV的透射能流远高于第四测量靶的透射能流。第四测量靶中第一碳氢膜层的厚度为45μm，冲击波加热中Z元素层，辐射热波不能到达中Z元素层，其温度较低，透射能流强度较小。同时，第三测量靶和第四测量靶的透射能流曲线有明显差异，E3的峰值出现时间比E4早0.11ns，E3的强度是E4的6.7倍。

以上已将本发明做一详细说明，以上所述，仅为本发明之较佳实施例而已，当不能限定本发明实施范围，即凡依本申请范围所作均等变化与修饰，皆应仍属本发明涵盖范围内。

Claims (10)

1.一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，包括靶面，其特征在于，所述靶面为逐层堆叠的平面靶结构，其由上至下依次包括第一碳氢膜层、中Z元素层和第二碳氢膜层，且第一碳氢膜层的厚度大于第二碳氢膜层的厚度，所述第一碳氢膜层作为激光束入射面，所述第二碳氢膜层作为观测面，所述中Z元素层的厚度可调。

2.根据权利要求1所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述第一碳氢膜层的厚度为18-45μm，所述第二碳氢膜层的厚度为08-1.2μm。

3.根据权利要求2所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述中Z元素层的中Z元素为Si，且中Z元素层的厚度为0.5-1.5μm。

4.根据权利要求3所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述第一碳氢膜层的厚度为18μm，所述第二碳氢膜层的厚度为0.8μm，所述中Z元素层的厚度为0.7μm。

5.根据权利要求3所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述第一碳氢膜层的厚度为45μm，所述第二碳氢膜层的厚度为1μm，所述中Z元素层的厚度为1.2μm。

6.根据权利要求2所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述中Z元素层的中Z元素为Ge，且中Z元素层的厚度为0.2-0.7μm。

7.根据权利要求6所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述第一碳氢膜层的厚度为18μm，所述第二碳氢膜层的厚度为0.8μm，所述中Z元素层的厚度为0.2μm。

8.根据权利要求6所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，所述第一碳氢膜层的厚度为45μm，所述第二碳氢膜层的厚度为1.2μm，所述中Z元素层的厚度为0.7μm。

9.根据权利要求1-8任一所述的一种烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶，其特征在于，还包括黑腔靶和屏蔽片，所述黑腔靶为空心且两端开口的筒状结构，其侧壁上开设诊断孔，所述靶面位于诊断孔处，且第一碳氢膜层面向黑腔靶的内腔，所述屏蔽片为空心的圆台结构，其位于黑腔靶的端部。

10.一种采用如权利要求1-9任意一项所述的烧蚀状态下中Z元素透射能流的测量靶的测量方法，其特征在于，包括以下步骤：

S1：激光装置发射激光束，所述激光束入射至黑腔靶的内腔并与黑腔靶作用产生辐射源；

S2：所述辐射源作用于靶面并烧蚀第一碳氢膜层，改变第一碳氢膜层厚度，使中Z元素层分别处于冲击波加热状态、辐射热波加热状态，并分别获得观测面处的透射能流数据，即得到中Z元素在不同烧蚀状态下的透射能流。