CN111982344B - 激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法，其中系统包括竖直设置且反射面正对的平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ、水平设置且反射面竖直朝上的复合平响应球面物镜Ⅲ、水平设置且反射面竖直朝上平响应选能平面镜Ⅰ和平响应选能平面镜Ⅱ、成像板和激光磷屏分析仪。计算方法主要以读取数据并根据轫致辐射原理，直接通过单能像的强度比以获得电子温度和密度。主要通过双KB镜通道系统消除视场差异的影响，并利用通道及平面镜的平响应，确保反射率一致，根据轫致辐射原理进行电子温度和密度的绝对值计算，计算过程更简单，结果更可靠，并能求解绝对的热斑电子密度值，具有广阔且重要的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及电子参数探测技术领域，具体涉及一种激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法。
背景技术
激光惯性约束聚变(ICF，Inertial Confinement Fusion)受控核聚变目标的实现，需要靶丸内爆压缩后期，热斑状态氘氚燃料达到极高的电子温度和电子密度。对热斑电子温度和密度的高空间分辨探测是深入研究潜含在热斑状态下一系列物理问题，如内爆效率、RT(Rayleigh–Taylor)不稳定性、热斑混合等的基础，更是研究激光聚变的重难点。
目前，由于热斑自发射较弱，国际上通常采用热斑掺杂提高掺杂元素发射强度，并配合多针孔成像的方式，通过测量参杂元素的发射线强比Lyβ/Heβ，并经过迭代调试计算，从而得到热斑的电子温度和密度。
以上探测方式往往存在以下不足，第一、多针孔成像的空间分辨率受限于针孔大小，针孔通常为10～25μm，然而热斑大小为30～60μm，即热斑上最多仅能采集3～6个数据点，显然空间分辨是不足的；第二、如掺杂元素时，其通常为中高Z元素，这些元素会带来辐射致冷效应，会降低热斑温度，影响测量结果；第三、采用迭代式的计算方式，所得温度密度结果精度相对较低。
发明内容
为解决上述问题，本发明提供了一种激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法，能够实现热斑电子温度和密度的快速探测提取，大大提高数据精度和准确性，同时降低制造难度和成本等。
为实现上述目的，本发明技术方案如下：
一种激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统，其关键在于：包括竖直设置且反射面正对的平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ、水平设置且反射面竖直朝上的复合平响应球面物镜Ⅲ、水平设置且反射面竖直朝上平响应选能平面镜Ⅰ和平响应选能平面镜Ⅱ、成像板和激光磷屏分析仪；
其中，复合平响应球面物镜Ⅲ上具有对称设置的平响应反射面Ⅰ和平响应反射面Ⅱ，所述平响应反射面Ⅰ和平响应反射面Ⅱ上均涂覆有X射线平响应单层金属膜；
所述的复合平响应球面物镜Ⅲ的中心位于平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ的对称面上，平响应选能平面镜Ⅰ和平响应选能平面镜Ⅱ的对称面与平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ的对称面相重合；成像板的竖直对称面与平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ的对称面重合。
采用以上结构，首先通过双KB镜通道探测，有利于消除或弱化视场差异影响，提高分辨率，此外KB镜通道内部件，以及平响应选能平面镜均采取平响应方式，对于温度和密度的测量结果更绝对，而现有的一些测量方式大多以相对定量的方式进行计算，直接导致测量结果不准确，或者不能测得电子密度等，另外，利用平响应选能平面镜进行选能截取X射线，相对更便于根据需要进行平面镜的更换，也更容易实现，能带宽可选择灵活度更大，有利于降低系统的制造难度和经济成本等。
作为优选：所述的平响应球面物镜Ⅰ和平响应球面物镜Ⅱ的反射面上均涂覆有X射线平响应单层金属膜。通过单层膜实现两个球面物镜的平响应反射，确保二者对所有能量的X射线的反射率相等，为一常数值，便于后期计算电子温度和密度的绝对值。
作为优选：所述平响应选能平面镜Ⅰ和平响应选能平面镜Ⅱ均涂覆有X射线平响应多层膜。采用以上方案，利用平响应多层膜能够保证其X射线的反射率相等且为常数，便于后期计算的绝对定量化，并使选能的带宽选择更灵活。
作为优选：所述平响应选能平面镜Ⅰ和平响应选能平面镜Ⅱ所截取能量带分别为E1±ΔE1和E2±ΔE2，带宽分别为2ΔE1和2ΔE2，所述E1±ΔE1和E2±ΔE2之间的间隔，以及2ΔE1和2ΔE2均小于等于1keV。采用以上方案，通过选取不同能量带进行比值计算，更容易求解热斑电子的绝对温度值，提高其计算可靠性和准确性，同时降低计算难度。
在上述探测设备的基础之上，本申请提出了一种激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，以提高计算准确度，其技术方案如下：
一种激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，其关键在于，包括如下步骤：
S1、根据待测热斑具体点位构建上述探测系统，其中待测热斑和平响应球面物镜Ⅰ的中心的连线Ⅰ与待测热斑和平响应球面物镜Ⅱ的中心的连线Ⅱ之间具有夹角θ，平响应球面物镜Ⅰ的反射面和复合平响应球面物镜Ⅲ的平响应反射面Ⅰ构成KB镜通道Ⅰ，平响应球面物镜Ⅱ的反射面和复合平响应球面物镜Ⅲ的平响应反射面Ⅱ构成KB镜通道Ⅱ，KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ相对待测热斑的夹角θ，且所述夹角θ所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一；
S2、待测热斑自发射的X射线经过KB镜通道Ⅰ之后，入射到平响应选能平面镜Ⅰ，截取能量带为E1±ΔE1的射线，并在成像板上成像为平响应准单能像Ⅰ；待测热斑自发射的X射线经过KB镜通道Ⅱ之后，入射到平响应选能平面镜Ⅱ，截取能量带为E2±ΔE2的X射线，并在成像板上成像为平响应准单能像Ⅱ；
S3、平响应准单能像Ⅰ和平响应准单能像Ⅱ的数据信号传输至激光磷屏分析仪进行读取；
S4、通过读取数据进行待测热斑电子温度和密度的计算。
采用以上方案，通过控制两个KB镜通道之间的夹角，达到消除弱化视场差异影响的目的，并通过平响应对热斑自发射X射线进行定量探测，数据处理计算依据热斑自发射的轫致辐射原理，无需迭代计算，有利于进一步提高计算准确度。
作为优选：所述待测热斑为激光惯性约束聚变ICF靶丸内爆压缩获得，待测热斑的自发辐射为轫致辐射，步骤S4的计算过程包括如下步骤：
S4.1、计算单位质量的轫致辐射强度，
其中，C是与基本电荷、原子序数、电子质量、光速、质量数和质子质量相关的常数，ne是电子密度，Te是电子温度，h是普朗克常量，ν是频率，kB是玻尔兹曼常量；
S4.2、计算各KB镜通道的谱分别探测范围，
S4.3、计算各成像板所形成的平响应准单能像的强度分布，
其中，Ck是KB镜通道的平响应系数、Cm是平响应选能平面镜的平响应系数Cm，Ci是成像板的响应系数Ci，Ck、Cm和Ci均为已知常数；
S4.4、分别读取平响应准单能像Ⅰ和平响应准单能像Ⅱ的强度分布为IA1和IA2，并通过IA1和IA2的比值求解待测热斑的电子温度Te，
其中，E1±ΔE1和E2±ΔE2为已知数；
S4.5、将求得待测热斑的电子温度Te代入平响应准单能像的强度分布计算公式中，求解待测热斑的电子密度ne。
与现有技术相比，本发明的有益效果是：
采用本发明提供的激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统及方法，主要通过双KB镜通道系统消除弱化视场差异的影响，并利用通道及平面镜的平响应，确保反射率一致，再根据轫致辐射的原理，进行电子温度和密度的绝对值提取计算,相比传统迭代计算方式而言，其计算过程更简单，结果更可靠，并能求解真实的热斑电子密度值，具有广阔且重要的应用前景。
附图说明
图1为本发明激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统结构示意图。
具体实施方式
以下结合实施例和附图对本发明作进一步说明。
参考图1所示的激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统，其包括竖直设置且反射面正对的平响应球面物镜Ⅰ2和平响应球面物镜Ⅱ3、水平设置且反射面竖直朝上的复合平响应球面物镜Ⅲ4、水平设置且反射面竖直朝上平响应选能平面镜Ⅰ5和平响应选能平面镜Ⅱ6、成像板7和激光磷屏分析仪12；
其中，复合平响应球面物镜Ⅲ4上具有对称设置的平响应反射面Ⅰ10和平响应反射面Ⅱ11，平响应反射面Ⅰ10和平响应反射面Ⅱ11上均涂覆有X射线平响应单层金属膜，如为铱、铂或镍等材料薄膜。
复合平响应球面物镜Ⅲ4的中心位于平响应球面物镜Ⅰ2和平响应球面物镜Ⅱ3的对称面上，平响应选能平面镜Ⅰ5和平响应选能平面镜Ⅱ6的对称面与平响应球面物镜Ⅰ2和平响应球面物镜Ⅱ3的对称面相重合；成像板7的竖直对称面与平响应球面物镜Ⅰ2和平响应球面物镜Ⅱ3的对称面重合。
上述的平响应球面物镜Ⅰ2的反射面和复合平响应球面物镜Ⅲ4的平响应反射面Ⅰ10构成KB镜通道Ⅰ，平响应球面物镜Ⅱ3的反射面和复合平响应球面物镜Ⅲ4的平响应反射面Ⅱ11构成KB镜通道Ⅱ。
本实施例中，平响应球面物镜Ⅰ2和平响应球面物镜Ⅱ3的反射面上均涂覆有X射线平响应单层金属膜，如为铱、铂或镍等材料薄膜，平响应选能平面镜Ⅰ5和平响应选能平面镜Ⅱ6上均涂覆有依据Bragg衍射原理而获得能量带的X射线平响应多层膜，需要注意的是，为便于后期计算，平响应选能平面镜Ⅰ5和平响应选能平面镜Ⅱ6所获得能量带不同，令平响应选能平面镜Ⅰ5能够截取能量带为E1±ΔE1，平响应选能平面镜Ⅱ6截取能量带为E2±ΔE2，E1±ΔE1和E2±ΔE2主要通过选取不同镀膜材料，如铁、铜、金等材料薄膜，并结合膜系厚度设计实现，在材料和厚度确定情况下即可根据设计或标定，并通过MATLAB数值求解获得二者的绝对值。
平响应选能平面镜Ⅰ5和平响应选能平面镜Ⅱ6所截取能量带的带宽分别为2ΔE1和2ΔE2，在实际探测过程中，优选E1±ΔE1和E2±ΔE2之间的间隔，以及2ΔE1和2ΔE2均小于等于1keV。
在此基础之上，本申请中提出了一种激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，其主要包括如下步骤：
第一，根据待测热斑1产生的具体位置构建上述探测系统，待测热斑1位于平响应球面物镜Ⅰ2和平响应球面物镜Ⅱ3的对称面上，其与平响应球面物镜Ⅰ2中心的连线Ⅰ与平响应球面物镜Ⅱ3中心的连线Ⅱ的夹角θ，即两个KB镜通道相对待测热斑1具有夹角θ，通过控制夹角θ的值，使其足够小，以确保所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一。
第二，待测热斑1通过激光惯性约束聚变ICF靶丸內爆压缩产生，其自发射的X射线经过KB镜通道Ⅰ之后，入射到平响应选能平面镜Ⅰ5，截取能量带为E1±ΔE1的射线，并在成像板7上成像为平响应准单能像Ⅰ8；待测热斑1自发射的X射线经过KB镜通道Ⅱ之后，入射到平响应选能平面镜Ⅱ6，截取能量带为E2±ΔE2的X射线，并在成像板7上成像为平响应准单能像Ⅱ9。
第三，平响应准单能像Ⅰ8和平响应准单能像Ⅱ9的数据信号传输至激光磷屏分析仪进行读取。
第四，通过读取数据进行待测热斑1电子温度Te和电子密度ne的计算。
其中，第四步中，具体的计算过程如下，首先计算单位质量的轫致辐射强度：
其中，C是与基本电荷、原子序数、电子质量、光速、质量数和质子质量相关的常数，ne是电子密度，Te是电子温度，h是普朗克常量，ν是频率，kB是玻尔兹曼常量。
针对待测热斑1自身每一个位置发射的两种不同能点谱线的强度，以获得两个KB镜通道各自的谱分探测范围：
其中E±ΔE即为能量带宽，再考虑KB镜通道的平响应系数Ck、平响应选能平面镜的平响应系数Cm以及成像板的响应系数Ci，则成像板7上记录的平响应准单能像的强度分布为：
最后，通过KB镜通道的产生的两个平响应准单能像8和9强度分布IA1和IA2之比
即可得到热斑电子温度Te，
因为公式④中只有一个未知数Te，其余的都是已知量(C是已知常数，Ck、Cm和Ci)通过标定获得，E1±ΔE1和E2±ΔE2通过前期获得，通常取值分别为6.40±0.5keV和9.67±0.407keV)，得到电子温度Te获得后，直接带入公式③中即可获得电子密度ne。
需要特别注意的是，由于本发明设备的两个KB镜通道之间存在视角差异，这个视角差异必然引入视场差异。通常的多通道KB镜的视场差异非常显著，达到3.65μm～5.20μm，然而公式④中需要两个平响应准单能像来自热斑相同位置，即像上每个像素点一一对应，并且因为通常待测热斑1的大小仅为30μm～60μm，因此在这种视场差异下是不能得到电子温度与密度的正确结果的。故本发明中主要通过控制夹角θ，使其在1°左右，以将两个KB镜通道之间的视场差异缩小到每个KB镜通道的空间分辨的二分之一以下，使KB镜的空间分辨达到2.5～5μm，利用KB镜固有的空间分辨的属性，消除视场差异的影响，从而获得更准确的热斑电子温度和密度结果。
由于KB镜的集光效率是针孔的10～100倍，因此本设备直接对热斑自发射X射线进行定量探测，无需掺杂避免了辐射致冷效应；数据处理依据热斑自发射的轫致辐射原理，直接通过强度比获取电子温度与密度，无需迭代计算，提升了结果准确度，具有广阔且重要的应用前景。
最后需要说明的是，上述描述仅仅为本发明的优选实施例，本领域的普通技术人员在本发明的启示下，在不违背本发明宗旨及权利要求的前提下，可以做出多种类似的表示，这样的变换均落入本发明的保护范围之内。
Claims (4)
1.一种激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、根据待测热斑(1)具体点位构建激光惯性约束聚变热斑高空间分辨探测系统，所述探测系统包括竖直设置且反射面正对的平响应球面物镜Ⅰ(2)和平响应球面物镜Ⅱ(3)、水平设置且反射面竖直朝上的复合平响应球面物镜Ⅲ(4)、水平设置且反射面竖直朝上平响应选能平面镜Ⅰ(5)和平响应选能平面镜Ⅱ(6)、成像板(7)和激光磷屏分析仪；
其中，复合平响应球面物镜Ⅲ(4)上具有对称设置的平响应反射面Ⅰ(10)和平响应反射面Ⅱ(11)，所述平响应反射面Ⅰ(10)和平响应反射面Ⅱ(11)上均涂覆有X射线平响应单层金属膜；
所述的复合平响应球面物镜Ⅲ(4)的中心位于平响应球面物镜Ⅰ(2)和平响应球面物镜Ⅱ(3)的对称面上，平响应选能平面镜Ⅰ(5)和平响应选能平面镜Ⅱ(6)的对称面与平响应球面物镜Ⅰ(2)和平响应球面物镜Ⅱ(3)的对称面相重合；成像板(7)的竖直对称面与平响应球面物镜Ⅰ(2)和平响应球面物镜Ⅱ(3)的对称面重合；
待测热斑(1)和平响应球面物镜Ⅰ(2)的中心的连线Ⅰ与待测热斑(1)和平响应球面物镜Ⅱ(3)的中心的连线Ⅱ之间具有夹角θ，平响应球面物镜Ⅰ(2)的反射面和复合平响应球面物镜Ⅲ(4)的平响应反射面Ⅰ(10)构成KB镜通道Ⅰ，平响应球面物镜Ⅱ(3)的反射面和复合平响应球面物镜Ⅲ(4)的平响应反射面Ⅱ(11)构成KB镜通道Ⅱ，KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ相对待测热斑(1)的夹角θ，且所述夹角θ所引入的最大视场几何差别小于KB镜通道Ⅰ和KB镜通道Ⅱ的空间分辨的二分之一；
S2、待测热斑(1)自发射的X射线经过KB镜通道Ⅰ之后，入射到平响应选能平面镜Ⅰ(5)，截取能量带为E1±ΔE1的射线，并在成像板(7)上成像为平响应准单能像Ⅰ(8)；待测热斑(1)自发射的X射线经过KB镜通道Ⅱ之后，入射到平响应选能平面镜Ⅱ(6)，截取能量带为E2±ΔE2的X射线，并在成像板(7)上成像为平响应准单能像Ⅱ(9)；
S3、平响应准单能像Ⅰ(8)和平响应准单能像Ⅱ(9)的数据信号传输至激光磷屏分析仪进行读取；
S4、通过读取数据进行待测热斑(1)电子温度和密度的计算，所述待测热斑(1)为激光惯性约束聚变ICF靶丸内爆压缩获得，待测热斑(1)的自发辐射为轫致辐射，包括如下步骤：
S4.1、计算单位质量的轫致辐射强度，
其中，C是与基本电荷、原子序数、电子质量、光速、质量数和质子质量相关的常数，ne是电子密度，Te是电子温度，h是普朗克常量，ν是频率，kB是玻尔兹曼常量；
S4.2、计算各KB镜通道的谱分别探测范围，
S4.3、计算各成像板(7)所形成的平响应准单能像的强度分布，
其中，Ck是KB镜通道的平响应系数、Cm是平响应选能平面镜的平响应系数Cm，Ci是成像板的响应系数Ci，Ck、Cm和Ci均为已知常数；
S4.4、分别读取平响应准单能像Ⅰ(8)和平响应准单能像Ⅱ(9)的强度分布为IA1和IA2，并通过IA1和IA2的比值求解待测热斑(1)的电子温度Te，
其中，E1±ΔE1和E2±ΔE2为已知数；
S4.4、将求得待测热斑(1)的电子温度Te代入平响应准单能像的强度分布计算公式中，求解待测热斑(1)的电子密度ne。
2.根据权利要求1所述的激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，其特征在于：所述的平响应球面物镜Ⅰ(2)和平响应球面物镜Ⅱ(3)的反射面上均涂覆有X射线平响应单层金属膜。
3.根据权利要求1所述的激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，其特征在于：所述平响应选能平面镜Ⅰ(5)和平响应选能平面镜Ⅱ(6)均涂覆有X射线平响应多层膜。
4.根据权利要求1或3所述的激光惯性约束聚变热斑电子温度和密度的计算方法，其特征在于：所述平响应选能平面镜Ⅰ(5)和平响应选能平面镜Ⅱ(6)所截取能量带分别为E1±ΔE1和E2±ΔE2，带宽分别为2ΔE1和2ΔE2，所述E1±ΔE1和E2±ΔE2之间的间隔，以及2ΔE1和2ΔE2均小于等于1keV。
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Legal Events
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| PB01 | Publication | ||
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| SE01 | Entry into force of request for substantive examination | ||
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| GR01 | Patent grant | ||
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