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基于神光III主机装置激光打靶产生电磁脉冲特性研究

来源:个人技术集锦
研究与开发 基于神光ⅡI主机装置激光打靶产生 电磁脉冲特性研究 杨进文 ,2杨鸣 2 李廷帅2 易 涛 刘慎业 (1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳 621900; 2.电子科技大学能源科学与工程学院,成都 611731) 摘要 激光打靶过程会产生大量的电磁脉冲,脉冲强度大,频带宽,会影响各种重要诊断设 备的正常运行以及精密物理结果的精确测量。本实验在神光III主机装置靶室壁和靶室外搭建诊断 系统,并利用自行设计的多款天线进行脉冲信号的采集,为电磁脉冲特性的进一步研究提供了实 验依据。本文分别对电场天线与磁场天线采取不同的数据处理方法以获得靶场电磁场分布,多发 数据表明,大盘锥天线测得信号最强,超频段偶极天线测得信号最弱,靶室内外均产生较强的电 磁干扰,需要进行相应的电磁屏蔽。 关键词:强激光:电磁脉冲;神光III;天线 Investigation of Electromagnetic Pulses Generated by the Laser Shooting based on SG・III facility YangJinwen , Yang Ming:Li Tingshuai Tao Liu Shenye (1.Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 62 1 900; 2.School of Energy Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China, Chengdu 611731) Abstract The interaction between intensive laser and metal targets can yield an extremely significant electromagnetic radiation,which not only has a large intensity and widely bandwidth,but leads to malfunctioning of various important diagnostics systems and the inaccuracy of physical experiment result.This study focus on building a diagnostic system against and outside the target chamber and collecting the pulse signal by designing multiple antennas,which are expected to provide the experimental basis for further investigation of EMP characteristic.Different data processing methods of electric field antennas and magnetic.filed antennas are used to obtain the electromagnetic field distribution inside and outside the target chamber.Multiple data shows that large discone antenna gets the highest signal while ultra wideband dipole antenna gets the lowest signa1.It is necessary to make corresponding electromagnetic shielding because the high electromagnetic interference inside and outside the target chamber. Keywords:laser;electromagnetic pulse;sg—III;antenna 惯性约束核聚变(Inertial Confinement Fusion, 为了实现聚变点火,世界各地现已建造了许多高功 率激光装置,这些激光装置作为驱动设备,功率已 可达拍瓦(PW)级别。比如,美国劳伦斯・利弗莫 尔实验室(Lawrence Livermore National Laboratory, ICF)是实现可控核聚变的重要途径之一,其原理为 通过高功率激光、高功率电磁脉冲和高能重粒子束 作为外部能源直接或者间接驱动含热核燃料(氘、 氚)靶丸内爆,压缩燃料至高温高密度的状态,从 而发生核聚变【卜 1。ICF作为国际高科技研究方向, 中央高校基本科研基金(ZYGX2015J108) 国家自然科学基金(11575166,51581140) LLNL)于2009年建成的NIF装置 J,可输出192 束激光,输出能力位居世界第一;另外还有法国的 2016 ̄1 1期曝 技承l 21 研究与开发 LMJ[ ,英国的HiPER,日本的FIREX等。我国目 前也建立了神光系列装置,其中神光III主机装置于 2015年9月完成了输出测试实验,标志着神光III主 机装置已全面建成,也意味着神光III主机装置成为 shot3所用的靶尺寸为 1400pmx1000pm;shot4一 shot7所用另一种靶尺寸为 1600p,mx1300pm。半黑 腔靶实验中48束激光束未全部参与打靶,每发次情 况表中已列出,全部激光束加CPP进行束匀滑,焦 输出能力排名世界第二、亚洲第一的惯性约束聚变 激光装置 J。 高功率激光装置打靶实验中会产生大量的电磁 脉冲(Electromagnetic pulse,EMP),这些脉冲分布 频域广(几十MHz--5GHz),强度大,对靶室内外 的诊断设备和电子器件产生严重干扰,甚至导致诊 断设备出现故障,无法准确地实现物理量的测量 ]。 而且激光与等离子体作用中会产生大量的热电子, 同时还伴随着x射线、y射线出射等二次反应【1 引, 物理机制十分复杂,研究人员对此过程的解释尚不 完善,还存在许多无法解释的现象,所以电磁脉冲 产生机制及其辐射特性的研究显得十分迫切。 本文采用自行设计的多款天线对神光III主机装 置靶室壁和靶室外的电磁脉冲分布进行了采集,通 过数据处理得到了电磁场的时域和频域分布,为深 入理解聚变基本物理过程提供了实验依据。 1 实验布置 本实验在神光III主机装置靶场完成,实验布置 如图1所示。神光III主机装置是铷玻璃激光装置, 是我国开展ICF研究的重要平台,可同时输出48 束激光能量达1 80kJ,峰值功率达60TW的三倍频 紫外激光。48束激光从靶室南北半球入射,最终通 过打靶独立透镜向心汇聚于靶上。 图1实验布局 激光打靶各发次激光束能量与靶条件的对比由 表1给出,7发数据选取靶型均为半黑腔靶,靶材 均为金。实验选取的半黑腔靶有两种尺寸,shot1. 22 l电||i技琳2016 ̄11期 斑尺寸为500pm。 表1打靶信息 发次 靶型 靶材 焦斑尺寸 激光脉宽 主光束总能量 Shot1 半黑腔靶 金 500I.tm 1.0ns 1.0kJ*16=16.0kJ Shot2 半黑腔靶 金 5001.tm 1.0ns 1.0kJ*16:16.0kJ Shot3 半黑腔靶 金 500I.tm 1.Ons 1.0kJ*16=l6.0kJ Shot4 半黑腔靶 金 5001.tm 1.2ns 1.2kJ 24=28.8kJ Shot5 半黑腔靶 金 5001.tm 1.2ns 1.2kJ 24=28.8kJ Shot6 半黑腔靶 金 5001.tm 1.2ns 1.2kJ 24=28.8kJ ShOt7 半黑腔靶 金 500um l,2ns 1.2kJ 24=28,8kJ 电磁脉冲分布频域广,使用常规天线难以实现 整个频域范围信号的接收,因此针对不同频段(低、 中、高)的信号采集需要使用不同尺寸的天线,本 实验白行设计了5套天线用于电磁脉冲信号的采 集,电场天线:盘锥天线、平板天线和超带宽偶极 天线;磁场天线:环天线(B—dot)、筒天线。靶室 内所用天线通过专门定制的法兰(搭配长度一致的 支架)固定放置于靶室壁上,各天线信号独立输出, 通过支架竿中的同轴线缆与示波器相连,靶室内脉 冲信号较强,为了防止示波器因电压过大而损坏, 在天线与示波器之间接入了相应的衰减片。另外定 制与法兰口径一致的全铜筒,罩于法兰与支架间, 防护同轴线,屏蔽电磁信号与线缆之间的耦合。设 计了每款天线与靶室壁的距离略有偏差,小盘锥天 线、小环天线、小平板天线、大平板天线、大盘锥 天线和小筒天线到靶室壁的距离分别为112mm、 120mm、1 12ram、1 12mm、1 10mm、105mm。除此 之外,在靶室外安装了采集电磁脉冲信号的超频段 微带天线和超大盘锥天线,天线安装位置距外壁 3.5m,距靶室中心6.7m。 2 实验结果及分析 在神光III主机装置靶室内外进行了定点多次测 量,得到了多组实验数据。图2为shot3发次接收 到的电压时域信号,信号由8GHz示波器(a)和1GHz 示波器(b)输出,六种天线对应的信号持续时问不 同,分别为250ns、300ns、350ns、150ns、150ns、 150ns。此外在相同靶型和相同激光能量条件下,各 天线接收到的电压信号幅值存在很大差异,分别为 ∞O∞如O∞2 O 之 124.1V、60.7V、1.5V、239V、456.5V、453.5V,这 主要是由于各款天线其增益、效率等方面都存在很 大的差异,且接收频段也会导致接收到的信号大小 不一。 曲ot3 *8ff-holgmur ̄怫KJ I  Ie一……一‘~‘ J- 山 ~… 1_ !【 一一… . 1 f一~…..^一 . > 幽 .』h L ~~~ rlr' ””’ 一  . I…....~……t一…~一. 1_且JI‘lⅡ▲【 ^lL.uI“tJ,t … .’r1f1I 1I『1-『f f_一………一 ●_  I _ _ ‘ _0 1O0 200 300 400 500 600 t/ns (a)8GHz示波器 shot3,抖 f 0扣 f珏' ̄6KJ _刮 —一~~~一 t I-一… ..●… ~——  I口一一●…一. ——~ lO0 200 300 (b)1GHz示波器 图2 shot3对应的电压信号 电场天线和磁场天线各自的数据处理方式不 同,对电场天线而言,首先通过快速傅里叶变换 (Fast Fourier Transform,FFT),将天线接收到的电 磁脉冲时域信号变为频域信号,再根据电场与电压 之间传递函数的关系获取电场值;对磁场天线而言, 对时域信号进行积分处理过后,最后再除以天线等 效面积A。 (单位:mm )即可得磁场大小。图3为 shot3发次中小筒天线和大盘锥天线电磁脉冲信号 时域分布,靶室壁处的小筒天线测得磁场强度为 6.02T,大盘锥天线测得电场强度为3079kV/m。 图4(a)为所有发次对应的不同天线测得的电 压幅值,图4(b)为5种电场天线处理得到的电场 强度,图4(C)为磁场天线处理得到的磁场强度。 在电场天线中,大盘锥天线本身较其他天线而言具 有更好的全向性,且接收信号的频谱范围广(0~ 研究与开发 2 ∞∞0∞∞∞∞0∞∞∞∞0∞∞ 4 2 42 j Small barreI antenna.Hnil.hohlraum。16KJ 600 400 喜 。0 -200 400 ∞ 糖 (a)小筒天线 B_皤discone anterma,Half.hohlraum,16KJ 400 ————shot3 > 200 出0 “^J ⅢIII 一一~.… 锄_2O0 I。’” T1fI 叩~ 一………’ 400 O 100 200 300 ・— ——-shot3 g 2000 0 .II 0I..1J.1l L—L一一二lll一 羽  ̄rlqvy,it" ”__ ’’ -2000 0 10O 200 300 (b)大盘锥天线 图3 电磁脉冲时域信号 l2GHz),增益较高,所以大盘锥天线接收到的电磁 脉冲信号最强,电场强度达3210kV/m。平板天线增 益较低,所以接收到的电磁脉冲信号较弱,电场强 度为3kV/m左右。超带宽偶极天线本身效率低且放 置于靶室外测量,距离靶室中心最远,所以测得的 信号最弱,电场强度仅为1kV/m。但总体而言神光 III主机靶室电场值高至MV/m量级,不论对人还是 对诊断设备来说都存在较高的安全隐患,需进行相 应电磁屏蔽。 H r-hohlraum 500 400 } 1● } ▲■●sshot5 hotM12 ̄ >300 It,shot ̄ 1Jd J L ●shot'/ 脚200 _ } 1 r 1OO Jj } ’ } } { ● O I I disco ̄e pl,laar Wldeb ̄d planar ̄isco.e banel B ̄loI m 0e (a)不同天线对应的电压幅值 2016 ̄1 1期霹叠|I麓嫩1 23 研究与开发 Half-hohlraum 4000 l l-s lhotl ●shot2 —3000 _』:sl▲shhot4 ot3 —> 善2000 T i◆Ip s|hlo∞t8  }1OO0 l I ●  11 一 ● O I I I I ● I  i一。畔an 咖 。 。 (b)电场天线处理得到的电场强度值 HaIf-hohlraum 6 4 挺2 ● _ { O - ' ma" 8dot barrel (C)磁场天线处理得到的磁场强度值 图4 电磁脉冲的产生机制普遍接受的解释为靶充电 模型[ ,激光打靶过程产生大量的超热电子和X射 线,热电子在自生磁场中发生漂移离开靶面形成电 流[ ],相对而言,靶被充电带正电,由于静电场的 存在,靶后形成很强的静电分离势,在静电分离势 的作用下仅有很少的能量很高的电子能够脱离静电 力的束缚,其他能量较低的大部分电子被拉回靶面 并以等离子体频率做往复振荡,不同能量电子从而 出射激发不同频率的高强度、宽频域的电磁脉冲。 3 结论 本文利用自行设计的多款天线对强激光与半黑 腔靶相互作用产生的电磁脉冲在靶室壁和靶室外的 分布进行了测试与分析。实验获得了不同天线测得 的电压信号,通过对电场天线和磁场天线不同的数 据处理方法,得到的各天线对应的电场强度或磁场 强度,发现大盘锥天线接收到的电磁脉冲信号最强, 超频段偶极天线接收到的电磁脉冲信号最弱。通过 处理shot3发次数据,发现靶室壁处磁场达6.02T, 靶室周边电场强度达3079kv/m,表明神光III主机装 置的靶室内外均产生了很强电磁干扰,需要采取一 24 I电l-l技攥2016 ̄11期 定的屏蔽措施。最后,本文对电磁脉冲的产生机制 进行了简要探讨,但对与电磁脉冲更深层次物理特 性方面的解释还不够完善,需要在接下来的研究中 进一步探索。 参考文献 [1]江少恩,丁永坤,缪文勇,等.我国激光惯性约束聚 变实验研究进展[J].中国科学:G辑:物理学力学 天文学,2009,39(11):1571.1583. 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