[发明专利]利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法

说明书

本发明涉及高能量密度物理技术领域，具体公开了一种利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法，包括如下步骤：以高Z元素和低Z元素混合的固体复合材料构造黑腔辐射源的腔壁，腔壁包括激光X光转换层和离子分离层；向黑腔的腔室内部内充入碳氢气体并使气压小于等于0.3倍大气压；采用1ns～30ns脉宽的激光驱动黑腔形成冕区等离子体膨胀受限的辐射源。本发明所公开的方法，在同等充气压力的情况下，复合材料离子分离方法对冕区膨胀的抑制效果更好；减小了激光等离子体相互作用产生的能量亏损、提高激光与黑腔的能量耦合效率更高。

技术领域

本发明涉及高能量密度物理技术领域，涉及为惯性约束聚变等各种高能量密度物理研究提供高性能黑腔辐射源。针对激光驱动黑腔辐射源腔壁冕区等离子体过度膨胀影响辐射场强度及均匀性的问题，具体公开了一种利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法。

背景技术

激光驱动的黑腔辐射源，能将纳秒尺度高功率激光在高Z材料制作的腔体内转换成极强的X光辐射场。理想的黑腔源要求转换效率高、能谱干净、分布均匀，但现有黑腔的实际性能和品质均达不到理想设计指标，并因此无法完全满足各项应用需求。当前黑腔辐射源的一个重要问题在于腔壁冕区等离子体的过度膨胀。激光辐射黑腔内壁，腔壁很快被电离成等离子体，其高温低密度部分被称为冕区等离子体。冕区面向腔内的膨胀会敏感改变辐射场性能，进而显著影响其在各种应用中的效果。如在惯性约束聚变中，外环激光产生的冕区等离子体在膨胀时容易进入到内环激光通道中，引起内环激光传输受阻、内环通道激光等离子体相互作用过程改变、内外环束间能量转移变化等问题，从而导致黑腔能量耦合效率下降和辐照对称性恶化。

为抑制冕区等离子体膨胀，现有腔内填充低Z气体、腔壁材料泡沫化和优化黑腔几何构型三条途径。腔内充气是最常见和有效的抑制手段。如常温黑腔中充新戊烷C5H12、冷冻黑腔中充氦气He。这些气体在激光注入初期迅速离化变成低Z等离子体，产生的热压力能够一定程度抵挡焦斑附近形成的高Z冕区等离子体的聚心膨胀，从而保证内外环激光在脉宽时间内的有效传输。然而，大尺度且相对均匀的低Z气体等离子体非常适宜参量不稳定性发生，形成背向或近背向的受激布利渊散射、受激拉曼散射等，造成多达20％以上的激光能量亏损。因此在某些高温黑腔设计中，仅通过充气来抑制冕区膨胀与同时保持较高的辐射温度成为难以解决的矛盾。为此，人们又提出了基于低密度泡沫腔壁的抑制方案。该方案在黑腔内壁制备出低密度的泡沫化腔壁(目前相对成熟的是泡沫金)或内衬低密度泡沫化Ta₂O₅等，利用泡沫材料离化后较低的稀疏波动能损耗来形成低于固体密度材料离化后的膨胀速度。但泡沫腔壁是由包含骨架和空隙的复杂微纳结构组成，其微结构的制备、调控及其一致性保证都存在困难。同时当前辐射流体程序对微观结构的模拟只能通过等效平均密度进行处理，使模拟设计与实验结果差异显著，因此阻碍了泡沫腔壁的工程应用。近期，为抑制冕区膨胀，国内外研究团队又从黑腔几何构型上开展了针对焦斑附近腔壁的创新设计。如法国CEA设计的hollow wall黑腔和我国北京应用物理与计算数学研究所设计的“花生型”型腔，均在焦斑附近金腔壁上采用“后退”式设计来增加腔壁与腔轴的距离，同时在原腔壁内凹处组合一层超薄固体金，共同延缓冕区等离子体的聚心时刻，等效实现对冕区膨胀的抑制。该类异形黑腔方案的实际效果，还需要在完善靶制备技术后进行实验确认才有广泛应用的可能。

因此，现有的黑腔辐射源腔壁的等离子体膨胀情况还不能得到直接有效的抑制，需要提出更为合理的技术方案，解决现有技术中的不足。

发明内容

为了解决上述内容中提到的现有技术缺陷，本发明提供了利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法，基于充气的复合材料黑腔，利用复合材料离化形成的双组分甚至多组分等离子体中轻重离子运动分离的特性，来增加冕区与气体区交界区域的低Z等离子体密度，产生抑制冕区高Z等离子体膨胀的效果。

为了实现上述目的，本发明具体采用的技术方案是：

利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法，应用于黑腔辐射源的腔壁和腔室，包括如下方法步骤：