碳氢靶强激光烧蚀特性

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1、第9卷　第4期强激光与粒子束Vol.9,No.41997年11月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSNov.9,1997碳氢靶强激光烧蚀特性冯　杰　李三伟　丁永坤　温树槐　何海恩丁耀南　成金秀　王大海　郑志坚(中物院核物理与化学研究所,成都525信箱,610003)　　摘　要　给出了准稳态情况下强激光烧蚀碳氢靶的实验结果,并与理论定标关系进行对比。实验中采用晶体谱仪时间积分和X射线条纹相机同时获取碳氢平面靶强激光烧穿厚度和烧穿时间。采用基频光大能量注入,大焦斑(<400Lm

2、),光束经列阵透镜均匀化后,烧蚀碳氢平142õ52面靶,Ia≈0155×10Wöcm,晶体谱仪获得的结果是m=2×10göcmõs,X射线条纹相机获得õ5212的结果是m=1135×10göcmõs,p=116×10Pa。并与收集到的国外数据进行了比较,在误差范围一致。　　关键词　激光烧蚀　碳氢平面靶　激光核聚变　　在直接驱动研究中,低预热和高均匀性激光驱动的烧蚀过程是达到热核燃烧所需的高压缩度的一条合理途径。激光对低Z材料的烧蚀,电子热传导在能量输运中起了主导作用。短波长激光对能量的吸收转换更为

3、有利,可以获得更高的烧蚀速率和烧蚀压。近年来,间接驱动黑腔靶中为了使DT小丸达到更理想的压缩,黑腔内增设CH阻光膜,使激光烧蚀CH材料的工作具有更积极意义。通过强激光对材料烧蚀规律的实验研究,还可以加深对激光和靶、激光和等离子体相互作用机制的认识,为腔靶物理的研究和激光驱动内爆动力学的研究打下基础,也可以为建立正确的理论模型和校核参数提供部分实验数据。　　八十年代国外的几家实验室做了不少激光烧蚀靶材的实验研究,钕玻璃激光器基频光烧[1～7]蚀碳氢靶的数据也有一些,但大多数是在小功率激光器上,通过缩

4、小焦斑来提高功率密度的办法进行烧蚀实验,横向传热损失可能比较严重。光束均匀化程度也未作说明。我们本次实验采用大激光能量注入,大焦斑,光束采用列阵透镜均匀化后烧蚀碳氢平面层靶,采用时间积分晶体谱仪测定烧穿厚度的同时,用X射线条纹相机测定了烧穿时间。1　理论描述　　临界面附近的电子在吸收激光后向靶的内部传热,受热的介质迅速向真空膨胀,这就是激光烧蚀过程。根据动量守恒定律,这一过程在烧蚀波头形成高压,同时产生一个向内传播的冲击波。图1是激光打靶条件下的温度、密度、压力和马赫数(M=uöcT,cT为等温声

5、速)的空间分布示意图。图中,Xs,Xa和Xc分别为冲击波、烧蚀面和临界面的位置。　　由于激光烧蚀产生的等离子体是由大量带电粒子组成的动力学系统,粒子之间存在着库仑相互作用,研究这种大量粒子构成的系统的适宜方法是动力学理论。动力学理论相当复杂,因此我们常常把等离子体近似地当作导电流体用流体力学方法来研究。国家863惯性约束聚变领域资助项目。1997年7月4日收到原稿,1997年9月9日收到修改稿。冯杰,男,1941年2月出生,副研究员。©1995-2005TsinghuaTongfangOptica

6、lDiscCo.,Ltd.Allrightsreserved.548强激光与粒子束第9卷　　我们采用稳态烧蚀理论。所谓稳态烧蚀,烧蚀区是定态,从烧蚀面烧出来多少物质,从临界面就飞散多少,临界面附近沉积的激光能量用于维持烧蚀物质真空等温膨胀(冲击波带走的能量约1%)。稳态烧蚀有下述假设:(1)激光能量的吸收发生在临界面或其附近的区域,吸收的激光能量基本上用于加热电子。(2)靶材的原子序数为中等以下介质。(3)烧蚀区,准定态。(4)电晕区,等温近似。稳态烧蚀的条件是Sm(Xc-Xa)öc,S为激光脉宽

7、,c为当地声速。理论分析表明在目前“星光”和“神光”长脉冲运行打Fig.1SpacedistributionofQ,Te,P,Mfor靶的状况下,上述假设基本上是成立的。分别在laser2plasmainteraction图1　激光打靶条件下的物理量空间分布定态区和等温区求解一维平面对称流体力学方程组5Q5+(Qu)=05t5x552(Qu)+(Qu+p)=05t5x225u5up5I(QE+Q)+[Qu(+E+)+F]=5t25x2Q5x其中Q是密度;L是流体速度;p为单位面积上的压力;E为单位

8、质量的内能(热能和势能);F142为能流;I为能源项。针对本次实验条件,激光波长K=1.05Lm、Ia约10Wöcm、临界面马赫数Mc=1,于是在Mc=1处,将定态区和等温区的解连结起来,得到下述定标关系õ1ö3-4ö3m=QccT≈IaK2ö3-2ö3pa=2pc～IaKõ其中m是质量烧蚀速率;pa是烧蚀压;Ia是激光吸收功率密度,可以通过实验测定。实验结果可以验证这些定标关系,为理论计算提供部分实验数据。2　实验原理和方法õõ2　　按质量烧蚀率的定义m=QdöS,m是单位面积质