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先进的激光射线照相能力系统 在主激光输出的实验和模拟结果

2015-07-05 06:37
龙凰
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  激光驱动实验中1~10keVX射线成像是成熟的诊断等离子体的技术。本文为提供这样的X射线源,设计了ARC系统,与现有的NIF纳秒光束同时运行。

  ARC总结构

  在国家点火装置中,ARC48八路可用光路中的一束四簇光束进行转换。一个NIF光束近场口径为35cm×35cm。压缩光栅工艺极限,促使我们将一束NIF光束用一条细小狭缝分割成两个子口径或者子光束。因此,一束四簇光束转换成为8束ARC子光束,所有子光束都能够在靶室中心独立定时定位。

  NIF主激光器和大口径放大器基本不变,当一个2ns FWHM正啁啾展宽脉冲以半焦耳能量注入主激光放大器,在主激光输出口产生3kJ能量,主激光器B积分小于1.8rad。该方案拥有最大的灵活性,靶室允许仅长脉冲打靶,或仅ARC打靶,或188路长脉冲与8束ARC子光束组合运行。

  图1ARC光纤前端的布局图             

  为了将一组四簇光束转换为8束拍瓦子光束,对四各主要硬件修改或者补充进行了设计、建造和测试。NIF集成计算机控制系统也进行了更新,第二个主要软件升级是我们的激光性能操作模式(LPOM)。

  短脉冲前端

  目前ARC采用了匹配NIF前端特性的全光纤前端。在这级中前端分成两个独立的光纤光束,产生独立的A、B脉冲作为ARC子光束的种子。脉宽控制器(PWCs)调整网络系统的色散。PWCS允许1~50ps范围内任意调整到靶脉宽以满足不同实验

  需求。A、B脉冲之间小的延迟可以在PWCs中转换级上用一个后置棱镜获得,大的延迟可以增加光纤跳线获得。ARC光纤前端产生两个可调延迟和色散的展宽脉冲作为ARC链的种子。

  宽带预放大器与光束注入系统

  ARC前端两个光纤输出A、B,作为称为两个相同的再生放大器种子,再生放大器与NIF的再生放大器相似。再生放大器输出脉冲放大了10倍,整形和合并称为一个单孔径或者ARC分裂光束。这些整形脉冲被ARC预放模块的多级棒状放大器(MPA)放大。一诊断包(输入传感器包,ISP)测量MPA输出的能量,功率,进场图样,及频谱。在前端A、B脉冲和四个伸缩臂的延迟组合能够在靶上产生8束时间的脉冲,为各项试验提供一个动态X射线诊断。这四束ARC分裂光束成为四条NIF放大链种子,产生KJ展宽脉冲进入8个ARC压缩器和终端光学中。

  为靶后方散射增加激光系统弹性

  系统增强了靶向后散射激光与主放大器之间的隔离。NIF大体积等离子体产生后方散射,不能精确了解小F数情况。这就是我们保护注射反射镜和前段的原因。通过设计,ARC光路的每路子光路能够承受以可接受角度的红外反向散射能量是50J。

  ARC终端光学系统和诊断系统

  当NIF系统正常打靶时,千焦耳的ARC四簇激光束通过一系列大反射镜的NIF转换场注入靶室前端。当ARC打靶时,反射镜滑入导引光束进入两个大型真空室中,真空室内放置八个四光栅,折叠压缩器,压缩放大的啁啾脉冲到皮秒宽度。每格真空室内包含两层四组压缩器。图2显示了其中一层的水平布局。

  图2一对分裂光束(A与B)的ARC压缩器俯视图

  千焦耳级展宽脉冲调试结果

  ARC子系统已经离线调试,进行了一系列专门测量或验收测试。ARC主激光器全系统调试是进行了系列发射打靶,系统安全传输和放大2ns、100JARC展宽脉冲至1.5kJ每子光束至大口径NIF放大器的输出,同时追踪监控所有光束质量参数(能量、近场剪切或调制、时空形状和波前)和得到与标志发射模型分析一样的结果。

  图3四次OSP测量子光束A与子光束B脉冲形状(测量用彩色实线,模拟结果为黑色虚线)

  为设计建模的主要工具,ARC调试与操作是一个光线追迹代码类似FRED和基于傅里叶衍射代码像VBL和MIRó的组合,分别由LLNL与法国CEA开发。建模之后,仿真结果和调试结果进行了比较。对于这次调试中的激光发射,模型没有为匹配短脉冲运行而再优化,预期输出能量偏差为4%~5%而标准偏差为1%。在图3的功率曲线比较表明模型正确预测了大口径NIF放大器在时间频谱域和空间域的光谱窄化和饱和。

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