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国家点火装置的单能量质子背光源

2016-02-09 00:13
冷血の爱
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  适用于质子放射摄影应用的一种单能量且各向同性的质子源已经在国家点火装置(NIF)上进行了论证。在使用了NIF192路光束中的24束后,一个填充了氘和氦-3气体的玻璃靶丸在39kJ的能量下发生内爆。对氦3(d,p)氦4核反应产生的15MeV的质子产物进行的光谱测量和空间、时间测量显示出有一条明亮的(1010的质子/球面比),单能量(△E/E=4%)谱线,且出现了一个小尺度(80微米),各向同性(~13%的质子流变化及<0.4%的平均能量变化)的辐射。对氘(d,p)氚和氘(d,n)氦-3反应产生的产物的同步测量也显示出2×1010的各向同性的3MeV的质子分布。

  基于世纪交接时的先驱性工作,质子放射摄影术已经用于在激光产生的各种等离子体组态中对物质与电磁场的分布进行诊断。其中单能量质子放射摄影术尤其被广泛地使用,来为不同的现象提供定量的信息,这些现象包括激光—衬片相互作用,磁重联,磁通量压缩,瑞利—泰勒不稳定性,韦贝尔不稳定性,惯性约束聚变(ICF)内爆,间接驱动ICF黑体辐射,以及带电粒子在密物质上的停止作用力。

  在国家点火装置中架设一个单能量质子放射摄影平台将可使这些诊断技术应用于激光器及由NIF的1.8MJ能量产生的更极端的等离子体情况中。该平台的精度取决于具有合适性能的质子源的产生与表征。单能量质子源已经在OMEGA装置上得到很好的表征,而质子在NIF装置上的生成也通过使用所有192路光束得到了验证。本文报道的是对仅用24束激光内爆靶丸产生的15MeV质子辐射进行的光谱,时间,空间测量,剩下的168路作为备用来驱动一个学科用靶。

  靶丸由一个3微米厚,866微米直径的二氧化硅球形外壳与其内充满的1.74mg/cm3的氘(D2)和氦-3(40at.%3He)混合气体组成。靶丸由NIF48个四方组件中的6个组成的24路光束直接驱动,每个半球各有三个组件。主激光脉冲(见图1)能量39.1kJ,峰值功率52.8TW,脉冲持续时间约1ns。

  对入射激光能量作出响应的玻璃外壳爆炸引发了向内的冲击波,将氘-氦-3气体加热到几个keV的温度(1keV=1.16×107K),并引发核反应。特别是氦-3(d,p)氦-4和氘(d,p)氚核反应:

  产生了分别具有14.63MeV和3.02MeV额定初始能量的质子。

  由靶丸辐射出氘-氦-3质子的光谱沿数个方向同时被多个楔形范围滤波(WRF)质子光谱仪和磁反冲光谱仪测量。光谱(见图2)与高斯分布拟合地很好。平均拟合参数给出的参数为:集成产量为9.2±0.5×109个质子(在4π的球面上推测得出),平均能量为14.981±0.036MeV,总和为0.283±0.003MeV(已经扣除仪器增宽带来的0.180MeV)。谱线宽度因此非常窄,超过平均能量△E/E的半峰全宽度为4.4%±0.1%。平均能量由额定值提升是因为有热力学贡献(~60keV),以及因为激光到达靶丸时靶丸会充电(当离开靶丸后有290keV的净值)。

  氘-氦-3质子产量在视场内沿不同方向的标准误差是13%(见图3);这一产量变化通常是由于质子辐射时,附近等离子体的电磁场与照射激光产生相互作用。视场内沿不同方向的平均能量的标准差是55keV,如此,在不确定性范围内,其满足平均质子能量的各向同性。

  由氘(d,p)氚反应产生的质子(DD-p)由沿着三个方向的量程滤波探测器进行测量。DD-p产量的加权平均为2.27±0.06×1010,不同视图间有4%的标准误差。由氘(d,n)氦-3反应产生的中子(DD-n)由几个nTOF诊断系统进行测量。实际观测到的中子产量为2.5±0.25×1010,与质子测量结果相符合,且比在11keV时DD反应中预计的中子部分高5%。

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