利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法
阅读说明：本技术 利用离子分离抑制黑腔辐射源腔壁等离子体膨胀的方法 (Method for inhibiting plasma expansion of black cavity radiation source cavity wall by ion separation ) 是由 郭亮 李琦 潘凯强 刘耀远 赵航 龚韬 李志超 孙传奎 谢旭飞 杨冬 于 2021-07-20 设计创作，主要内容包括：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。(The invention relates to the technical field of high-energy density physics, and particularly discloses a method for inhibiting plasma expansion of a cavity wall of a black cavity radiation source by utilizing ion separation, which comprises the following steps: constructing a cavity wall of a black cavity radiation source by using a solid composite material mixed by high-Z elements and low-Z elements, wherein the cavity wall comprises a laser X-ray conversion layer and an ion separation layer; filling hydrocarbon gas into the cavity of the black cavity and enabling the air pressure to be less than or equal to 0.3 times of atmospheric pressure; the laser with the pulse width of 1-30 ns is adopted to drive the black cavity to form a radiation source with the plasma expansion limitation of the crown area. According to the method disclosed by the invention, under the condition of the same inflation pressure, the composite material ion separation method has a better inhibition effect on the expansion of the corona area; the energy loss generated by the interaction of laser plasma is reduced, and the energy coupling efficiency of laser and a black cavity is improved.)
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：
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；且离子分离的复合涂层厚度大于等于300nm；
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。
上述公开的抑制膨胀的方法，应用离子分离来调控黑腔冕区及附近的等离子体密度时空分布。离子分离是指在双组分甚至多组分等离子体中，不同种类的离子由于自身质量、电荷、平均自由程的差异，在某些外部因素如压力梯度、温度梯度和自生电磁场影响下其流体运动在空间上呈现宏观分离的现象。
本发明中，采用高Z元素和低Z元素以原子混合的方式组成复合材料并用于黑腔壁中被激光直接烧蚀的区域，同时黑腔充入一定压力的低Z气体；黑腔内壁在被激光直接烧蚀后形成高低Z混合的冕区等离子体，由于高低Z离子的质量差异，腔壁低Z轻离子在面向腔轴运动时将快于腔壁高Z重离子；而腔壁低Z离子的核质比与气体区低Z离子接近，因此分离后的腔壁低Z离子容易与气体低Z离子在冕区和气体区交界处混合，使混合区的低Z离子密度大幅增加，等效于提高了该局部区域的初始充气压力，因而会产生抑制腔壁高Z离子及冕区等离子体膨胀的效果。
进一步的，本发明中，所述的固体复合材料可采用多种材料，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的固体复合材料包括金硼合金涂层的纯金，其中以Au作为激光X光转换层，以AuB作为离子分离层。
再进一步，此处进行优化，举出另一种可行的固体复合材料：所述的固体复合材料包括氮化铀涂层的贫铀，其中DU为激光X光转换层，UN为离子分离层。
进一步的，在本发明中，黑腔的腔壁材料需要进行优化，此处对用于腔壁的固体复合材料进行优化，举出如下一种可行的选择：所述的腔壁固体复合材料中高Z元素的原子核的核电荷数大于等于72。
进一步的，本发明对用于腔壁的固体复合材料进行优化，举出如下一种可行的选择：所述的腔壁复合材料中低Z元素的原子核电荷数小于等于10。
进一步的，本发明对用于腔壁中的固体复合材料的组成比例进行优化，举出如下一种可行的选择：所述的腔壁中低Z元素的原子数目占复合材料原子数目的百分比大于等于30％。
进一步的，本发明对腔壁上的固体复合材料的厚度进行优化，此处举出如下一种可行的选择：所述的腔壁上高Z材料和低Z材料的厚度大于等于300nm。
再进一步，本发明对黑腔内的气体组分进行优化，举出如下一种可行的选择：充入腔室中的气体的低Z成分元素与腔壁复合材料中低Z元素的质量比在0.8～1.2。
与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：
1.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。
2.为实现同等水平的抑制效果，复合材料离子分离方法允许更低的充气压，这对减小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好。
3.现有基于磁控溅射制备原子级混合的复合材料的技术工艺较为成熟，与泡沫化腔壁、焦斑区异形设计黑腔的制备难度相比，本发明所公开的技术放方案具有更好的应用前景。
附图说明
为了更清楚地说明本发明实施例的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅表示出了本发明的部分实施例，因此不应看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其它相关的附图。
图1为激光烧蚀腔壁形成冕区等离子体进而发生运动分离的示意图。
图2为复合材料冕区离子分离抑制冕区膨胀的示意图。
图3为本发明所公开的抑制方法的流程示意图。
图4为纯Au腔冕区运动X光观测图像与DU+UN腔冕区运动X光观测图像的对比效果。
图5为纯Au腔冕区运动X光观测图像与DU+UN腔冕区运动X光观测图像的两环焦斑分布对照示意图。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施例对本发明做进一步阐释。
在此需要说明的是，对于这些实施例方式的说明用于帮助理解本发明，但并不构成对本发明的限定。本文公开的特定结构和功能细节仅用于描述本发明的示例实施例。然而，可用很多备选的形式来体现本发明，并且不应当理解为本发明限制在本文阐述的实施例中。
实施例1
针对现在的黑腔辐射源存在等离子体膨胀的情况，本实施例提供一种抑制方法，能够有效抑制等离子体膨胀的现象。
如图4、图5所示，ICF相关物理实验中，由X光真空相机测量的不同腔壁材料黑腔源的注入口图像。在3ns方波激光作用形成的峰值辐射温度为210eV的条件下，DU+UN黑腔冕区膨胀尺度经评估比纯Au腔减小55％。
具体的，如图3所示，本实施例公开的技术方案如下:
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：
S01：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；且离子分离的复合涂层厚度大于等于300nm；
S02：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；
优选的，本实施例中的碳氢气体可采用新戊烷。
S03：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。
上述公开的抑制膨胀的方法，应用离子分离来调控黑腔冕区及附近的等离子体密度时空分布。离子分离是指在双组分甚至多组分等离子体中，不同种类的离子由于自身质量、电荷、平均自由程的差异，在某些外部因素如压力梯度、温度梯度和自生电磁场影响下其流体运动在空间上呈现宏观分离的现象。
本实施例中，采用高Z元素和低Z元素以原子混合的方式组成复合材料并用于黑腔壁中被激光直接烧蚀的区域，同时黑腔充入一定压力的低Z气体；黑腔内壁在被激光直接烧蚀后形成高低Z混合的冕区等离子体，由于高低Z离子的质量差异，腔壁低Z轻离子在面向腔轴运动时将快于腔壁高Z重离子；而腔壁低Z离子的核质比与气体区低Z离子接近，因此分离后的腔壁低Z离子容易与气体低Z离子在冕区和气体区交界处混合，使混合区的低Z离子密度大幅增加，等效于提高了该局部区域的初始充气压力，因而会产生抑制腔壁高Z离子及冕区等离子体膨胀的效果。
优选的，本实施例中，所述的固体复合材料可采用多种材料，此处进行优化并举出如下一种可行的选择：所述的固体复合材料包括金硼合金涂层的纯金，其中以Au作为激光X光转换层，以AuB作为离子分离层。AuB是一种过去为降低黑腔辐射源散射光损失而研制的复合材料层，经过多年制备技术积累国内外已具备了针对厚度、原子比的精密控制能力，相对其它未经实验验证的高低Z材料组合AuB更具可行性和实用性。
在本实施例中，黑腔的腔壁材料需要进行优化，此处对用于腔壁的固体复合材料进行优化，举出如下一种可行的选择：所述的腔壁固体复合材料中高Z元素的原子核的核电荷数大于等于72。主要原因：黑腔辐射源的目的是产生高温高通量X光，而研究表明原子序数越大材料的激光X光转换效率越高。同时考虑成本和稳定性，选材因此集中在元素周期表第六及以上周期。其中Au和U最为常用，Au转换效率较高且制备相对容易；U是目前可使用的原子序数最高的材料，转换效率更好，尽管易氧化但目前也有较为成熟的抗氧化技术。
优选的，本实施例中所采用的高Z元素的原子核的核电荷数为72，且本实施例中采用单一的高Z元素。
在其他一些实施例中，还可采用多种高Z元素进行组合，例如采用核电荷数为75、80、82、85的多种元素所形成的多种材料，不同材料之间的组合配比根据实际需求进行调配。
本实施例对用于腔壁的固体复合材料进行优化，举出如下一种可行的选择：所述的腔壁复合材料中低Z元素的原子核电荷数小于等于10。参考国外单纯研究CH材料离子分离现象的实验，目前已证实的具有显著分离特征的复合材料的两种元素C和H的质量比为12，如果保证本专利中高低Z元素的质量比不低于12，则要求低Z原子序数不能高于10。
优选的，本实施例中可采用核电荷数为5的低Z元素所形成的材料，并且在实施例中采用单一材料。
在其他一些实施例中，可采用多种低Z元素进行组合，例如采用核电荷数为2、4、6、8的低Z元素所形成的不同材料，各种材料的配比组合根据实际需求进行设置。
本实施例对用于腔壁中的固体复合材料的组成比例进行优化，采用如下一种可行的选择：所述的腔壁中低Z元素的原子数目占复合材料原子数目的百分比大于等于30％。低Z离子的浓度是确保其分离后能够有效提高气体交界区离子密度的保证，当前已应用的UN的N百分比不低于50％，AuB的B百分比不低于30％。
本实施例对腔壁上的固体复合材料的厚度进行优化，此处采用如下一种可行的选择：所述的腔壁上高Z材料和低Z材料的厚度大于等于300nm。已有对比实验发现，当复合材料厚度为100nm时，与无复合材料腔壁的膨胀速度基本一致；当复合材料厚度为600nm时，比无复合材料腔壁的膨胀速度降低约50％。因此取600nm厚度的一半作为有效标准。目前使用最为有效地为700nmUN涂层的贫铀，如图4、图5所示膨胀降低约55％。
如图4、图5所示，ICF相关物理实验中，由X光真空相机测量的不同腔壁材料黑腔源的注入口图像。在3ns方波激光作用形成的峰值辐射温度为210eV的条件下，DU+UN黑腔冕区膨胀尺度经评估比纯Au腔减小55％。
本实施例对黑腔内的气体组分进行优化，采用如下一种可行的选择：充入腔室中的气体的低Z成分元素与腔壁复合材料中低Z元素的质量比在0.8～1.2。其主要目的使气体区主要离子的质量与复合壁材中分离的低Z离子接近，以保证两种低Z离子在接触区域的流体行为接近，更快形成密度堆积来阻挡高Z离子的膨胀。
优选的，将气体的低Z成分元素与腔壁符合材料中低Z元素的质量比设置为1。在其他一些实施例中，也可将质量比设置为0.8、0.9、1.1或1.2。
在黑腔辐射源进行的辐射进程中，等离子体的运动过程如下：
如图1所示，激光直接烧蚀氮化铀涂层黑腔时，将在焦斑区将固体氮化铀材料离化成高温冕区等离子体，其成分同时包括U离子与N离子；于此同时气体区(新戊烷)主要被已转换的X光作用离化成以C离子为代表的相对低温的气体等离子体；高温冕区等离子体通常以稀疏的方式向当冕低温气体区运动，在运动早期就将发生轻(N)重(U)离子的运动分离，即N离子脱离U离子更快地运动。
通过本实施例的方案抑制等离子体额膨胀，具体过程如下：
如图2所示，冕区运动会挤压气体区C离子，挤压过程导致交界区域C离子密度增加，从而产生抵抗冕区运动的反向压力，C离子密度越高反向压力越大抵抗效果越好；在相同充气压下，氮化铀形成的U、N离子因运动分离会迅速而显著地增加交界区域低Z离子(包括C、N)的密度，提高反向压力从而抑制U离子的运动。
实施例2
本实施例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，与实施例1中的不同之处在于，本实施例对应用于黑腔的固体复合材料进行了改进，具体的：
本实施例进行优化，采用一种可行的固体复合材料：所述的固体复合材料包括氮化铀涂层的贫铀，其中DU为激光X光转换层，UN为离子分离层。
UN是一种过去为抗纯U材料演化而研制的复合材料层，经过多年制备技术积累国内也已具备了针对厚度、原子比的精密控制能力，相对其它未经实验验证的高低Z材料组合UN更具可行性和实用性。
本实施例中未述及的其他步骤和特征均与实施例1中相同，此处就不再赘述。
以上即为本实施例列举的实施方式，但本实施例不局限于上述可选的实施方式，本领域技术人员可根据上述方式相互任意组合得到其他多种实施方式，任何人在本实施例的启示下都可得出其他各种形式的实施方式。上述具体实施方式不应理解成对本实施例的保护范围的限制，本实施例的保护范围应当以权利要求书中界定的为准，并且说明书可以用于解释权利要求书。
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