神光原型诊断设备:门控针孔分幅相机的研制

    1 引 言

    /惯性约束聚变0是在极小的空间、极短的时间、高温、高密度等极端条件下产生的物理过程。其基本原理是把强大的激光束聚焦到热核材料制成的微型靶丸上,瞬间产生的极高温和极大压力将靶丸内部的聚变燃料压缩聚集至高密度,被压缩的稠密等离子体在扩散之前,即小于惯性约束时间内完成全部核反应[1]。运用聚变原理,我国已经将神光Ñ发展至神光Ó,神光Ó原型装置/十五0建设目标已圆满完成,达到/8束出光,脉冲)))万焦耳0的水平,标志着中国成为继美国、法国之后世界上第三个掌握新一代高功率激光驱动器总体技术的国家。

    神光的发展促使配备的图像诊断系统升级换代,只有诊断技术的提升和设备更新才能更精确地提供内爆、停滞和崩毁各阶段辐射场的空间分布随时间变化的信息,得到压缩比、压缩对称性等重要数据,以分析等离子体的不稳定性和内爆阶段末期的动能等信息,为优化负载提供直观的参考信息,并为辐射磁流体力学理论研究提供比对数据等[2]。

    随着ICF实验研究的深入,急需建立高时空分辨的诊断设备来诊断等离子体运动的特性和靶球的辐照环境。因为时间和空间均是一维分辨的,X光针孔条纹相机不能满足诊断要求,所以本课题组研制了第一代针孔分幅相机[3-5]。它主要由微带型(Micro-channel Plate,MCP)选通X射线皮秒分幅管和多针孔阵列构成,兼有针孔相机的二维空间分辨特性和皮秒级时间分辨特性,在黑洞物理等离子体运动和状态特性研究和内爆动力学特性研究[6-7]中都起到了重要的诊断作用。

    在神光Ó和神光原型中,配套的诊断设备必须满足其特殊的环境要求:靶室巨大,远大于相机的诊断距离;实验期间,靶室内部全程高真空运作,严格限制诊断设备的热量辐射;影响超快诊断设备的电磁干扰也变得更加严重等等。所以,为神光Ó主机配套建设的X射线门控针孔分幅相机在结构和性能上和第一代分幅相机有很大的不同,在结构上将采用工程化、模块化的设计。

    本文介绍了用于神光原型上的门控针孔分幅相机的主要结构及其能达到的技术指标。

    2 门控针孔相机结构及工作原理

    2.1 门控针孔相机结构

    图1是为神光Ó原型配备的X射线门控针孔分幅相机。从结构上,相机主要分为4部分:气室部分、电控系统部分、分幅管部分和针孔成像系统。

    2.1.1 相机整体气室部分

    气室是连接分幅管,针孔成像系统以及内部安装电控部分的装置。气室内部为大气环境,整体处于高真空靶室,具有真空密封结构。分幅相机在神光主机靶室内使用时,复杂的电控部分需要良好的散热环境;如果整个系统均处于真空环境下,无法正常散热,会影响电控部分的功能,因此,将电控部分装入真空密封的气室中,使其在大气环境中工作。