超强超快激光照亮微观瞬间——用于ICF的双时刻X射线源

      封面呈现了用于诊断激光惯性约束聚变（ICF）内爆靶丸压缩状态的双时刻 X 射线照相技术的原理图。纳秒激光辐照金腔产生软 X 射线，驱动靶丸高速内爆。双束皮秒拍瓦激光在不同时刻入射金属微丝靶，产生两个高亮度的微焦点X 射线源。该技术基于点投影方式对内爆靶丸进行近同轴背光照相，能够在单一发次中获取两个时刻的高能 X 射线高分辨率照相图像，进而获得时变的靶丸压缩不对称性、面密度等内爆关键物理信息。

研究背景

      高能量密度物理领域中包含了大量极端条件下的超快瞬态过程，如ICF靶丸内爆压缩过程、极端加载下材料演化过程等，获得这些超快瞬态过程的高时空分辨动态演化图像对于理论模型验证、发现新物理机制具有重要意义。

      皮秒拍瓦激光驱动的高能X射线源具有皮秒级时间分辨、微米级空间分辨及高能高穿透等特性，采用这种射线源发展的点投影背光照相技术已在超快瞬态过程诊断中得到大量应用。然而，单束皮秒激光​仅能驱动单个X射线源实现单发单时刻的高能X射线背光照相，难以捕捉动态过程的多时刻演化特征。

      为突破这一限制，建设多束大能量皮秒激光装置成为了发展多时刻高能X射线背光照相技术的关键。中国科学院上海光学精密机械研究所的神光II升级装置具备16束纳秒激光与2束皮秒激光联合打靶的实验能力。基于该装置可发展双时刻高能X射线背光照相技术，但仍需解决双时刻皮秒X射线源的产生与表征、抗串扰的照相靶设计等关键问题。

创新工作

      为了突破高能 X 射线背光照相关键技术，研究团队依托神光Ⅱ升级装置开展了间接驱动高Z靶丸内爆过程双时刻X射线背光照相实验设计，系统完成了双背光源产生和抗串扰靶的设计和仿真验证、照相及能谱诊断设计等关键技术研究。

      图1（a）展示了双时刻X射线照相的基本原理图。为了解决皮秒激光高能X射线源在照相图像上的相互串扰问题，设计了图1（b）中的空间分离的双背光源的构型，结合屏蔽高能X射线的限光结构，可以实现双束照相光路空间分开。

      在完成靶设计后，利用蒙特卡洛程序对靶丸的背光照相进行了模拟。模拟获得的不同亮度双X射线源照相图像见图1(c)。上下两图的诊断孔内均见清晰的靶丸图像，弱背光源照相未受到强背光源的干扰，验证了抗串扰照相靶设计的可行性。

图1 双时刻X射线照相实验设计。（a）双时刻X射线照相原理图；（b）双丝背光靶；（c）靶丸X光照相仿真结果；（d）实验诊断排布

      研究团队成功开展了高Z壳内爆靶丸双时刻高能X射线背光照相实验。图2展示了典型的单发双时刻高能X射线照相实验图像。本发次中照相客体为镀金单壳层靶，外直径φ 为700 μm，从外向内依次为CH烧蚀层、金层和玻璃球壳；金腔长3.4 mm，激光注入口直径1 mm。在延迟纳秒激光前沿2 ns后，利用第9路皮秒激光驱动直径10 μm的金丝靶产生X射线源；在延迟3.5 ns时，利用A构型皮秒激光驱动同参数的丝靶产生X射线源，依次对内爆靶丸进行照相。

      图2（a）和（c）为成像板记录高能X射线图像，平均能点约为35 keV，直穿区域的信噪比（SNR）分别为17和18，靶丸区域的对比度噪声比（CNR）分别为3和7，成像分辨率为(12.5±1.5) μm。从高分辨照相图像上可以直接分析压缩靶丸的时变不对称性，本发实验中P3、P4显著增长，主要是由于实验中纳秒激光驱动不对称性导致的。

图2 内爆靶丸双时刻照相图像。(a) 和 (c) 分别为2 ns和3.5ns 时刻的高能X射线照相图像；(b) 和 (d) 为对应时刻的面密度分布

总结

      本文基于神光II升级装置的双束皮秒激光打击双丝靶产生的双X射线源，成功实现了对高Z壳内爆靶丸的双时刻高能X射线背光照相。实验获得了时变的靶丸压缩不对称性、面密度、体密度、质量等内爆关键物理信息，并诊断了皮秒双X射线源和照相干扰源的能谱特性。

参考文献： 中国光学期刊网

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