基于神光Ⅲ主机装置激光打靶产生电磁脉冲特性研究

杨进文杨 鸣李廷帅易 涛刘慎业

（1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900；2.电子科技大学能源科学与工程学院，成都 611731）

基于神光Ⅲ主机装置激光打靶产生电磁脉冲特性研究

杨进文1,2杨 鸣2李廷帅2易 涛1刘慎业1

（1.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900；2.电子科技大学能源科学与工程学院，成都 611731）

激光打靶过程会产生大量的电磁脉冲，脉冲强度大，频带宽，会影响各种重要诊断设备的正常运行以及精密物理结果的精确测量。本实验在神光Ⅲ主机装置靶室壁和靶室外搭建诊断系统，并利用自行设计的多款天线进行脉冲信号的采集，为电磁脉冲特性的进一步研究提供了实验依据。本文分别对电场天线与磁场天线采取不同的数据处理方法以获得靶场电磁场分布，多发数据表明，大盘锥天线测得信号最强，超频段偶极天线测得信号最弱，靶室内外均产生较强的电磁干扰，需要进行相应的电磁屏蔽。

强激光；电磁脉冲；神光Ⅲ；天线

惯性约束核聚变（Inertial Confinement Fusion,ICF）是实现可控核聚变的重要途径之一，其原理为通过高功率激光、高功率电磁脉冲和高能重粒子束作为外部能源直接或者间接驱动含热核燃料（氘、氚）靶丸内爆，压缩燃料至高温高密度的状态，从而发生核聚变[1-2]。ICF作为国际高科技研究方向，为了实现聚变点火，世界各地现已建造了许多高功率激光装置，这些激光装置作为驱动设备，功率已可达拍瓦（PW）级别。比如，美国劳伦斯·利弗莫尔实验室(Lawrence Livermore National Laboratory,LLNL）于 2009年建成的 NIF装置[3]，可输出192束激光，输出能力位居世界第一；另外还有法国的LMJ[4]，英国的HiPER，日本的FIREX等。我国目前也建立了神光系列装置，其中神光Ⅲ主机装置于2015年9月完成了输出测试实验，标志着神光Ⅲ主机装置已全面建成，也意味着神光Ⅲ主机装置成为输出能力排名世界第二、亚洲第一的惯性约束聚变激光装置[5]。

高功率激光装置打靶实验中会产生大量的电磁脉冲（Electromagnetic pulse,EMP），这些脉冲分布频域广（几十MHz～5GHz），强度大，对靶室内外的诊断设备和电子器件产生严重干扰，甚至导致诊断设备出现故障，无法准确地实现物理量的测量[6]。而且激光与等离子体作用中会产生大量的热电子，同时还伴随着X射线、γ 射线出射等二次反应[7-8]，物理机制十分复杂，研究人员对此过程的解释尚不完善，还存在许多无法解释的现象，所以电磁脉冲产生机制及其辐射特性的研究显得十分迫切。

本文采用自行设计的多款天线对神光Ⅲ主机装置靶室壁和靶室外的电磁脉冲分布进行了采集，通过数据处理得到了电磁场的时域和频域分布，为深入理解聚变基本物理过程提供了实验依据。

1 实验布置

本实验在神光Ⅲ主机装置靶场完成，实验布置如图1所示。神光Ⅲ主机装置是铷玻璃激光装置，是我国开展 ICF研究的重要平台，可同时输出 48束激光能量达 180kJ，峰值功率达 60TW的三倍频紫外激光。48束激光从靶室南北半球入射，最终通过打靶独立透镜向心汇聚于靶上。

图1 实验布局

激光打靶各发次激光束能量与靶条件的对比由表 1给出，7发数据选取靶型均为半黑腔靶，靶材均为金。实验选取的半黑腔靶有两种尺寸，shot1-shot3所用的靶尺寸为φ 1400μm×1000μm；shot4-shot7所用另一种靶尺寸为φ 1600μm×1300μm。半黑腔靶实验中48束激光束未全部参与打靶，每发次情况表中已列出，全部激光束加CPP进行束匀滑，焦斑尺寸为500μm。

表1 打靶信息

电磁脉冲分布频域广，使用常规天线难以实现整个频域范围信号的接收，因此针对不同频段（低、中、高）的信号采集需要使用不同尺寸的天线，本实验自行设计了 5套天线用于电磁脉冲信号的采集，电场天线：盘锥天线、平板天线和超带宽偶极天线；磁场天线：环天线（B-dot）、筒天线。靶室内所用天线通过专门定制的法兰（搭配长度一致的支架）固定放置于靶室壁上，各天线信号独立输出，通过支架竿中的同轴线缆与示波器相连，靶室内脉冲信号较强，为了防止示波器因电压过大而损坏，在天线与示波器之间接入了相应的衰减片。另外定制与法兰口径一致的全铜筒，罩于法兰与支架间，防护同轴线，屏蔽电磁信号与线缆之间的耦合。设计了每款天线与靶室壁的距离略有偏差，小盘锥天线、小环天线、小平板天线、大平板天线、大盘锥天线和小筒天线到靶室壁的距离分别为 112mm、120mm、112mm、112mm、110mm、105mm。除此之外，在靶室外安装了采集电磁脉冲信号的超频段微带天线和超大盘锥天线，天线安装位置距外壁3.5m，距靶室中心6.7m。

2 实验结果及分析

在神光Ⅲ主机装置靶室内外进行了定点多次测量，得到了多组实验数据。图 2为 shot3发次接收到的电压时域信号，信号由8GHz示波器（a）和1GHz示波器（b）输出，六种天线对应的信号持续时间不同，分别为250ns、300ns、350ns、150ns、150ns、150ns。此外在相同靶型和相同激光能量条件下，各天线接收到的电压信号幅值存在很大差异，分别为124.1V、60.7V、1.5V、239V、456.5V、453.5V，这主要是由于各款天线其增益、效率等方面都存在很大的差异，且接收频段也会导致接收到的信号大小不一。

图2 shot3对应的电压信号

电场天线和磁场天线各自的数据处理方式不同，对电场天线而言，首先通过快速傅里叶变换（Fast Fourier Transform，FFT），将天线接收到的电磁脉冲时域信号变为频域信号，再根据电场与电压之间传递函数的关系获取电场值；对磁场天线而言，对时域信号进行积分处理过后，最后再除以天线等效面积Aea（单位：mm2）即可得磁场大小。图3为shot3发次中小筒天线和大盘锥天线电磁脉冲信号时域分布，靶室壁处的小筒天线测得磁场强度为6.02T，大盘锥天线测得电场强度为3079kV/m。

图4（a）为所有发次对应的不同天线测得的电压幅值，图4（b）为5种电场天线处理得到的电场强度，图4（c）为磁场天线处理得到的磁场强度。在电场天线中，大盘锥天线本身较其他天线而言具有更好的全向性，且接收信号的频谱范围广（0～ 12GHz），增益较高，所以大盘锥天线接收到的电磁脉冲信号最强，电场强度达3210kV/m。平板天线增益较低，所以接收到的电磁脉冲信号较弱，电场强度为3kV/m左右。超带宽偶极天线本身效率低且放置于靶室外测量，距离靶室中心最远，所以测得的信号最弱，电场强度仅为 1kV/m。但总体而言神光Ⅲ主机靶室电场值高至MV/m量级，不论对人还是对诊断设备来说都存在较高的安全隐患，需进行相应电磁屏蔽。

图3 电磁脉冲时域信号

图4

电磁脉冲的产生机制普遍接受的解释为靶充电模型[9]，激光打靶过程产生大量的超热电子和X射线，热电子在自生磁场中发生漂移离开靶面形成电流[10]，相对而言，靶被充电带正电，由于静电场的存在，靶后形成很强的静电分离势，在静电分离势的作用下仅有很少的能量很高的电子能够脱离静电力的束缚，其他能量较低的大部分电子被拉回靶面并以等离子体频率做往复振荡，不同能量电子从而出射激发不同频率的高强度、宽频域的电磁脉冲。

3 结论

本文利用自行设计的多款天线对强激光与半黑腔靶相互作用产生的电磁脉冲在靶室壁和靶室外的分布进行了测试与分析。实验获得了不同天线测得的电压信号，通过对电场天线和磁场天线不同的数据处理方法，得到的各天线对应的电场强度或磁场强度，发现大盘锥天线接收到的电磁脉冲信号最强，超频段偶极天线接收到的电磁脉冲信号最弱。通过处理shot3发次数据，发现靶室壁处磁场达6.02T，靶室周边电场强度达3079kV/m，表明神光Ⅲ主机装置的靶室内外均产生了很强电磁干扰，需要采取一定的屏蔽措施。最后，本文对电磁脉冲的产生机制进行了简要探讨，但对与电磁脉冲更深层次物理特性方面的解释还不够完善，需要在接下来的研究中进一步探索。

[1]江少恩,丁永坤,缪文勇,等.我国激光惯性约束聚变实验研究进展[J].中国科学:G辑:物理学 力学天文学,2009,39(11):1571-1583.

[2]Nuckolls J,Wood L,Thiessen A,et al.Laser compression of matter to super-high densities:Thermonuclear (CTR) application[J].Nature,1972,239(15):139-142.

[3]Wavrik R W,Cox J R,Fleming P J.National Ignition Facility target chamber[R].UCRL-JC 141053,2003.

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[5]郑万国,魏晓峰,朱启华,等.神光-Ⅲ主机装置成功实现 60TW/180kJ三倍频激光输出[J].强激光与粒子束,2016,28(1):207-208.

[6]Brown C G,Ayers J,Felker B,et al.Assessment and mitigation of diagnostic-generated electromagnetic interference at the National Ignition Facility[J].The Review of Scientific Instruments,2012,83(10):10D729.

[7]Kmetec J,Gordon C,Macklin J,et al.MeV X-ray Generation with a femtosecond laser[J].Physical Review Letter,1992,68(10):1527-1530.

[8]Gizzi L A,Giulietti D,Giulietti A.Simultaneous measurements of hard x-rays and second harmonic emission in fs laser-target interactions[J].Physical Review Letters,1996,76(13):2278-2281.

[9]Poyé A,Hulin S,Bailly-Grandvaux M,et al.Physics of giant electromagnetic pulse Generation in shortpulse laser experiments[J].Physical Review.E,Statistical,Nonlinear,and soft Matter Physics,2015,91(4):043106.

[10]Schwoerer H,Pfotenhauer S,Jäckel O,et al.Laserplasma acceleration of quasi-monoenergetic protons from microstructured targets[J].Nature,2006,439(775):445-448.

Investigation of Electromagnetic Pulses Generated by the Laser Shooting based on SG-Ⅲ facility

Yang Jinwen1,2Yang Ming2Li Tingshuai2Yi Tao1Liu Shenye1
(1.Research Center of Laser Fusion,China Academy of Engineering Physics,Mianyang,Sichuan 621900；2.School of Energy Science and Engineering,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731)

The interaction between intensive laser and metal targets can yield an extremely significant electromagnetic radiation,which not only has a large intensity and widely bandwidth,but leads to malfunctioning of various important diagnostics systems and the inaccuracy of physical experiment result.This study focus on building a diagnostic system against and outside the target chamber and collecting the pulse signal by designing multiple antennas,which are expected to provide the experimental basis for further investigation of EMP characteristic.Different data processing methods of electric field antennas and magnetic-filed antennas are used to obtain the electromagnetic field distribution inside and outside the target chamber.Multiple data shows that large discone antenna gets the highest signal while ultra wideband dipole antenna gets the lowest signal.It is necessary to make corresponding electromagnetic shielding because the high electromagnetic interference inside and outside the target chamber.

laser;electromagnetic pulse;sg-Ⅲ;antenna

中央高校基本科研基金（ZYGX2015J108）

国家自然科学基金（11575166，51581140）