强激光靶耦合过程中激发的电磁脉冲诊断与分析

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）

强激光靶耦合过程中激发的电磁脉冲诊断与分析

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）

本文论述采用脉冲天线对激光靶耦合过程中产生的电磁脉冲信号进行采集，列举了在相同条件下，纳秒激光与几种靶相互作用激发的电磁脉冲信号，分析了靶型对电磁脉冲信号的影响，得出靶的对称性设计有助于抵消靶室内的电磁干扰的结论。并且，通过测量靶室内与靶室中心不同距离区域的电磁脉冲信号，总结出电磁脉冲在靶室内的传播规律。由于靶室内回波振荡的作用，随着远离靶室中心，脉冲幅值先减小，后增大。且随着距离增大，越靠近靶室内壁区域受到回波振荡的影响越大，进而导致电磁脉冲持续时长增大。通过回波振荡论证测试与屏蔽实验，得出回波振荡在靶室内电磁脉冲信号中占有较大比重的结论。诊断设备的安放应尽量避免靶室中心与靠近靶室内壁区域。

激光靶耦合；电磁脉冲；回波振荡；屏蔽测量

基于惯性约束聚变（ICF）的强激光靶耦合过程中产生大量的电磁脉冲[1-3]。这些宽频电磁脉冲（几十 MHz～5GHz）不仅对实验数据的采集造成电磁干扰，而且严重时甚至损坏诊断设备[4]。准确测量电磁脉冲信号为惯性约束聚变实验中诊断设备的电磁屏蔽设计提供重要依据。然而，电磁脉冲的物理机制非常复杂。研究人员致力于从根本上剖析电磁脉冲产生机制，并在此基础上实行合理电磁脉冲屏蔽与应用。

高能量激光与靶相互作用过程中会激发大量逃逸电子[5]，并且衍生出更多值得我们深入探索的二次反应[6]：等离子体出射[7-9]、X射线的产生[10-11]等。在这一过程中不断有电磁辐射被激发[12]。激光辐照固体靶时，大量热电子出射，相对而言，靶即带正电，使得靶被充电[13-14]，如图 1所示，伴随电子出射，产生大量电磁脉冲。而出射的电子于靶室内形成回流。靶周围形成的准静态磁场，阻碍电子进一步出射，能量较低的电子滞留在靶周围，能量高的电子逃逸成功。不同能量的电子出射激发不同频率电磁脉冲，进而激光打靶过程中伴随电子的出射与回流，会产生高强度、宽频域（几十MHz～5GHz）的电磁脉冲[15]。

图1 激光打靶激发电磁脉冲示意图

法国Poyé,A等人建立偶极子模型[6]，用于分析激光打靶诱发电磁脉冲的物理过程。将靶与靶支架近似看作两极，如图2所示，以接地面作为镜像，将金属表面的等离子体作为天线，天线中的回路电流将产生偶极辐射，对外进行电磁辐射。

下面从理论和实验两方面对电磁脉冲的产生机理和辐射特性开展研究。采用脉冲天线测量电磁脉冲信号，以获取靶室内电磁脉冲辐射特性与强激光能量以及靶型的变化关系，同时明确脉冲信号的时域特性和空间分布，为深入理解脉冲形成机制和激光等离子体相互作用的物理过程提供重要实验依据，也为后期针对靶室内各种诊断设备进行有效电磁兼容设计提供数据及理论依据。

图2 靶表面等离子体及偶极辐射模型

1 神光Ⅱ装置电磁脉冲诊断

1.1 不同靶型电磁脉冲诊断

为探知靶对激发出的电磁脉冲产生的影响，在神光Ⅱ大型激光装置[16]内测量了激光轰击不同的靶，包括磁化球腔靶、磁化黑腔靶、金平面靶、半腔靶产生的电磁辐射。在同一诊断设备下，打靶信息见表 1。北四路激光束同时打靶，选用同型号磁脉冲天线（B-dot）对电磁脉冲信号进行采集。在同一发次下，分别将天线放置于距离靶室中心 50mm（或100mm）及500mm处，测量相应区域的电磁脉冲信号。

表1 不同发次的打靶信息

示波器采集到的电压时域分布如图3所示。图3所示各发次与表 1中参数一一对应。对比发现，对于平面靶、半腔靶较磁化黑腔靶和磁化球腔靶而言，在相同打靶条件下电磁脉冲强度提升了约一个量级。同时，对比同一发数据下距TCC 50mm处与距 TCC 500mm处电磁脉冲分布，得出结论，即在靶室内，距离靶室壁越近，脉冲持续时间越长。

在激光打靶这一过程中，电子出射及回流将激励电磁脉冲的产生。对于磁化黑腔靶和磁化球腔靶两种具有对称结构性的靶来说，不同方向的磁场能够相互抵消一部分，使得传播出的磁场大大降低。但是对于平面靶而言，靶前方与靶背的磁场没那么容易被抵消，因而天线检测到的EMP信号往往比其他靶型大很多。

图3 不同靶型电磁脉冲分布图

1.2 不同距离电磁脉冲诊断

针对上海神光Ⅱ装置上的电磁脉冲测量，为获取电磁脉冲辐射特性，对靶室内距离靶室中心（TCC）不同位置处的EMP信号进行采集。该测试于黑腔打靶实验中进行。黑腔（半腔，腔体长500μm，直径600μm，注入口直径600μm）南侧中心位于南基准点，黑腔轴线沿南北方向，北四路激光焦点位于黑腔北侧注入口中心。北四路激光束同时打靶，激光总能量为260*4J。如图4所示，采用3个同型号磁脉冲天线（B-dot），分别放置在靶室内距离靶室中心（TCC）100mm、300mm、500mm处。SMA接头连接脉冲天线与抗干扰同轴线缆，通过定制法兰盘，将信号引出至靶室外示波器，记录电磁脉冲时域电压分布。并且，为防止脉冲电压过大，损坏示波器，同轴线缆与示波器之间连接有相应衰减器。在后期数据处理与分析中，需将测试数据扩大相应衰减倍数，方可得正确量级脉冲信号。

图4 电磁脉冲诊断系统

图5 靶室内不同位置处电磁脉冲电压时域分布及其放大图

本文中提出的结论是基于多次重复性实验。列举出具有代表性的实验数据，诊断结果如图5（a）所示，激光打靶激发的电磁脉冲信号于靶室内呈现明显传播规律。于靶室内距离靶室中心 100mm、300mm、500mm处采集到的电磁脉冲信号持续时长分别为 4.5ns、33.5ns、78ns。靶室内回波振荡导致室内不同位置处电磁脉冲持续时长不一。并且距离室壁越近处（距TCC越远）受到回波振荡的作用越强，电磁脉冲持续就越长。观察脉冲幅值，距离靶点最近处（TCC 100mm）峰值达80V，处于靶室中心位置处（TCC 300mm）峰值为65V，而距离靶室中心最远，距靶室内壁最近点（TCC 500mm）峰值可达100V。靶室内，随着距离增大，脉冲幅值先减小，后增大。在靠近靶室中心区域内，随着距离增大，电磁脉冲减弱，到后来越偏离靶室中心，靠近靶室内部区域，信号虽有所衰减，但因处于靶室内，室内的回波也是信号主要源项，反而增大了脉冲幅值。

将图5（a）放大后得到图5（b）。因与电磁脉冲发射源头之间的距离差，远点信号到达较近点存在时间上的相对滞后。分析发现：TCC 100较TCC 300提前约1ns，TCC 300较TCC 500提前约1.5ns，且都提前一个明显波峰。表明在激光打靶初始阶段，电磁脉冲信号主要源自激光与靶耦合的自身辐射，距离靶室中心越近处，越先感应到辐射信号。随着电磁辐射推进，脉冲于靶室内形成回波，直至近点处电磁脉冲信号衰减至 0，靠近靶室内壁的信号仍持续。

2 回波振荡论证测试

采用泰克矢量网络分析仪连接超频段微带天线作为稳定发射源，固定在三脚架上，置于靶室中心，辐射功率1W，特性阻抗50Ω，开盖位于北偏西30°直径 15cm的法兰口，用于引入同轴线缆。于靶室内，将同款超频段微带天线分别安放在距离发射源27cm与55cm处，实验结果如图6（a）所示，灰色数据为距发射源近点处信号，黑色数据则代表距发射源远点处信号。对比得出靶室内，距离发射源较远的天线接收到的信号更强。

设计对比论证实验，将发射天线与接收天线置于靶室外无腔体环境中，同款超频段微带天线分别安放在距离发射源27cm与55cm处。结果如图6（b）所示，对比可得在靶室外，脱离靶室腔体大环境，距离发射源近点处接收到的信号更大。在靶室外环境中，电磁脉冲于空气中的传播损耗导致距离发射源越远处，接收到的信号越弱。同样的在非真空环境下，靶室内的回波振荡大大增强了靠近室壁处的电磁脉冲信号。

图6 靶室内外不同位置处电磁脉冲分布

3 回波振荡屏蔽测试

靶室内回波振荡增强了电磁脉冲强度并延长了电磁脉冲持续时长。尤其对于靠近靶室内壁区域，回波振荡的影响尤为严重。为对靶室内重要诊断设备进行合理电磁屏蔽，设计针对性实验，测量回波振荡于电磁脉冲信号中所占份额。

同样，采用泰克矢量网络分析仪连接超频段微带天线作为稳定发射源，置于靶室中心。同款超频段微带天线置于西下角45°，直径33cm法兰处，作为接收天线。如图7所示，图7（a）为测量靶室内正常电磁脉冲信号示意图，发次#1。为对比激光靶耦合激发与回波振荡产生的电磁脉冲信号，采用锥形吸波材料替换西下角45°上放置超频段微带天线的法兰，滤除该处回波振荡信号，诊断剩余电磁脉冲信号。实验示意图如图7（b）所示，发次#2。

诊断结果如图8所示，可以看出，采用锥形吸波材料替换原本法兰盘后，信号成功衰减一倍，衰减的信号即为吸波材料吸收的回波振荡产生的电磁脉冲信号。由此也进一步论证了回波振荡的存在。本次测试仅屏蔽了接收天线所在法兰，信号衰减已达一倍，若将整个靶室内壁进行合理屏蔽，将大大减少靶室内来回振荡的电磁脉冲信号。

图7 靶室内回波振荡信号诊断示意图

图8 屏蔽回波振荡前后信号对比图

4 结论

于神光Ⅱ大型激光装置上对比测量了相同打靶条件下不同靶型激发的电磁脉冲信号分布，得出结论：平面靶、半腔靶较磁化黑腔靶、磁化球腔靶的电磁脉冲强度提升了约一个量级。由于靶室内回波振荡的作用，致使靶室内，随着远离靶室中心，脉冲幅值先减小，后增大。且随着距离增大，越靠近靶室内壁区域受到回波振荡的影响越大，进而导致电磁脉冲持续时长增大。后期惯性约束聚变实验中需尽量避免诊断设备安放于靠近靶室内壁区域，且需对靶室内的回波振荡采取相应屏蔽措施。激光靶耦合过程中产生的电磁脉冲诊断与分析，是针对各种诊断设备提出合理可行的电磁兼容的具体措施，也为点火物理实验诊断设备的研制提供了设计依据。

[1]Mora P,Brown C G,Clancy T J,et al.Analysis of electromagnetic pulse (EMP) measurements in the National Ignition Facility's target bay and chamber[J].EPJ Web of Conferences,2013,59: 08012.

[2]Brown C G EB,Throop A.Assessment and mitigation of electromagnetic pulse(EMP)impacts at short-pulse laser facilities[J].Journal of Physics.Conference Series,2010,244(3): 032001.

[3]Longmire C L.On the electromagnetic pulse produced by nuclear explosions[J].IEEE Transactions on Electromagnetic Compatibility,1978,EMC-20(1): 3-13.

[4]Mead M J D N,Patel P.Electromagnetic pulse Generation within a petawatt laser target chamber[J].Review of Scientific Instruments,2004,75(10): 4225-4227.

[5]Zhuo H B,Chen Z L,Sheng Z M,et al.Collimation of Energetic Electrons from a Laser-Target Interaction by a Magnetized Target Back Plasma Preformed by a Long- Pulse Laser[J].Physical Review Letters,2014,112(21).

[6]Poye A,Hulin S,Bailly-Grandvaux M,et al.E D'humieres,J J santos,P nicolai,and V tikhonchuk.physics of giant electromagnetic pulse Generation in short-pulse laser experiments[J].Physical Review.E,Statistical,Nonlinear,and soft Matter Physics,2015,91(4): 043106.

[7]Beilis II.Mechanism of laser plasma production and of plasma interaction with a target[J].Applied Physics Letters,2006,89(9): 091503.

[8]Dizière A AP,Koenig M.Formation and propagation of laser-driven plasma jets in an ambient medium studied with X-ray radiography and optical diagnostics[J].Physics of Plasmas,2015,22(1): 012702.

[9]Murnane M M HC,Falcone R W.High density plasmas produced by ultrafast laser pulses[J].Physical Review Letters,1989,62(2): 155-158.

[10]Kritcher A L TD,Glenzer SH.Development of X-ray Thomson scattering for implosion target characterization[J].High Energy Density Physics,2011,7(4): 271-276.

[11]Kmetec J D,Gordon C L.3rd,J J macklin,B E lemoff,G S brown,and S E harris.MeV x-ray Generation with a femtosecond laser[J].Physical Review Letters,1992,68(10): 1527-1530.

[12]Hamster H AS,Falcone RW.Subpicosecond,electromagnetic pulses from intense laser-plasma interaction[J].Physical Review Letters,1993,71(17): 2725-2728.

[13]Dubois J L,Lubrano-Lavaderci F,Raffestin D,et al.A compant la fontaine,E d'humieres,S hulin,P nicolai,a Poye,and V T.target charging in short-pulse-laserplasma experiments[J].Tikhonchuk Phys Rev E Stat Nonlin Soft Matter Phys,2014,89(1): 013102.

[14]Pearlman J S.Charge separation and target voltages in laser-produced plasmas[J].Applied Physics Letters,1977,31(7): 414-417.

[15]Cheng C C EM,Moloney JV.Generation of electromagnetic pulses from plasma channels induced by femtosecond light strings[J].Physical Review Letters,2001,87(21): 213001.

[16]He X T,Zhang W Y.Inertial fusion research in China[J].The European Physical Journal D,2007,44(2): 227-231.

Measurement and Analysis of EMP Generated from the Interaction between Laser and Target

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)

Electromagnetic pulse (EMP) radiating from the interaction when ultra-intense laser irradiated the target was captured by pulse antennas.This paper listed EMP signals from the interactions of nanosecond laser with several targets at the same condition to compare and figure out the effect of target type.Conclusion came out that symmetric targets contributed to the counteraction of electromagnetic interference inside the target chamber.In addition,distance from target chamber center (TCC) was taken into consideration to figure out the transmission regular of the EMP.Along with the increase of distance from TCC,the EMP amplitude decreased first,and then increased,due to the effect of backward-wave oscillation inside target chamber.Also,area closing to the chamber wall sustained more from backward-wave oscillation,resulting in the longer EMP duration.The backward-wave oscillation was demonstrated to occupy a large proportion of the EMP signal inside chamber by argumentation test and shielding experiment.Diagnostic equipment should not be installed in the area near to target chamber center or interior wall.

interaction between laser and target; electromagnetic pulse (EMP); backward-wave oscillation; shield measurement

中央高校基本科研基金（ZYGX2015J108）

国家自然科学基金（11575166，51581140）