激光驱动内爆靶产生的光滑连续谱X光源的特性研究

K-shell x-ray absorption spectrum and K-edge extended x-ray absorption fine structure are widely used to diagnose dense matter in the experiments of inertial confinement fusion and high energy density physics. Both of them need smooth continuum x-ray spectrum as the x-ray probe beam. Matter parameters such as temperature, density, and disruption of order can be obtained from the absorption spectrum of x-ray probe beam after it transmiting the sample. The conventional method of generating x-ray source with smooth continuum spectrum is to focus intense laser beam on a high-Z material,such as Sm, Au, Bi, or U, and use the M-band, N-band, and the bremsstrahlung emission between them as the smooth continuum x-ray spectrum.But the M-band emission can not be pushed to significantly higher energies, for example, M-band emission of U material (Z=92) ends at about 3.5keV, which can only fulfill the requirement of low- or middle-Z matters with Z<18. The materials with higher-Z need smooth continuum x-ray spectrum of >3.5keV. We will looking into using laser driven implosion target as backlighters to produce the x-ray source in the range of 3keV-100keV. Characterization of the implosion x-ray source, physical mechanism, and optimizing method will be explored with experimental measurements and simulations.

K壳层X射线吸收谱诊断和K边扩展X射线吸收精细结构诊断广泛地应用于惯性约束聚变和高能量密度物理实验的高密度物质状态参数诊断中，这两种诊断技术需要使用光滑连续谱的X光源做探针束，通过测量X光穿越样品物质后产生的吸收谱结构来诊断物质的温度和密度参数或相变等过程。目前常见的产生光滑连续谱X光源的办法是使用激光烧蚀高Z物质(例如Sm,Au,Bi或U)产生的M带、N带及其之间的轫致辐射谱作为光滑连续谱X光源，但即使使用原子序数很高的铀元素(U，Z=92)做靶材料，产生的M带连续谱往高能方向也只能推进到3.5keV左右，只能满足Z<18的中低Z物质的诊断需求，原子序数更高的物质的参数诊断需要光子能量大于3.5keV的光滑连续谱X光源。本项目将使用激光驱动的内爆靶来产生3keV-100keV能区的光滑连续谱X光源，通过实验测量结合数值模拟，研究其中的物理规律、寻找产生光滑连续谱X光源的有效方法。

系统的研究了在国内神光装置30-180kJ驱动能力下，内爆靶产生的连续谱轫致辐射光源的基本特征，发展了所需的数值计算程序，发现内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150ps 的X 光脉冲；X 光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区；等离子体的自吸收可以显著降低 1-3keV 的较低能区的 X 光发射，但对更高能区没有影响；X 光辐射主要集中在<30keV 的较低能区，DT 聚变反应可以增强>30keV 的硬X光辐射、但对<30keV 的较软的X 光辐射没有明显贡献，因此聚变反应对内爆X射线源的亮度影响可以忽略不计。该结果可以帮助理解过去的内爆光源实验现象，也可以指导内爆光源的设计。本项目也尝试优化内爆光源的亮度，发现部分替换壳层内侧靶材料，可以明显增强内爆光源亮度，但也只能增强中低能区X光发射。研究发现，在目前神光装置的条件下，在30keV或60keV以上能区(取决于内爆压缩控制情况)，内爆光源相对于皮秒拍瓦激光束驱动的轫致辐射光源在连续谱X光产生上没有优势，如果需要数十keV以上至MeV的连续谱硬X光，最好使用皮秒拍瓦激光束。本研究发现，皮秒拍瓦激光驱动产生的轫致辐射X光强度对靶材料原子序数和质量密度的乘积有线性依赖关系，据此可以精确的预估不同靶材料产生的X光源的相对亮度，我们模拟发现，激光强度的增加，轫致辐射X光强度逐渐增加并逐渐饱和，超热电子反复穿越靶的re-circulation效应在增强X光辐射强度上有重要作用。