激光聚变物理中电磁脉冲辐射特性研究

严 颖 江少恩 易有根 易 涛 丁永坤

（1. 中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川 绵阳 621900；2. 中南大学物理与电子学院，长沙 410012）

激光聚变物理中电磁脉冲辐射特性研究

严 颖1,2江少恩1易有根2易 涛1丁永坤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. 中南大学物理与电子学院，长沙 410012）

激光聚变物理过程中会产生大量的电磁脉冲辐射，该电磁脉冲频谱宽，强度大，会对各诊断设备的正常运行以及精密测量造成不同程度的影响。为了研究该电磁脉冲的特性，为其产生机制研究和优化防护措施提供依据，对本次实验，在神光Ⅲ主机装置上进行。并在靶室内外搭建天线诊断系统，对电磁脉冲信号进行采集。本文讨论分析了靶室内小盘锥和矩形全向天线所采集的信号，并且两款天线所测时域信号值在特征峰位置吻合得相当好，所测频谱也最大范围的囊括了示波器的频域值，图像清晰的显示了激光与黑腔靶相互作用过程的4个电磁脉冲产生机制。

强激光；黑腔靶；电磁脉冲；神光Ⅲ主机；天线

实现受控热核聚变反应将会为人们提供安全、经济、丰富的能源[1]。而惯性约束聚变（inertial confinement fusion, ICF）是实现受控热核聚变很有希望的途径之一[2]。激光聚变是以强激光作为驱动源，通过内爆作用，压缩氘、氚等热核燃料到高温高密度状态，在惯性约束下，实现聚变点火获取聚变能[3]。我国中国工程物理研究院的神光系列装置可实现聚变点火。其中神光Ⅲ主机装置于2015年9月 15日全面建成，是世界上第二大输出能量的激光器[4]。

激光与点火靶相互作用过程中，会有热电子从靶材料上喷射出来，此时靶带正电，在靶面静电场作用下，电子形成回流[7]。在这个过程中会产生大量的宽频域（几十MHz～5GHz），大强度的电磁辐射，这些电磁脉冲（electromagnetic pulse, EMP）对实验中的电子器件和诊断设备将会产生不同程度的干扰与损坏，严重的将致使设备出现故障，从而无法对实验中的物理量进行准确的测量[5-6]。本次实验采用小盘锥和矩形全向天线对靶室内的电磁脉冲进行收集，通过这两款电场天线的时域和频域的分布图像，为激光聚变实验物理过程中电磁脉冲产生机制研究和优化防护措施提供实验依据。

1 实验靶参数

本次实验在神光Ⅲ主机装置上进行，实验增加了背光光源和背光靶，如图 1、图 2所示，背光靶框架上封有一层CH薄膜，用于提供均匀的面光源。与背光靶同一水平线上对开的诊断口，用于背光成像测量。柱腔腔轴竖直放置，黑腔中心置于靶室基准位；背光靶中心距离黑腔中心3500μm（其中背光靶指向靶室26°），背光靶朝向66#DIM（天线诊断大致方位）方向，抽出外环4路激光作为背光驱动光源。

图1 激光靶图侧面示意图

图2 激光靶图正面示意图

2 实验布置

我国的神光Ⅲ主机装置可输出 48束阵列化的三倍频180kJ/3ns，峰值功率60TW的激光输出，分别从南北两个半球入射靶室，汇聚在靶上。本次实验基于神光Ⅲ主机装置，实验大致布局如图3所示。

实验使用12.5GHz的示波器进行信号采集，用10m的电磁脉冲信号线将其连接可固定在靶室壁上的专门定制的法兰上，与靶室内的电磁脉冲接收天线组合装置相连，各天线收集的电磁脉冲信号独立输出。靶室内的天线组合装置有个全铜罩口径与法兰口一致，用来保护同轴线缆，以及屏蔽靶室内电磁信号与缆线的耦合。小盘锥距离靶室壁 115cm，矩形全向天线距离靶室壁 105cm。电磁辐射在靶室内比较强，所以在天线与示波器之间加入了相应大小的衰减器，小盘锥和矩形全向天线在本发次中分别都加了40倍衰减，用以保护示波器。

图3 神光Ⅲ主机装置上实验布局

本次激光打靶实验使用充气（0.3atm）柱腔靶，靶尺寸为φ 2.4mm×4.0mm，激光注入口（LEH）φ 1.2mm。柱腔腔轴竖直放置，黑腔中心置于靶室基准位；背光靶中心距离黑腔中心3500μm（其中背光靶指向靶室 26°）。激光光束（除背光光束）交叉点位于黑腔注入孔中心；激光能量参数见表 1，其中背光激光（共 4束），3000J/3ns/351nm/800μm CPP，方波，延迟4ns，弹着点位于背光靶中心，激光总能量为86307J。

表1 激光能量参数

3 实验结果及分析

本实验在神光Ⅲ主机装置上进行了多次重复实验，得到的多组数据结果都比较稳定，本文选取其中一发次实验进行具体分析。实验使用两组电场天线，即频带响应较窄的矩形全向天线和频带响应较宽的小盘锥天线对电磁脉冲进行收集，并在同一台12.5GHz的示波器上输出。

图 4为实验中接收到的时域电压信号，如图 4所示，小盘锥和矩形全向天线在10ns以内区域吻合比较好。两种天线均在 1ns、4ns、8ns处出现峰值电压，且它们都出现了明显的4个峰值电压。由图5所示，小盘锥前3个峰值电压分别为22V、20V、86V，第4个峰值电压出现在26ns处，峰值电压为34V。如图 6所示，矩形全向天线前面 3个峰值电压分别为-10V、-14V、-50V，第 4个峰值电压出现在 15ns处，峰值电压为-40V（由于电场天线的具有方向性，正负号只代表接收信号的正反面）。由于两种天线的效率和增益各有区别，在同一发次中接受到的电压幅值存在不同程度的差异，同时其频域的响应范围不同，在后一段时间吻合不佳。

图4 时域信号对比

图5 小盘锥天线时域信号

通过讨论4个时域峰值，分别体现了激光与靶相互作用的4个产生电磁脉冲过程。在第一个峰值点（0～1ns）时间内，对应的是激光从黑腔两端烧蚀封口膜，从激光注入口（LEH）注入后，与黑腔壁的高Z物质相互作用，产生X射线和电磁辐射的过程。第二个峰值点（1～4ns）时间内，对应着背光激光与背光靶相互作用产生的电磁脉冲过程，由于4束背光激光会延后其他激光4ns，汇聚在背光靶中心，所以在 4ns的时刻，刚好发出背光激光，与背光靶相互作用。第三个峰值点（4～8ns）时间内，对应的是黑腔爆炸产生反向推力压缩氘、氚热核燃料组成的靶丸，使其达到高温高密度状态。在 8ns时刻，实现惯性约束聚变，释放聚变能和大量的电磁辐射。因此，在此时刻的峰值电压达到最大值，也是电磁辐射的一个峰值时刻。第四个峰值点就有所区别，小盘锥天线出现在 26ns时刻，峰值电压34V；而矩形全向天线的峰值出现在15ns处的-40V处。这个点对应的是补偿电流产生的电磁脉冲过程。激光与靶相互作用后，会有电子从靶材料上喷射出，从而使靶带上正电，之后就会有电子补偿进来，即补偿电流，补偿电流会产生电磁辐射。

对于电场天线接收到的电磁脉冲时域信号，通过对其进行快速傅里叶变化（fast fourier transform，FFT），转换为天线的频域信号。如图7所示，小盘锥在0.03GHz，0.05GHz，0.17GHz处均出现峰值，分别为2.28dB，2.79dB，0.87dB。如图8所示，而矩形全向天线则在0.15GHz，0.70GHz，0.92GHz处分别出现0.57dB，0.21dB，0.25dB的峰值。这是由于矩形全向天线的全向性比较好，增益高，特别是对高频频段有很好的响应；而小盘锥天线全向性稍差，响应频带主要集中在低频段。但可以看出，在他们共同响应的频段出现峰值的频率点和峰值大小都吻合得很好。由此信号总体来看，可发现所测量到的频谱很低，而激光与靶相互作用过程中所产生的电磁脉冲是达几十 MHz～5GHz的宽频域，高强度。这说明电子在喷射的过程中被抑制住了，从而只收集到低频部分的电磁脉冲信号。

图6 矩形全向天线时域信号

图7 小盘锥天线频域分布

图8 矩形全向天线频域分布

4 结论

本文利用小盘锥和矩形全向两款电场天线对强激光与柱腔靶相互作用在靶室内产生的电磁脉冲的分布进行了测量与分析。实验测得该两款天线的时域信号，对其时域信号做傅里叶变换得到天线的频域信号。两款天线在时域上吻合得很好，很完美地体现的电磁脉冲产生的4个机制。激光首先通过柱腔靶注入口，烧蚀封口膜，与腔壁高Z物质相互作用产生X射线和电磁辐射；此时延后4ns的背光光源照射背光靶产生电磁辐射；之后X射线加热靶丸，将其压缩至高温高压状态使其产生内爆，黑腔解体产生大量电磁辐射；最后出现的补偿电流也会产生电磁辐射。并且，在后两个过程所产生的电磁辐射比较大，对靶室内的诊断设备和电器会造成很大的损害和干扰。所以，有必要对仪器设备采取相关的屏蔽措施。本次实验只收集到了靶室内的电磁脉冲信号，靶室外的信号没有收集成功，不能进行靶室内外的信号强度比较；所用天线搭配优化不够。在接下来的实验中要对靶室外不同方位的电磁信号进行测量，并优化天线的选择搭配。

[1] Roth J, 李中兴, 译. 聚变能引论[M]. 北京： 清华大学出版社, 1993.

[2] 王淦昌, 袁之尚. 惯性约束核聚变[M]. 合肥： 安徽教育出版社, 1996.

[3] 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.

[4] 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.

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

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[8] Tao Yi, Jinwen Yang, Tingshuai Li, et al. Investigation Into the Electromagnetic Impulses From LongPulse Laser Illuminating Solid Targets Inside a Laser Facility,IEEE Photonic Sensors, 2016, 9, 6(3)： 249-255.

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[10] 杨进文, 易涛, 李廷帅, 等. 激光打靶过程中的电磁脉冲特性[J]. 强激光与粒子束, 27(10), 103224(2015).

[11] 杨进文, 杨鸣, 李廷帅, 等. 神光 III主机装置激光打靶产生电磁脉冲特性研究[J]. 电气技术, 2016(11)：21-24.

Electromagnetic Pulse Radiation Characteristics Research in Laser Fusion Physics

Yan Ying1,2Jiang Shaoen1Yi Yougen2Yi Tao1Ding Yongkun1
(1. Research Center of Laser Fusion, China Academy of Engineering Physics, Mianyang, Sichuan 621900;2. The Central South University, Institute of Physics and Electronic, Changsha 410012)

Laser fusion physics will produce a large number of electromagnetic pulse radiation, the electromagnetic pulse spectrum is wide and the intensity is high, it will be caused different degrees of impact on the normal operation and precision measurement of the diagnostic equipment. In order to study the characteristics of the electromagnetic pulse. To provide a basis for the mechanism of research and optimization of protective measures. This experiment, in the SG Ⅲ host device on. And the antenna diagnosis system is in the chamber inside and outside, collecting the electromagnetic pulse signal. This article analyzes the target of indoor small discone and collected signals, the rectangular antenna and two antenna measured time domain signals match quite well in characteristic peak position,the measured spectrum also contains the largest oscilloscope frequency domain values, and the image clearly shows the four processes of the interaction between the laser and the black-cavity target.

laser; black cavity target; electromagnetic pulse; SG-Ⅲ; antenna

严 颖（1993-），女，湖南省长沙人，硕士研究生，主要从事神光装置电磁脉冲辐射研究工作。