基于皮秒拍瓦激光产生的高能X射线源具有强度高、脉宽短、焦点小的特点,利用这种X射线源发展出来的高时空分辨率X射线点投影背光照相是强加载条件下材料动态响应,以及惯性约束聚变等高能量密度物理研究中亟需的重要诊断技术。目前,研究人员主要依靠TITAN、OMEGA-EP和神光Ⅱ升级等大型皮秒拍瓦激光装置,对皮秒拍瓦激光与固体靶相互作用产生的X射线的能谱、转换效率、分辨率等关键参数进行了研究,发展了点投影背光照相技术,并开展了动态演示实验,成功获得了惯性约束聚变内爆过程和冲击加载材料微喷过程的演示图像。

在神光Ⅱ升级装置上开展了首轮激光加速质子对间接驱动快点火靶内爆过程的照相实验研究。通过激光与靶参数的优化, 获得了能量高于18 MeV的质子束。通过静态客体的照相, 获得了优于20 μm的高空间分辨网格图像, 为开展时间分辨的啁啾质子照相奠定了基础。开展了质子动态照相实验, 获得了内爆压缩晚期的质子照相图像。实验发现内爆区域质子照相图像存在大量排空现象。内爆压缩区域不足以阻挡如此大范围质子束, 证明了其中存在电磁场使得质子向外排开。动态照相的质子能量较低, 分析是ns激光打靶过程产生的X射线及等离子体对质子加速存在影响。后续实验中需要进一步优化靶的屏蔽设计。

在神光Ⅱ升级装置上完成了国际上首次间接驱动快点火集成实验。实验采用双台阶脉冲整形激光注入黑腔产生X射线准等熵压缩锥壳靶,实现了高密度压缩,然后采用皮秒超短脉冲激光注入加热燃料。实验中观测到中子产额由皮秒激光注入前的5×103增加到2.2×105,中子产额增益达到44倍,实验证实了皮秒激光具有明显燃料加热效果。该实验为进一步开展快点火热斑形成效率和相关物理研究奠定了基础。

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。

与中心点火相比, 快点火将压缩和点火过程分开, 大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究, 利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程, 并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据, 当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30 g/cm3和50 mg/cm2; 为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题, 提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法, 实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性, 该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。

为研究快点火预压缩过程中导引锥对压缩靶丸芯部辐射对称性的影响，在神光Ⅲ原型上开展了快点火预压缩的自发光测量实验。采集了相同长度黑腔中不同类型靶丸的内爆自发光图像和不同长度黑腔中同类靶丸的内爆自发光图像，利用最小二乘椭圆拟合方法对芯部的自发光半峰值强度等高线进行椭圆拟合，通过椭圆特征来分析靶丸在最强发光时刻的压缩对称性。分析结果表明: 导引锥的存在会使发光区域沿着赤道方向拉长，降低了压缩对称性;有锥靶丸在1600 μm黑腔内的形变小于在1500 μm和1700 μm黑腔内的形变，压缩对称性可以通过调整黑腔长度来控制。