第２３卷第８期强激光与粒子束Ｖ０１．２３。Ｎｏ．８２０１１年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＩ。ＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２０１１文章编号：１００ｌ一４３２２（２０１１）０８～２１９７一０４
惯性约束聚变反应速率测量’
彭晓世，王峰，唐道润，刘慎业，黄天嗄，刘永刚，徐涛，陈铭，梅雨
（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳６２１９００）
摘要：聚变反应速率是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数，为测量聚变反应速率，研制了一套由
闪烁体及鼻锥部分、光学系统和条纹相机组成的测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用新研制的聚变反应速率
测量系统进行了聚变反应速率测量。在ＤＴ中子产额约为１０…条件下，首次获得了聚变反应速率随时间的变
化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行详细分析后表明，系统的时间分辨力优于３０ｐｓ。
关键词：惯性约束聚变；聚变反应速率；热核反应；条纹相机；中子
中图分类号：（）５３２．１３文献标志码：Ａｄｏｉ：ｌＯ．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０８．２１９７
惯性约束聚变（ＩＣＦ）实验中，激光或Ｘ光辐射加热靶丸表面，驱动靶丸内壳层向中心收缩，使得靶丸内的聚变燃料气体达到高温和高密度，冲击波聚心进一步提高了芯部燃料的温度，使其达到热核聚变点，从而发生热核反应，释放大量的高能中子、带电粒子和７光子…。大部分带电粒子将在高密度区被慢化，甚至完全沉积在燃料区，无法离开靶到达探测器。而高能中子和伽马射线具有非常强的穿透本领，绝大部分中子及伽马射线能无碰撞地离开燃料区到达探测器，从而保留了燃料区聚变反应的全部信息。中子或伽马射线产额随时间的变化反映了燃料区的聚变反应速率随时间的变化，是热核燃烧的重要诊断技术之一［２≈］。聚变反应的峰值时刻对于靶丸的能量吸收、等离子体的状态等非常敏感。另外，聚变反应速率历程还包含峰值压缩时刻的相关信息。在压缩过程中，壳层中的物质混合到燃料的芯部将导致芯部的聚变反应速率大幅度下降，因此通过聚变反应速率的诊断还可获得混合方面的重要信息。伽马射线测量聚变反应速率的方法更直接，不存在飞行时间谱的展宽，但其产额极低，仅为中子产额的１／１０５，低产额情况下，该项技术是不适用的ｎ巧］。高能中子更适合在低产额下测量聚变反应速率¨ｊ。在神光Ⅲ原型装置上，ＤＴ聚变中子产额约为１０ｍ量级，这一产额水平处于利用高能中子诊断聚变反应速率的理想范围内。本文介绍了最新研制的聚变反应速率测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用该系统首次获得了聚变反应历程，并根据ＤＴ中子产额得出了聚变反应速率随时间的变化。１实验原理
在惯性约束聚变实验中，装有ＤＴ燃料的靶丸发生的聚变反应为
Ｄ＋Ｔ—ａ（３．５６ＭｅＶ）＋ｎ（１４．０３ＭｅＶ），ｂｒａｎｃｈｒａｔｉｏｉｓ１００％（１）
Ｄ＋Ｔ一５Ｈｅ＋７（＜１６．７ＭｅＶ），ｂｒａｎｃｈｒａｔｉｏｉｓ１０一５（２）
ａ粒子将在等离子体中被慢化甚至被完全阻止，无法从芯部等离子体中逃逸出来。而中子不带电，几乎可以无碰撞地离开芯部等离子体。聚变反应速率测量系统的诊断原理是：从高密度区逃逸出来的中子轰击离靶非常近的有机闪烁体，有机闪烁体中的Ｈ原子与中子发生弹性散射，产生的反冲质子在闪烁体内通过电离被迅速慢化，质子的部分电离能被闪烁体以光的形式释放出来，该光信号保留了聚变反应速率的所有信息，利用光学成像系统对释放出来的光进行收集。对光脉冲进行高时间分辨的记录。本系统采用了超快时间响应的塑料闪烁体ＥＪ２３２，该闪烁体受激闪烁发光的上升时间约为２０ｐｓ，衰减时间约为１．２ｎｓ，而聚变反应的持续时间为１００～２００ｐｓ，所以中子脉冲激发闪烁体发光，其发光前沿包含了中子脉冲或聚变燃烧过程的全部信息。２实验条件与排布
实验用靶由柱腔和充ＤＴ气体的靶丸组成。柱腔长１７００ｐｍ，直径１ｏｏＯ肛ｍ，激光注入孔直径６５０弘ｍ。靶丸由ＤＴ气体、玻璃球壳和ＣＨ烧蚀层组成，ＤＴ气体气压为１．ｏ～１．５ＭＰａ，玻璃靶球内径３８０弘ｍ，厚度２＊收稿日期：２０ｌＯ—１２—２０；修订日期：２０１１一０３—１４
基金项目：国家自然科学基金项目（１０８０５０４１）作者简介：彭晓世（１９８ｌ＿一）・男，硕士・助理研究员，主要从事惯性约束聚变物理诊断及设备研发；ｘｉａｏｓｈｉｌ０２５＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。
万方数据
２１９８强激光与粒子束第２３卷“ｍ，ＣＨ烧蚀层厚度分别为９，１３和１６ｐｍ。神光Ⅲ原型装置上８束三倍频激光由上下各４束从柱腔两端的注入孔注入腔内，激光能量约为８×ｌ０００Ｊ，脉宽为１ｎｓ。
聚变反应速率测量总体技术路线如图１所示。ＤＴ聚变反应产生的高能中子（１４Ｍｅｖ）与超快塑料闪烁体（ＥＪ２３２）作用产生波长为３５０～４５０ｎｍ的光。闪烁体发出的为宽谱光，因此要求光学成像系统采用消色差技术。用作时标的种子脉冲从主激光光路中引出，通过光纤引入条纹相机进行记录。塑料闪烁体直径６ｍｍ，厚度１ｍｍ，距离靶丸中心２ｃｍ；收光系统放大倍数为１／３；相机狭缝宽度１００“ｍ，实验前对条纹相机进行了标定，其扫描速度约为３ｐｓ／ｐｉｘｅＩ。为进一步减小杂散光对测量的影响，在光学系统与记录条纹相机间利用遮光罩进行了散射光屏蔽。
ＦＩｇ１Ｅｘｐｅ¨㈣ｔａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｆｏｒｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｌ。ｎ。ｒａｔⅢａｓｕｒｅｍｅｎｔ
图１檗变反应速率测量实验排布
３实验结果及分析
３．１聚变反应历程测量结果
利用新研制的聚变反应速率测量系统对聚变反应速率进行了测量，对于烧蚀层厚度分别为９，１３和１６“ｍ的靶，测量结果如图２所示，记录图中上半部分为闪烁体发光信号，下半部分为时标脉冲序列，脉冲间隔为５００ｐｓ。从图２中可观察到随着ｃＨ烧蚀层厚度的增加，闪烁体发光信号与时标光信号的时间关系也随之改变。
ｔａＪ９ｕ…ｌ（ｂ｝Ｉ３¨…
ａ．懿赫。｜ｊ
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ＳＩｇ衄ｌｏｆＦｌｇ２ｆｕｓｌ０…ａｃｔｌｏｎｈＩｓｔｏｒｙｍｅａ…Ｉｎｇ
图２聚变反应历程测量信号
３．２聚变反应速率
实验中条纹相机记录到的发光信号与聚变中子信号和塑料闪烁体有关，为中子发射时间过程与闪烁体响应时间的卷积。聚变反应历程包含在发光信号的上升前沿中，为获得聚变反应历程，需对上升沿信号去卷积。由于闪烁体发光的上升时间约为２０ｐｓ，衰减时间常数约为１．２ｎｓ，发光上升时间远小于衰减时间，而聚变反应的持续时间很短，为１００～２００ｐｓ，因此信号的去卷积过程可近似处理为去叠加。假设记录图上第ｉ个像素点的强度为％对应的中子强度为”。，闪烁体发光呈指数衰减，衰减时间常数为ｒ，可利用式（３）进行去卷积，得到中子强度随时间的变化过程，从而得到聚变反应历程。
ｎ。＝日一∑叩ｘｐ（！孚）‘ｒＩ（３）
Ｊ—Ｏ
聚变反应历程反映了中子数随时间的相对分布，聚变反应速率与记录到的中子数呈比例关系，根据ｃｕ活化法测得聚变反应期间的中子总产额与聚变反应历程在时间上的积分可得到比例系数，从而得到聚变反应速万方数据
第８期彭晓世等：惯性约束聚变反应速率测量
率随时间的分布，如图３所示。由图３可知，在当前的实
验条件下，聚变反应速率峰值约为１０２０／ｓ，反应持续时间
约为１２０
３．３ｐｓ。！ｍ＿：闪烁体衰减时间常数对信号还原的影响
闪烁体发光一般按负指数规律进行衰减”“，其发光！ｉ
：
ｉ强度为ｆ（ｆ）一是ｅｘｐ（一￡／ｒ）（４）
式中：，（￡）为闪烁体发光强度；女为相对归一化系数；ｒ为
衰减时间常数。
ＥＪ２３２塑料闪烁体发光衰减时间远大于发光上升时
间。因此实验中测得的信号后沿与闪烁体发光衰减按同
样的负指数规律进行，根据发光信号后沿不同时刻的强
度值即可求得闪烁体衰减时间常数，其表达式为
Ｉｎ［，（ｆＩ）／，（ｆ：）］一（￡２一￡１）／ｒ（５）Ｆｉｇ．３ｔｌｍｅ，ＤｓＦｕｓｌｏｎｒｅａｃｔＩｏｎｒａｔｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｌｎｇｄｌｆｋｒｅｎｔｔ拓ｃｋｎｅｓｓｏｆＣＨ５ｈｅｌＪｔｏ图３不同ｃＨ层厚度对应的聚变反应速率
对测得的发光信号后沿进行处理，利用式（３）计算得
到的闪烁体衰减时间常数为１．ｏ～１．３ｎｓ。为检验闪烁
体衰减时间常数对信号还原的影响，分别假设ｒ为９００，
ｌ０００，１；；、１００，１２００，１３００和ｌ４００ｐｓ。对其中一发实验ｉ
一信号进行处理得到不同衰减时间常数下的还原信号如图
４所示。由图４可知，由于闪烁体发光响应和聚变反应
时间均远小于闪烁体发光衰减时间，在一定时间范围内
（９００～１４００ｐｓ），闪烁体衰减时间常数对信号还原的影
’％４Ｃ。…ｐａｒ１５０ｎｏｆｓｌｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙ响可以忽略。
３．４信号处理方法检验ｄｌｆｆｅ一【ｄｅｃ８ｙｔｌｍｅ图４不同衰减时问常数还原结果比较
当前的实验信号较弱，信噪比较差，因此在进行数据处理时，首先对原始信号进行滤波以去除信号中的高频噪声。然后根据式（５）得到的闪烁体的衰减时间并利用反卷积程序得出对应的聚变反应历程信息。
为检验数据处理过程的准确性，比较原始信号与滤渡信号以观察滤波误差，结果如图５（ａ）所示。由图可知，通过滤渡有效去除了原始信号中的高频噪声，得到了所需的光滑上升前沿。在信号还原所需的上升沿时间范围内，滤波信号与原始信号基本重合。得到滤波信号后，对滤波信号的上升沿进行反卷积处理即可得到聚变反应历程波形（还原信号）。反卷积程序的准确性可通过逆运算进行检验。比较还原信号与负指数衰减函数的卷积与滤波信号的上升沿，处理结果如图５（ｂ）所示，由图可知，上述两者完全重合，说明程序是准确的。
Ｆｌｇ５ＣｏｎｌＰａｒｌｓｏｎｏｒｏｒｌｚＩｎａｌｓＩｇｎａＩａｎｄｐｒ…ｓｓｅｄｓｌｇｎａ【
田５原婧信号与经处理后的信号比较
３．ｓ系统的时间分辨力
影响系统时间分辨力的主要因素有：由中子能量弥散导致的中子飞行时间弥散、闪烁体厚度、光学成像系统的时间弥散和光学条纹相机时间分辨。对于在聚变反应同一时刻产生的中子，因等离子体中离子的热运动万方数据
２２００强激光与粒子柬第２３卷使中子能谱出现多普勒展宽从而导致的时间弥散△幻可表示为［６］
ｆ７７８１
△打。｛１
行时间弥散小于１０ｐｓ。２２７￣／Ｔ×ｄ｛ＤＴ一ｆＤＤｎｅｕｔｒｏｎ１ｎｅｕｔｒ。ｎ７‘６’式中：△￡Ｔ是半高宽（ＦｗＨＭ），单位为ｐｓ；ｄ为靶点距离探测器的距离，单位为ｍ；丁是等离子体离子温度，单位为ｋｅＶ。本系统‘的工作距离为２ｃｍ，实验中等离子体温度小于４ｋｅＶ，由式（６）可知中子能量弥散导致的飞
系统的时间分辨力还与闪烁体厚度有关。由于闪烁体厚度引入的时间弥散为
＆ｚ２焘㈤
式中：△ｚ为闪烁体厚度；Ｅ和ｍ分别为中子能量及中子质量。本系统中所用的闪烁体厚度为１ｍｍ，由式（７）可知，由于闪烁体厚度引入的时间弥散小于２０ｐｓ。
光学成像系统的时间弥散和光学条纹相机时间分辨力分别优于１０ｐｓ和１５ｐｓ，综合上述因素可知全系统的时间分辨力优于３０ｐｓ。
４结论
聚变反应历程包含峰值压缩时刻的相关信息，可用于测量聚变过程的许多特性参数。利用新研制的聚变反应历程测量系统对ＩＣＦ实验中聚变反应的时间过程进行了测量。由于该测量系统采用了超快闪烁体（上升沿小于２０ｐｓ）并利用条纹相机进行记录，因此具有更高的时间分辨力。在神光Ⅲ原型装置上通过实验对其进行了考核，在ＤＴ中子产额约为１０１０条件下首次获得了聚变反应速率随时间的变化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行了详细分析，结果表明系统的时间分辨力优于３０
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ＩⅥｅａｓｕｒｅｍｅｎｔ０ｆｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎ
ＰｅｌｌｇｒａｔｅＸｉａｏｓｈｉ，ＷａｎｇＦｅｎｇ，
ＬｉｕＹｏｎｇｇａｎｇ，ＴａｎｇＤａｏｒｕｎ，ＸｕＴａｏ，ＬｉｕＳｈｅｎｙｅ，ＨｕａｎｇＴｉａｎＸｕａｎ，ＣｈｅｎＭｉｎｇ，ＭｅｉＹｕ
（ＲＰｓ∞ｒｃ＾ＣＰ扎￡Ｐｒｏ，Ｌ吐ｓｅｒＦ“ｊｊＤ力，ＣＡＥＰ，Ｐ．０Ｌ
Ａｂｓｔｒ扯ｔ：ＦｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｉｓＢＤｚ９１９—９８６，Ｍ如挖ｙ口ｎｇ６２１９００，Ｃｈｉ恕口）ｒａｔｅａｎｉｍｐｏｒｔａｎｔｐａｒａｍｅｔｅｒｆｏｒｍｅａｓｕｒｉｎｇｃｏｍｐｒｅｓｓｉｏｎｄｕｒｉｎｇｔｈｅｉｍｐｌｏｓｉｏｎｉｎｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅ—
ａｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎｅｘｐｅｒｉｍｅｎｔ．Ｗｅｈａｖｅｄｅｖｅｌｏｐｅｄ
ｓｙｓｔｅｍｉｓｃｏｍｐｏｓｅｄｏｆｐｌａｓｔｉｃｓｃｉｎｔｉｌｌａｔｏｒａｎｄｓｙｓｔｅｍｆｏｒｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｈｉｓｔｏｒｙｍｅａｓｕｒｅｍｅｎｔｗｉｔｈｈｉｇｈｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｓｏＩｕｔｉｏｎ．Ｔｈｅｃｏｎｅ，ｏｐｔｉｃａｌｓｙｓｔｅｍａｎｄｓｔｒｅａｋｃａｍｅｒａ．Ｗｅｈａｖｅａｐｐｌｌｅｄｔｈｉｓｓｙｓｔｅｍ
ｔｈｅｆｉｒｓｔｔｉｍｅ，ｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｏｎｎｏｓｅｔｈｅＳＧ一Ⅲｐｒｏｔｏｔｙｐｅｆｏｒｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅｍｅａｓｕｒｉｎｇ．Ｆｏｒｈｉｓｔｏｒｙｈａｖｅｂｅｅｎｍｅａｓｕｒｅｄｆｏｒｄｅｕｔｅｒｉｕｎｌ－
ｒａｔｅｔｒｉｔｉｕｍｆｉＩｌｅｄｔａｒｇｅｔｓｗｉｔｈ
ｕｒｉｎｇ．ｎｅｔｒｏｎｓｙｉｅｌｄｓａｂｏｕｔ１０１０．Ｗｅｈａｖｅａｎａｔｏｍｉｚｅｄｐｏｓｓｉｂｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎａｔｍｅａｓ—１ｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｂａｎｇｔｉｍｅ
ｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎ；ｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅ；ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｓｏＩｕｔｉｏｎｓａｓｌｏｗａｓ３０ｐｓ．ｎｅｔｒｏｎ１‘ｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒｆｕｓｉｏｎ；ｓｔｒｅａｋｃａｍｅｒａ；万方数据
惯性约束聚变反应速率测量
作者：彭晓世， 王峰， 唐道润， 刘慎业， 黄天晅， 刘永刚， 徐涛， 陈铭， 梅雨， Peng Xiaoshi，
Wang Feng， Tang Daorun， Liu Shenye， Huang TianXuan， Liu Yonggang， Xu Tao， Chen Ming
， Mei Yu
中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳,621900
强激光与粒子束
High Power Laser and Particle Beams
2011,23(8)
2次作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
参考文献(8条)
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引证文献(2条)
1.康洞国.高耀明.黄天暄.王峰.彭晓世.陈家斌.郑无敌.江少恩.丁永坤 激光聚变气体靶核反应速率双峰现象[期刊论文]-强激光与粒子束 2012(9)
2.闫亚东.何俊华 聚变反应速率测量光学系统设计[期刊论文]-光学精密工程 2012(11)
本文链接：http://d.wanfangdata.com.cn/Periodical_qjgylzs201108044.aspx
第２３卷第８期强激光与粒子束Ｖ０１．２３。Ｎｏ．８２０１１年８月ＨＩＧＨＰＯＷＥＲＬＡＳＥＲＡＮＤＰＡＲＴＩＣＩ。ＥＢＥＡＭＳＡｕｇ．，２０１１文章编号：１００ｌ一４３２２（２０１１）０８～２１９７一０４
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彭晓世，王峰，唐道润，刘慎业，黄天嗄，刘永刚，徐涛，陈铭，梅雨
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摘要：聚变反应速率是表征惯性约束聚变热核反应的重要参数，为测量聚变反应速率，研制了一套由
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测量系统进行了聚变反应速率测量。在ＤＴ中子产额约为１０…条件下，首次获得了聚变反应速率随时间的变
化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行详细分析后表明，系统的时间分辨力优于３０ｐｓ。
关键词：惯性约束聚变；聚变反应速率；热核反应；条纹相机；中子
中图分类号：（）５３２．１３文献标志码：Ａｄｏｉ：ｌＯ．３７８８／ＨＰＬＰＢ２０１１２３０８．２１９７
惯性约束聚变（ＩＣＦ）实验中，激光或Ｘ光辐射加热靶丸表面，驱动靶丸内壳层向中心收缩，使得靶丸内的聚变燃料气体达到高温和高密度，冲击波聚心进一步提高了芯部燃料的温度，使其达到热核聚变点，从而发生热核反应，释放大量的高能中子、带电粒子和７光子…。大部分带电粒子将在高密度区被慢化，甚至完全沉积在燃料区，无法离开靶到达探测器。而高能中子和伽马射线具有非常强的穿透本领，绝大部分中子及伽马射线能无碰撞地离开燃料区到达探测器，从而保留了燃料区聚变反应的全部信息。中子或伽马射线产额随时间的变化反映了燃料区的聚变反应速率随时间的变化，是热核燃烧的重要诊断技术之一［２≈］。聚变反应的峰值时刻对于靶丸的能量吸收、等离子体的状态等非常敏感。另外，聚变反应速率历程还包含峰值压缩时刻的相关信息。在压缩过程中，壳层中的物质混合到燃料的芯部将导致芯部的聚变反应速率大幅度下降，因此通过聚变反应速率的诊断还可获得混合方面的重要信息。伽马射线测量聚变反应速率的方法更直接，不存在飞行时间谱的展宽，但其产额极低，仅为中子产额的１／１０５，低产额情况下，该项技术是不适用的ｎ巧］。高能中子更适合在低产额下测量聚变反应速率¨ｊ。在神光Ⅲ原型装置上，ＤＴ聚变中子产额约为１０ｍ量级，这一产额水平处于利用高能中子诊断聚变反应速率的理想范围内。本文介绍了最新研制的聚变反应速率测量系统。在神光Ⅲ原型装置上利用该系统首次获得了聚变反应历程，并根据ＤＴ中子产额得出了聚变反应速率随时间的变化。１实验原理
在惯性约束聚变实验中，装有ＤＴ燃料的靶丸发生的聚变反应为
Ｄ＋Ｔ—ａ（３．５６ＭｅＶ）＋ｎ（１４．０３ＭｅＶ），ｂｒａｎｃｈｒａｔｉｏｉｓ１００％（１）
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ａ粒子将在等离子体中被慢化甚至被完全阻止，无法从芯部等离子体中逃逸出来。而中子不带电，几乎可以无碰撞地离开芯部等离子体。聚变反应速率测量系统的诊断原理是：从高密度区逃逸出来的中子轰击离靶非常近的有机闪烁体，有机闪烁体中的Ｈ原子与中子发生弹性散射，产生的反冲质子在闪烁体内通过电离被迅速慢化，质子的部分电离能被闪烁体以光的形式释放出来，该光信号保留了聚变反应速率的所有信息，利用光学成像系统对释放出来的光进行收集。对光脉冲进行高时间分辨的记录。本系统采用了超快时间响应的塑料闪烁体ＥＪ２３２，该闪烁体受激闪烁发光的上升时间约为２０ｐｓ，衰减时间约为１．２ｎｓ，而聚变反应的持续时间为１００～２００ｐｓ，所以中子脉冲激发闪烁体发光，其发光前沿包含了中子脉冲或聚变燃烧过程的全部信息。２实验条件与排布
实验用靶由柱腔和充ＤＴ气体的靶丸组成。柱腔长１７００ｐｍ，直径１ｏｏＯ肛ｍ，激光注入孔直径６５０弘ｍ。靶丸由ＤＴ气体、玻璃球壳和ＣＨ烧蚀层组成，ＤＴ气体气压为１．ｏ～１．５ＭＰａ，玻璃靶球内径３８０弘ｍ，厚度２＊收稿日期：２０ｌＯ—１２—２０；修订日期：２０１１一０３—１４
基金项目：国家自然科学基金项目（１０８０５０４１）作者简介：彭晓世（１９８ｌ＿一）・男，硕士・助理研究员，主要从事惯性约束聚变物理诊断及设备研发；ｘｉａｏｓｈｉｌ０２５＠ｓｏｈｕ．ｃｏｍ。
万方数据
２１９８强激光与粒子束第２３卷“ｍ，ＣＨ烧蚀层厚度分别为９，１３和１６ｐｍ。神光Ⅲ原型装置上８束三倍频激光由上下各４束从柱腔两端的注入孔注入腔内，激光能量约为８×ｌ０００Ｊ，脉宽为１ｎｓ。
聚变反应速率测量总体技术路线如图１所示。ＤＴ聚变反应产生的高能中子（１４Ｍｅｖ）与超快塑料闪烁体（ＥＪ２３２）作用产生波长为３５０～４５０ｎｍ的光。闪烁体发出的为宽谱光，因此要求光学成像系统采用消色差技术。用作时标的种子脉冲从主激光光路中引出，通过光纤引入条纹相机进行记录。塑料闪烁体直径６ｍｍ，厚度１ｍｍ，距离靶丸中心２ｃｍ；收光系统放大倍数为１／３；相机狭缝宽度１００“ｍ，实验前对条纹相机进行了标定，其扫描速度约为３ｐｓ／ｐｉｘｅＩ。为进一步减小杂散光对测量的影响，在光学系统与记录条纹相机间利用遮光罩进行了散射光屏蔽。
ＦＩｇ１Ｅｘｐｅ¨㈣ｔａｌａｒｒａｎｇｅｍｅｎｔｆｏｒｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｌ。ｎ。ｒａｔⅢａｓｕｒｅｍｅｎｔ
图１檗变反应速率测量实验排布
３实验结果及分析
３．１聚变反应历程测量结果
利用新研制的聚变反应速率测量系统对聚变反应速率进行了测量，对于烧蚀层厚度分别为９，１３和１６“ｍ的靶，测量结果如图２所示，记录图中上半部分为闪烁体发光信号，下半部分为时标脉冲序列，脉冲间隔为５００ｐｓ。从图２中可观察到随着ｃＨ烧蚀层厚度的增加，闪烁体发光信号与时标光信号的时间关系也随之改变。
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图２聚变反应历程测量信号
３．２聚变反应速率
实验中条纹相机记录到的发光信号与聚变中子信号和塑料闪烁体有关，为中子发射时间过程与闪烁体响应时间的卷积。聚变反应历程包含在发光信号的上升前沿中，为获得聚变反应历程，需对上升沿信号去卷积。由于闪烁体发光的上升时间约为２０ｐｓ，衰减时间常数约为１．２ｎｓ，发光上升时间远小于衰减时间，而聚变反应的持续时间很短，为１００～２００ｐｓ，因此信号的去卷积过程可近似处理为去叠加。假设记录图上第ｉ个像素点的强度为％对应的中子强度为”。，闪烁体发光呈指数衰减，衰减时间常数为ｒ，可利用式（３）进行去卷积，得到中子强度随时间的变化过程，从而得到聚变反应历程。
ｎ。＝日一∑叩ｘｐ（！孚）‘ｒＩ（３）
Ｊ—Ｏ
聚变反应历程反映了中子数随时间的相对分布，聚变反应速率与记录到的中子数呈比例关系，根据ｃｕ活化法测得聚变反应期间的中子总产额与聚变反应历程在时间上的积分可得到比例系数，从而得到聚变反应速万方数据
第８期彭晓世等：惯性约束聚变反应速率测量
率随时间的分布，如图３所示。由图３可知，在当前的实
验条件下，聚变反应速率峰值约为１０２０／ｓ，反应持续时间
约为１２０
３．３ｐｓ。！ｍ＿：闪烁体衰减时间常数对信号还原的影响
闪烁体发光一般按负指数规律进行衰减”“，其发光！ｉ
：
ｉ强度为ｆ（ｆ）一是ｅｘｐ（一￡／ｒ）（４）
式中：，（￡）为闪烁体发光强度；女为相对归一化系数；ｒ为
衰减时间常数。
ＥＪ２３２塑料闪烁体发光衰减时间远大于发光上升时
间。因此实验中测得的信号后沿与闪烁体发光衰减按同
样的负指数规律进行，根据发光信号后沿不同时刻的强
度值即可求得闪烁体衰减时间常数，其表达式为
Ｉｎ［，（ｆＩ）／，（ｆ：）］一（￡２一￡１）／ｒ（５）Ｆｉｇ．３ｔｌｍｅ，ＤｓＦｕｓｌｏｎｒｅａｃｔＩｏｎｒａｔｅｃｏｒｒｅｓｐｏｎｄｌｎｇｄｌｆｋｒｅｎｔｔ拓ｃｋｎｅｓｓｏｆＣＨ５ｈｅｌＪｔｏ图３不同ｃＨ层厚度对应的聚变反应速率
对测得的发光信号后沿进行处理，利用式（３）计算得
到的闪烁体衰减时间常数为１．ｏ～１．３ｎｓ。为检验闪烁
体衰减时间常数对信号还原的影响，分别假设ｒ为９００，
ｌ０００，１；；、１００，１２００，１３００和ｌ４００ｐｓ。对其中一发实验ｉ
一信号进行处理得到不同衰减时间常数下的还原信号如图
４所示。由图４可知，由于闪烁体发光响应和聚变反应
时间均远小于闪烁体发光衰减时间，在一定时间范围内
（９００～１４００ｐｓ），闪烁体衰减时间常数对信号还原的影
’％４Ｃ。…ｐａｒ１５０ｎｏｆｓｌｇｎａｌｐｒｏｃｅｓｓｅｄｂｙ响可以忽略。
３．４信号处理方法检验ｄｌｆｆｅ一【ｄｅｃ８ｙｔｌｍｅ图４不同衰减时问常数还原结果比较
当前的实验信号较弱，信噪比较差，因此在进行数据处理时，首先对原始信号进行滤波以去除信号中的高频噪声。然后根据式（５）得到的闪烁体的衰减时间并利用反卷积程序得出对应的聚变反应历程信息。
为检验数据处理过程的准确性，比较原始信号与滤渡信号以观察滤波误差，结果如图５（ａ）所示。由图可知，通过滤渡有效去除了原始信号中的高频噪声，得到了所需的光滑上升前沿。在信号还原所需的上升沿时间范围内，滤波信号与原始信号基本重合。得到滤波信号后，对滤波信号的上升沿进行反卷积处理即可得到聚变反应历程波形（还原信号）。反卷积程序的准确性可通过逆运算进行检验。比较还原信号与负指数衰减函数的卷积与滤波信号的上升沿，处理结果如图５（ｂ）所示，由图可知，上述两者完全重合，说明程序是准确的。
Ｆｌｇ５ＣｏｎｌＰａｒｌｓｏｎｏｒｏｒｌｚＩｎａｌｓＩｇｎａＩａｎｄｐｒ…ｓｓｅｄｓｌｇｎａ【
田５原婧信号与经处理后的信号比较
３．ｓ系统的时间分辨力
影响系统时间分辨力的主要因素有：由中子能量弥散导致的中子飞行时间弥散、闪烁体厚度、光学成像系统的时间弥散和光学条纹相机时间分辨。对于在聚变反应同一时刻产生的中子，因等离子体中离子的热运动万方数据
２２００强激光与粒子柬第２３卷使中子能谱出现多普勒展宽从而导致的时间弥散△幻可表示为［６］
ｆ７７８１
△打。｛１
行时间弥散小于１０ｐｓ。２２７￣／Ｔ×ｄ｛ＤＴ一ｆＤＤｎｅｕｔｒｏｎ１ｎｅｕｔｒ。ｎ７‘６’式中：△￡Ｔ是半高宽（ＦｗＨＭ），单位为ｐｓ；ｄ为靶点距离探测器的距离，单位为ｍ；丁是等离子体离子温度，单位为ｋｅＶ。本系统‘的工作距离为２ｃｍ，实验中等离子体温度小于４ｋｅＶ，由式（６）可知中子能量弥散导致的飞
系统的时间分辨力还与闪烁体厚度有关。由于闪烁体厚度引入的时间弥散为
＆ｚ２焘㈤
式中：△ｚ为闪烁体厚度；Ｅ和ｍ分别为中子能量及中子质量。本系统中所用的闪烁体厚度为１ｍｍ，由式（７）可知，由于闪烁体厚度引入的时间弥散小于２０ｐｓ。
光学成像系统的时间弥散和光学条纹相机时间分辨力分别优于１０ｐｓ和１５ｐｓ，综合上述因素可知全系统的时间分辨力优于３０ｐｓ。
４结论
聚变反应历程包含峰值压缩时刻的相关信息，可用于测量聚变过程的许多特性参数。利用新研制的聚变反应历程测量系统对ＩＣＦ实验中聚变反应的时间过程进行了测量。由于该测量系统采用了超快闪烁体（上升沿小于２０ｐｓ）并利用条纹相机进行记录，因此具有更高的时间分辨力。在神光Ⅲ原型装置上通过实验对其进行了考核，在ＤＴ中子产额约为１０１０条件下首次获得了聚变反应速率随时间的变化过程。对影响聚变反应速率测量的相关因素进行了详细分析，结果表明系统的时间分辨力优于３０
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ｒａｔｅｔｒｉｔｉｕｍｆｉＩｌｅｄｔａｒｇｅｔｓｗｉｔｈ
ｕｒｉｎｇ．ｎｅｔｒｏｎｓｙｉｅｌｄｓａｂｏｕｔ１０１０．Ｗｅｈａｖｅａｎａｔｏｍｉｚｅｄｐｏｓｓｉｂｌｅｉｎｆｌｕｅｎｃｅｆａｃｔｏｒｄｕｒｉｎｇｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎａｔｍｅａｓ—１ｔｉｎｄｉｃａｔｅｓｔｈａｔｔｈｅｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｍｅａｓｕｒｅｓｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｂａｎｇｔｉｍｅ
ｉｎｅｒｔｉａｌｃｏｎｆｉｎｅｍｅｎｔｆｕｓｉｏｎ；ｆｕｓｉｏｎｒｅａｃｔｉｏｎｒａｔｅ；ｔｅｍｐｏｒａｌｒｅｓｏＩｕｔｉｏｎｓａｓｌｏｗａｓ３０ｐｓ．ｎｅｔｒｏｎ１‘ｅｙｗｏｒｄｓ：ｔｈｅｒｍｏｎｕｃｌｅａｒｆｕｓｉｏｎ；ｓｔｒｅａｋｃａｍｅｒａ；万方数据
惯性约束聚变反应速率测量
作者：彭晓世， 王峰， 唐道润， 刘慎业， 黄天晅， 刘永刚， 徐涛， 陈铭， 梅雨， Peng Xiaoshi，
Wang Feng， Tang Daorun， Liu Shenye， Huang TianXuan， Liu Yonggang， Xu Tao， Chen Ming
， Mei Yu
中国工程物理研究院激光聚变研究中心,四川绵阳,621900
强激光与粒子束
High Power Laser and Particle Beams
2011,23(8)
2次作者单位：刊名：英文刊名：年，卷(期)：被引用次数：
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