激光驅(qū)動(dòng)實(shí)驗(yàn)中1~10keVX射線成像是成熟的診斷等離子體的技術(shù)。本文為提供這樣的X射線源，設(shè)計(jì)了ARC系統(tǒng)，與現(xiàn)有的NIF納秒光束同時(shí)運(yùn)行。
ARC總結(jié)構(gòu)
在國家點(diǎn)火裝置中，ARC48八路可用光路中的一束四簇光束進(jìn)行轉(zhuǎn)換。一個(gè)NIF光束近場口徑為35cm×35cm。壓縮光柵工藝極限，促使我們將一束NIF光束用一條細(xì)小狹縫分割成兩個(gè)子口徑或者子光束。因此，一束四簇光束轉(zhuǎn)換成為8束ARC子光束，所有子光束都能夠在靶室中心獨(dú)立定時(shí)定位。
NIF主激光器和大口徑放大器基本不變，當(dāng)一個(gè)2ns FWHM正啁啾展寬脈沖以半焦耳能量注入主激光放大器，在主激光輸出口產(chǎn)生3kJ能量，主激光器B積分小于1.8rad。該方案擁有最大的靈活性，靶室允許僅長脈沖打靶，或僅ARC打靶，或188路長脈沖與8束ARC子光束組合運(yùn)行。
圖1ARC光纖前端的布局圖
為了將一組四簇光束轉(zhuǎn)換為8束拍瓦子光束，對四各主要硬件修改或者補(bǔ)充進(jìn)行了設(shè)計(jì)、建造和測試。NIF集成計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)也進(jìn)行了更新，第二個(gè)主要軟件升級是我們的激光性能操作模式(LPOM)。
短脈沖前端
目前ARC采用了匹配NIF前端特性的全光纖前端。在這級中前端分成兩個(gè)獨(dú)立的光纖光束，產(chǎn)生獨(dú)立的A、B脈沖作為ARC子光束的種子。脈寬控制器(PWCs)調(diào)整網(wǎng)絡(luò)系統(tǒng)的色散。PWCS允許1~50ps范圍內(nèi)任意調(diào)整到靶脈寬以滿足不同實(shí)驗(yàn)
需求。A、B脈沖之間小的延遲可以在PWCs中轉(zhuǎn)換級上用一個(gè)后置棱鏡獲得，大的延遲可以增加光纖跳線獲得。ARC光纖前端產(chǎn)生兩個(gè)可調(diào)延遲和色散的展寬脈沖作為ARC鏈的種子。
寬帶預(yù)放大器與光束注入系統(tǒng)
ARC前端兩個(gè)光纖輸出A、B，作為稱為兩個(gè)相同的再生放大器種子，再生放大器與NIF的再生放大器相似。再生放大器輸出脈沖放大了10倍，整形和合并稱為一個(gè)單孔徑或者ARC分裂光束。這些整形脈沖被ARC預(yù)放模塊的多級棒狀放大器(MPA)放大。一診斷包(輸入傳感器包，ISP)測量MPA輸出的能量，功率，進(jìn)場圖樣，及頻譜。在前端A、B脈沖和四個(gè)伸縮臂的延遲組合能夠在靶上產(chǎn)生8束時(shí)間的脈沖，為各項(xiàng)試驗(yàn)提供一個(gè)動(dòng)態(tài)X射線診斷。這四束ARC分裂光束成為四條NIF放大鏈種子，產(chǎn)生KJ展寬脈沖進(jìn)入8個(gè)ARC壓縮器和終端光學(xué)中。
為靶后方散射增加激光系統(tǒng)彈性
系統(tǒng)增強(qiáng)了靶向后散射激光與主放大器之間的隔離。NIF大體積等離子體產(chǎn)生后方散射，不能精確了解小F數(shù)情況。這就是我們保護(hù)注射反射鏡和前段的原因。通過設(shè)計(jì)，ARC光路的每路子光路能夠承受以可接受角度的紅外反向散射能量是50J。
ARC終端光學(xué)系統(tǒng)和診斷系統(tǒng)
當(dāng)NIF系統(tǒng)正常打靶時(shí)，千焦耳的ARC四簇激光束通過一系列大反射鏡的NIF轉(zhuǎn)換場注入靶室前端。當(dāng)ARC打靶時(shí)，反射鏡滑入導(dǎo)引光束進(jìn)入兩個(gè)大型真空室中，真空室內(nèi)放置八個(gè)四光柵，折疊壓縮器，壓縮放大的啁啾脈沖到皮秒寬度。每格真空室內(nèi)包含兩層四組壓縮器。圖2顯示了其中一層的水平布局。
圖2一對分裂光束(A與B)的ARC壓縮器俯視圖
千焦耳級展寬脈沖調(diào)試結(jié)果
ARC子系統(tǒng)已經(jīng)離線調(diào)試，進(jìn)行了一系列專門測量或驗(yàn)收測試。ARC主激光器全系統(tǒng)調(diào)試是進(jìn)行了系列發(fā)射打靶，系統(tǒng)安全傳輸和放大2ns、100JARC展寬脈沖至1.5kJ每子光束至大口徑NIF放大器的輸出，同時(shí)追蹤監(jiān)控所有光束質(zhì)量參數(shù)(能量、近場剪切或調(diào)制、時(shí)空形狀和波前)和得到與標(biāo)志發(fā)射模型分析一樣的結(jié)果。
圖3四次OSP測量子光束A與子光束B脈沖形狀(測量用彩色實(shí)線，模擬結(jié)果為黑色虛線)
為設(shè)計(jì)建模的主要工具，ARC調(diào)試與操作是一個(gè)光線追跡代碼類似FRED和基于傅里葉衍射代碼像VBL和MIRó的組合，分別由LLNL與法國CEA開發(fā)。建模之后，仿真結(jié)果和調(diào)試結(jié)果進(jìn)行了比較。對于這次調(diào)試中的激光發(fā)射，模型沒有為匹配短脈沖運(yùn)行而再優(yōu)化，預(yù)期輸出能量偏差為4%~5%而標(biāo)準(zhǔn)偏差為1%。在圖3的功率曲線比較表明模型正確預(yù)測了大口徑NIF放大器在時(shí)間頻譜域和空間域的光譜窄化和飽和。
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