400 mm口径片状放大器增益性能退化研究及维护策略.pdf

大科学装置运维400 mm 口径片状放大器增益性能退化研究及维护策略*刘勇，吴文龙，陈文棋，林东晖，熊迁，王琳，王振国，陈林（中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900）摘 要：400mm 口径片状放大器增益性能退化是国内外惯性约束聚变（ICF）激光装置长期运行所面临的主要问题之一，直接影响激光装置的输出能力与光束质量。对造成片状放大器增益退化的因素开展了分析，建立了各因素的归一化理论分析模型，并利用 2 组九片长的 400mm 口径 42 组合式片状放大器系统开展了实验研究，无维护策略条件下经过 10 年、3000 发次运行后增益性能平均退化了 10.2%，符合理论预期。以此制定了大口径片状放大器的维护策略，实现了系统长期的增益性能退化率优于 1.5%，满足 ICF 激光装置长期运行要求。关 键 词：惯性约束聚变；片状放大器；增益退化；维护 中图分类号：TN248.1文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.220363Gain degeneration and maintance project of 400 mm aperture disk amplifierLiuYong，WuWenlong，ChenWenqi，LinDonghui，XiongQian，WangLin，WangZhenguo，ChenLin（Laser Fusion Research Center,CAEP,Mianyang 621900,China）Abstract：Oneofthemainproblemsoccurduringinertialconfinementfusion(ICF)laserfacilityslong-termoperationisthegaindegenerationofthe400mmapertureslabamplifier,whichwillaffecttheoutputofthefacilityandthelaserbeamquality.Astudyongaindegenerationcausingbyseveralfactorswascarriedoutandanormalizationtheorymodelfromallthefactorshasbeenbuilt.Thetestwasaccomplishedontwogroupsof400mmaperture,42compositionmulti-segmentslabamplifierwitheachgroupincludes9slabs.Thegaindegeneratingratewasabout10.2%after10years,3000shotsofworkwhichisinaccordancewiththetheoreticalpredication.Amaintanceprojectforthelargeapertureslabamplifierhasbeendrawnuptokeepthegaindegenerationlessthan1.5%duringlong-termoperationoftheICFfacility.Key words：inertialconfinementfusion,slabamplifier,gaindegenerate,maintance2022 年末，随着劳伦斯利弗莫尔国家实验室（LLNL）宣布美国国家点火装置（NIF）首次实现能量净增1，惯性约束聚变（ICF）研究领域再度成为举世关注焦点。研制大型可靠的激光驱动器，是实现 ICF 目标的基本条件。目前，国际上具有代表性的用于 ICF 研究的高功率激光装置，除了 NIF，还有法国兆焦耳装置（LMJ）2等。为了获得所需要的巨大能量，NIF 和 LMJ 均采用了氙灯泵浦钕玻璃片状放大器作为主放大系统。片状放大器提供了装置超过 99%的能量与功率3，其增益性能对装置在非线性 B 积分受限与储能受限条件下 1053nm 激光输出能量与功率的上限以及光束质量有重要影响4，其增益性能退化则是 ICF 激光装置长期运行所面临的主要问题之一5。ICF 激光装置的激光束数多达几十束、甚至几百束，比如美国 NIF 装置激光束数为 192 束，包括了约 10000 台能源电容器、约 8000 支氙灯、约 3000 片钕玻璃片、约 1500 件隔板玻璃，以及数万件镀银聚光反射器，更换维护周期长达数年且花费巨大。因此准确预测以上器件局部性能下降对装置增益性能的退化影响并制定合理的维护策略对保障装置长期稳定运行尤为关键。本文对造成片状放大器增益退化的因素开展了分析，建立了各因素的归一化理论分析模型，并利用两组九片长的 400mm 口径 42 组合式片状放大器系统开展了实验研究，无维护策略条件下经过 10 年、3500 发次运行后增益性能平均退化了 10.2%，符合理论预期。以此制定了大口径片状放大器的维护策略，该策略使系统长期的增益性能退化率1.5%，满足 ICF 激光装置长期运行要求。*收稿日期：2023-01-09；修订日期：2023-08-10联系方式：刘勇，。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35，No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.，2023092001-1 1 增益退化理论模型及实验目前 NIF、LMJ 以及国内 ICF 激光装置采用的片状放大器均为 400mm 口径 42 组合式片状放大器，其结构为高度方向为四片钕玻璃片叠加，形成四个通光子口径，宽度方向有两个通光子口径，总共八个口径形成 42 的一个束组通光结构，氙灯从两侧对钕玻璃片进行泵浦，如图 1 所示。钕玻璃尺寸为 810mm460mm40mm，与光束呈布儒斯特角放置，每个子口径均可提供 400mm400mm 的正方形通光口径。LM1LM3LM2mainamplifierpoweramplifiertransportspatialfilterPEPCcavityspatialfilterpolarizerLCRLCRLM4-8diagnosticbeam splittertarget chambercentermulti-segment slabamplifierlaserPA-1MA-1 MA-2 MA-3 MA-4 MA-5 MA-6 MA-7 MA-8 MA-9 MA-10 MA-11PA-2 PA-3 PA-4 PA-5 PA-6 PA-7power amplifierflashlampsslabslasermain amplifierside cassettemiddlecassettetop&bottomreflectorNd glassNd glass4 Nd glass slabsalong vertical orientof amplifier(b)amplifier(a)ICF laser facilityFig.1SchematicoftheICFlaserfacilityandtheamplifier图1ICF 激光装置及 400mm 口径片状放大器示意图大口径片状激光放大器增益储能的能量传递转换的过程如图 2 所示，脉冲氙灯通过辐射发光将能库储能转换为钕玻璃片吸收带内泵浦能量，并通过放大器腔体反射器将泵浦光传输到钕玻璃片对其进行泵浦，钕玻璃片吸收泵浦能量后通过量子亏损、Stokes 效率转换、放大自发辐射（ASE）效应等过程最终转换为钕玻璃的上能级储能；部分泵浦能量则沉积于灯管、隔板玻璃、钕玻璃片内成为废热。bankenergyuseful emissionuseless emissionemission in abs-orption spectrumof gain mediumemissionabsorbedby gain mediumenergy stored onupper energy levellaser energypumping sourceefficiencycavitytransmissionefficiencyabsorptionefficiencyStokesefficiencyoverlapfactorextractionefficiencyflashlampthermalradiationuseless opticalradiationtube,blastshieldand cavity thermalblastshield and gainmedium thermalFig.2Thepassofenergyoflargeapertureslabamplifier图2大口径片状放大器增益储能能量传递转换过程片状放大器增益退化的环节包括能库储能、氙灯电光转换、泵浦腔传输、钕玻璃吸收及上能级转换等四个方面。具体为能源组件电容值、氙灯电光转换效率、隔板玻璃透射率、侧灯箱渐开线聚光反射器的反射率、中灯箱菱形反射器的反射率、片箱顶部与底部聚光反射器的反射率、钕玻璃表面潮解及包边剩余反射率等。初始能源储能 E0、电流密度特征参数 j 等如下强激光与粒子束092001-2E0=0.5CV2=12ldfXC3=0.1E02K40K0=1.27ld(p450)0.2L=29Cj=0.52E0L/(d2)2（1）式中：C 为回路电容值；V 为回路工作电压；l 为氙灯串联回路弧长；d 为氙灯内直径；为泵浦放电脉宽；fX为氙灯爆炸系数；p 为氙灯气压；K0为氙灯特征值；L 为回路电感值。该环节造成增益退化的因素主要是电容器的电容值下降导致能源储能降低，但由此氙灯串联回路的电流密度特征参数会下降带来氙灯辐射光谱中可被钕玻璃吸收的比例上升。氙灯电光转换环节，首先，根据 MEH 理论6，通过求解完整的电路方程组得到氙灯串联回路中的电流脉冲波形；然后，由 Trenholme-Emmett 理论7-8可求得氙灯辐射光谱的时间-功率分布，如图 3 所示。但上述理论仅能针对理想情况下的氙灯放电开展计算，随着脉冲氙灯运行发次的增加，有以下问题：（1）掺铈的氙灯管材透过率将逐渐降低；（2）电极的阴极喷溅导致其电子逸出功增大，电光转换效率降低；（3）大口径氙灯慢漏气导致内部氙气纯度降低也会导致电光转换效率降低。以上问题会导致增益性能退化的因素，目前尚无完整的理论模型进行描述。在泵浦腔传输环节，隔板玻璃透射率、侧灯箱渐开线聚光反射器的反射率、中灯箱菱形反射器的反射率、片箱顶部与底部聚光反射器的反射率等性能退化均会导致增益性能的下降，但各部分对泵浦腔传输效率的影响权重存在差异。4F3/24F3/2/1.053钕玻璃上能级转换环节，钕离子吸收谱有 5 个吸收峰，其吸收谱如图 4 所示，钕离子以上的能级为泵浦吸收带，吸收氙灯光后将在几纳秒至几十纳秒内通过无辐射跃迁迅速弛豫到能级。钕玻璃泵浦效率如式（2）所示，而激发态储能则要考虑到斯托克斯损耗（以来表示，其中 为泵浦光子波长）。Nd_abs=1.0 mw0.4 m1.053Dexp()D PLamp_pPLamp_td（2）式中：Nd_abs为钕离子吸收效率，()是 Nd3+吸收谱，Plamp_p为钕离子泵浦吸收带内氙灯的光谱功率，Plamp_t为氙灯总辐射谱的光谱功率，D 是片厚度。泵浦功率对时间段 t 积分即可获得钕玻璃片内的初始储能密度 Est(x,y,z)与初始小信号增益系数 g0(x,y,z)，即Est(x,y,z)=twt+ttPr(x,y,z,t)dt（3）g0(x,y,z)=Est(x,y,z)h（4）式中：Pr为泵浦功率，为激光材料辐射截面，h 为普朗克常数，为激光频率。8060402001.00.90.80.70.60.50.4 0100300500700pump time/sspectrum/moptical emission band inpump source/(kWcm2)Fig.3Emissionspectrumofflashlamp