ICF装置靶场关键材料的辐照效应研究进展.pdf

光学元件激光损伤综述ICF 装置靶场关键材料的辐照效应研究进展*冯青屹1，祖小涛1，刘春明1，黎波1，孙莉杰1，吴钰铃1，向霞1，袁晓东2，邓洪祥1，李莉1，于景侠1，徐世珍1，郑万国2（1.电子科技大学物理学院，成都611731；2.中国工程物理研究院激光聚变研究中心，四川绵阳621900）摘要：从惯性约束聚变（ICF）装置中靶场关键材料易受辐照损伤、从而限制材料使用寿命和装置稳定运行的现实问题出发，总结归纳了有关不锈钢、铝合金、终端光学组件三大类靶场关键材料的辐照效应研究进展，详细介绍了靶室内高能中子束、射线、X 射线等高能粒子和射线引起靶室第一壁材料出现烧蚀、中子活化等辐照损伤问题，以及靶室环境对关键材料的影响和防护处理。此外，还阐述了打靶试验中所产生的复杂辐射环境、基频与三倍频激光对靠近靶室的终端光学组件所产生的各类辐照损伤现象和相关作用机理。关 键 词：惯性约束聚变；高功率激光；靶场材料；辐照效应；损伤机理中图分类号：TL632+.1文献标志码：Adoi:10.11884/HPLPB202335.230007ProgressofresearchonirradiationeffectsinkeymaterialsinICFfacilitiesFengQingyi1，ZuXiaotao1，LiuChunming1，LiBo1，SunLijie1，WuYuling1，XiangXia1，YuanXiaodong2，DengHongxiang1，LiLi1，YuJingxia1，XuShizhen1，ZhengWanguo2（1.School of Physics,University of Electronic Science and Technology of China,Chengdu 611731,China;2.Laser Fusion Research Center,CAEP,Mianyang 621900,China）Abstract：Thekeymaterialsnearthetargetchambersufferfromradiationdamageinthelaser-driveninertialconfinementfusion(ICF)facility,whichlimitsthelifetimeofmaterialsandstableoperationofICFfacility.Thisreviewsummarizestheprogressofresearchonirradiationeffectsofthreemajortypesofkeymaterialsinornearesttothetargetchamber:stainlesssteel,aluminumalloy,andfinalopticsassembly.Theablationandneutronactivationoffirst-wallmaterialsinthetargetchambercausedbyneutronbeam,-ray,X-rayandotherhigh-energyparticlesareintroducedandtheimpactofthetargetchamberenvironmentonthematerialsandcorrespondingprotectivestrategyareanalyzedindetail.Inaddition,variousradiationdamagephenomenaandrelateddamagemechanismsofthefinalopticsassemblynearthetargetchamberunder1laser,3laser,andthecomplexhigh-energyradiationenvironmentarealsoelaborated.Hopefully,thisreviewcanprovideareferencefortheconstructionanddevelopmentoflaser-drivenICFinChina.Keywords：inertialconfinementfusion,highpowerlaser,targetchambermaterials,irradiationeffect,damagemechanism对激光驱动惯性约束聚变装置来说，聚变反应发生的场所靶室，是一个非常重要且复杂的子系统1-6。美国国家点火装置（NIF）的靶球是用低活化能的铝合金（Al-5083）材料做成的内径 5m、壁厚 10cm 的球体，其质量达118000kg，90%的靶室内表面被第一壁材料和光束吸收器所覆盖，剩余 10%是终端光学组件和诊断装置的窗口，NIF 共有 192 束激光，每 4 束一组，共分为 48 组，因此有 48 个终端光学组件（相应有 48 个终端光学组件的窗口，此外，为了匹配直接驱动的需求，还有 24 个备用窗口，这 24 个备用窗口采用厚度 3540mm 的铝合金密封）。靶室内还有近 100 个各种诊断检测仪器、真空泵、靶定位器、靶准直器等7-8。类似地，法国激光兆焦耳装置（LMJ）的靶球同样采用铝合金（Al-5657）材料。*收稿日期：2023-01-11；修订日期：2023-05-18基金项目：国家自然科学基金委-中国工程物理研究院联合基金重点项目(U1830204)；国家自然科学基金青年基金项目(12105037)联系方式：冯青屹，。通信作者：祖小涛，；郑万国，wgzheng_。第35卷第9期强激光与粒子束Vol.35，No.92023年9月HIGHPOWERLASERANDPARTICLEBEAMSSep.，2023091001-1临近靶室的终端光学组件（FOA）是一套复杂精密的光机单元，该系统主要任务是把主振荡器产生、经预放大系统放大和主激光系统传输的 104J 级激光脉冲波长从 1053nm 转换至 351nm，并聚焦至靶室靶点，从而获得 GW/cm2以上的聚焦功率密度9。FOA 由多种光学元件集合而成10，主要有基频相位板、真空窗口、频率转换晶体、楔形聚焦透镜和屏蔽片等10-11。其中，磷酸二氢钾（KDP）晶体和磷酸二氘钾（DKDP）晶体被用于偏振匀滑器件和频率转换，频率转换通常由一块 KDP 二倍频晶体和一块 DKDP 三倍频晶体构成；而其他光学元件，如屏蔽片、聚焦透镜等，则由熔石英元件构成。这些透射元件表面都镀有厚度约/4 的溶胶凝胶减反膜（简称化学膜），均是通过提拉法或旋涂法从二氧化硅溶胶中制备而来，膜层为约 50%孔隙率的多孔结构，其有效折射率为 1.23 左右，以保证元件对激光的透过率在 99.5%以上。对于高功率激光装置中临近靶室的关键材料第一壁（不锈钢、铝合金）和终端光学组件来说，除了受到高功率基频（1）与三倍频（3）激光的辐照外，还将遭受靶室内产生的高能中子束、射线、X 射线、离子束等高能粒子和射线的辐照，而其中最为重要的是终端光学组件中光学元件的激光损伤问题，已经成为限制高功率固体激光装置发展和聚变实现的核心问题12。然而，提高光学元件的激光损伤阈值和使用寿命的工作是艰巨的，世界各国研究人员在该领域进行了长达数十年不间断的研究。虽然在提升元件损伤阈值方面取得了令人瞩目的成果，但仍未能达到聚变装置运行的实际通量。面对靶场关键材料的辐照损伤现状，本文以我国高功率激光驱动惯性约束聚变系统对关键材料的负载能力要求为牵引，以第一壁材料（不锈钢、铝合金），以及熔石英、KDP/DKDP 倍频晶体和光学薄膜几种光学材料为对象，综述了近几十年与这几种材料相关的高能粒子、射线以及激光辐照损伤问题及物理机制研究工作。针对第一壁材料的选材和辐照损伤问题进行介绍，然后对倍频晶体、熔石英和化学膜的辐照损伤物理机制与特性进行总结。1第一壁材料激光与高能辐照损伤图 1 为美国 NIF 的靶球的具体构成7-8，靶球由 Al-5083 材料做成，90%的靶室内表面被第一壁材料和光束吸收器所覆盖。作为抵挡聚变产生高能射线的第一道防线，第一壁材料需要能够抵御直接的高能辐照，从而保护激光驱动装置中的核心元件以及工作人员。因此，第一壁材料的抗辐照损伤性能对于装置的稳定运行以及人员的安全polar DIM for afuture VISARNIF targetchamber90-315DIMquad of drivelaser beam linesequatorialDIM with firstinstalled VISAR(90-45 port)(a)appearance and composition of the target chamber(b)target positioner(c)final optics assembly(FOA)(d)the first wall made of stainless steelFig.1NIFtargetchamber7-8图1NIF 靶球7-8强激光与粒子束091001-2至关重要。1.1第一壁材料选择判据激光驱动惯性约束核聚变装置在激光打靶的时候，靶室材料会受到激光束、中子束、X 射线、射线、离子束、碎片、弹片等的辐照或冲击，进而被活化或烧蚀，烧蚀产物会沉积在终端光学组件的屏敝片上，使屏蔽片在后续激光的作用下发生损伤。因此，NIF 对屏蔽片上的污染量做了相关要求，即容许每发沉积在屏蔽片上的污染为1g/cm213。除此之外，终端光学组件中昂贵的熔石英透镜及倍频 KDP 晶体也会受到穿透性的中子束、射线的辐照，产生缺陷，降低元件使用寿命1。由于铝合金材料具有低活化能，因此被用作靶室材料，但铝合金的 X 射线烧蚀非常严重，因此必须对靶室内壁进行保护，这种保护材料被称为第一壁材料2。图 2表明了靶室第一壁材料和终端光学组件面临的主要威胁。NIF 要求靶室第一壁材料必须承受强 X 射线、杂散光、靶碎片、弹片冲击而不产生大量的蒸汽或粒子，以免严重污染终端光学组件的屏蔽片或其他组件；不能在抽真空时有严重的出气现象；此外，在强中子束的作用下不能有严重的活化，且必须能够用干冰或其他的方法进行洁净处理，以除去碎片和氚污染；最后，第一壁材料的成本也必须在可承受范围14，这些要求对材料提出了挑战。LMJ 也在报告中指出，在激光打靶时，靶室内壁会受到强中子束和 X 射线的辐照，靶室材料会被活化和烧蚀，为了减少放射性废物且抑制烧蚀，可以选择低原子序数、低活化能的材料来保护靶室，以降低中子活化；对 X 射线的耐熔度要高，以减少 X 射线引起的烧蚀；具有良好的力学性能，能承受住来自碎片和弹片的冲击；还需具有良好的抗紫外激光损伤性能15。NIF 起初设计的第一壁材料是由固定在靶室内部的面积 1m1m 的平板组成，这些平板可以拆卸、清洁和更换，平板可以纯粹由第一壁材料制成，或将第一壁材料镀在或链接到不锈钢板或铝板上。从价格上考虑，涂层是最好的选择，第一壁材料的涂层厚度为 200500m，另一个重要指标便是其孔隙率。对第一壁材料的性能测试主要包括中子活化、冲击试验、干冰洁净、X 射线烧蚀、基频和三倍频激光辐照、真空出气、第一壁材料污染引起的光学元件激光损伤等。就目前掌握的资料而言，第一壁材料的热-力学疲劳问题还没有很好地解决，粒子束对第一壁材料的影响还有待系统深入研究。虽然 NIF 在激光器设计建造、靶丸设计制造和终端光学组件的研究上取得了重要的进展，但靶室第一壁材料的研发仍然是一个巨大的挑战16。1.2第一壁材料损伤来源1.2.1X 射线烧蚀对第一壁材料的主要危害来自 X 射线辐照，若第一壁材料被烧蚀 0.1m 的话，整个 10m 直径靶室的材料将会烧蚀 30cm3，这对终端光学组件是潜在的巨大危险。对第一壁材料而言，一个主要的评价指标是 X 射线的沉积深度，这就需要原子序数小的材料，同时材料应该具有高熔点或沸点以减少烧蚀和汽化。这些要求将可选范围限制在 B、B4C、C、SiC、Si3N4、SiO2、A