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、Al2O3、MgAl2O4等材料上，没有考虑 Be 是因为 Be 会造成环境、健康、安全等问题。正如理论预测的那样，实验上发现 B、B4C、C 及其化合物的抗烧蚀能力最强，SiC 次之。由于受热开裂或其他原因影响，精确测量材料的烧蚀量比较困难，尽管如此，仍能预估在 20MJ 的点火情况下，B、B4C 材料的烧蚀率仅为每发 0.01m，C、SiC 稍大，SiO2的烧蚀率约为每发 0.02m；Si3N4的烧蚀很严重，这是因为 Si3N4被热分解为氮气分子和硅原子。虽然上述大部分材料的抗 X 射线烧蚀能力不错，但其涂层材料的测试结果并不如意，当 X 射线能量低于 1J/cm2时，对块材 B、B4C 材料几乎没有明显作用，但等离子体喷涂 B 和 B4C 涂层则有明显的表面熔化，其抗烧蚀性能明显减弱。一个更为重要且尚未弄清的现象是不同公司生产的热压 B4C 的热开裂行为不一致14。对于铝合金，其 X 射线烧蚀比上述材料严重，图 3（a）、（b）、（c）为理论计算（计算所用 X 射线参数：脉宽 1ns、target andnear componentsshrapnelshrapneldebrisdebrisneutronsneutronsX-raysX-raysopticsSiO212 J/cm2particlesvaporfirst walllaser 3rm/rmFig.2MainthreatsfacedbyfirstwallandFOAofthetargetchamber2图2靶室第一壁材料和终端光学组件面临的主要威胁2冯青屹，等：ICF 装置靶场关键材料的辐照效应研究进展091001-3250eV 黑体谱）与实验研究（在 Nova 装置中进行）结果17，作为对照，图中列出了熔石英和 B4C 数据。对熔石英材料而言，烧蚀方式以蒸发为主；B4C 以热应力或热冲击为主；铝合金以液体喷溅物为主，这可能由于表面材料的沸腾所致。图 3（d）是 409 不锈钢和上述三种材料的 X 射线烧蚀实验结果18，其中所用 X 射线为 200eV 的黑体谱，可以看到，不锈钢材料的 X 射线烧蚀远低于铝（小 12 个数量级），与 SiO2相当，比 B4C 约大 10 倍。然而，考虑到不锈钢比 B4C 便宜，且不锈钢更易加工成百叶窗结构，如果由不锈钢烧蚀碎片污染引起的屏蔽片损伤与 B4C 相比不是太严重，那么用不锈钢百叶窗则更具优势。0.250.200.150.100.050.51.01.52.52.03.03.50ablation depth/mmeasuredvap modelvaporlzation(a)fused silica543211.01.52.02.53.00ablation depth/mmeasuredmelt remainingmeasured removalnova X-ray fluence/(Jcm2)(c)aluminum alloy10.10.011.0012341.52.02.53.03.50.001ablation depth/mpredicted melt depthpredictedvaporizationmeasuredremoval depthsX-ray fluence/(Jcm2)X-ray fluence/(Jcm2)(b)B4Cpredicted meltdepth104103102101101aluminum409stainlesssteelB4C(d)stainless steelmaterial removed/nmNova X-ray fluence/(Jcm2)Fig.3X-rayablationindifferentmaterialsinNova17-18图3NovaX 射线对不同材料的烧蚀情况17-181.2.2第一壁的激光损伤第一壁材料还会受到来自直接驱动实验的能量约 0.6J/cm2的三倍频杂散光或来自其他实验的较低能量的基频、三倍频光的辐照；此外，还可能将第一壁材料用作未转换基频光的吸收体，因此第一壁材料也会面临激光辐照损伤问题。NIF 在真空环境中开展了第一壁材料的基频和三倍频激光诱导损伤（LID）实验，激光损伤形貌与 200250eV黑体 X 射线引起的损伤类似。对 2.4ns 的 3 激光，当激光能量达到 0.5J/cm2时，全密度 B、B4C 和 SiC 已有明显的表面损伤，B 的损伤表现为轻微的热开裂，而 B4C 和 SiC 的损伤为熔融；当能量为 1J/cm2时，B 的热开裂更为严重，B4C 在该能量下为熔融损伤；当能量达到 1.5J/cm2时，B4C 出现热开裂损伤，SiC 以熔融损伤为主，没有明显的热开裂损伤。此外，对涂层也开展了激光损伤研究，在 0.25J/cm2的能量下，等离子体喷涂的孔隙率为 10%的 B4C 呈现出反射率改变和表面熔融，其反射率的变化大于块材，但没有观察到热开裂现象；C 也有类似的反射率变化，但没有明显的材料损失14。NIF 对第一壁材料也开展了激光损伤阈值（LIDT）测试，结果表明基频光的损伤阈值普遍高于三倍频光，因为材料对基频光的吸收系数更小。对于 B 和 B4C，基频损伤阈值是三倍频的 3 倍，在基频 3J/cm26ns，B 仅有微熔和个别裂纹，但能量达到 3.5J/cm26ns 或 4.7J/cm25.8ns 时，有严重裂纹。此外，第一壁材料的激光损伤阈值随脉宽增加而增大，当脉冲从 2.4ns 增加到 6ns 时，B、B4C、SiC 的 LIDT 增加约 20%，Al2O3增加约 50%。当能量达到强激光与粒子束091001-42.5J/cm22.4ns、3.5J/cm26ns 和 5.0J/cm25.8ns 时，热压 B4C 出现初始损伤，当能量再提高 1J/cm2时出现严重的裂纹和熔融；而等离子体喷涂的 B4C 在能量仅为 0.8J/cm22.4ns 时就有表面熔融和反射率改变。SiC 涂层在能量 1J/cm22.4ns 或 6ns 时就有熔融现象；当能量增加到 3.5J/cm2时，表面 10%的区域出现凹坑；当能量增加到5J/cm2时，表面基本布满了深度 12m 的凹坑。C 材料在能量 0.8J/cm22.5ns 时，就有反射率变化，当能量达到4J/cm2时出现烧蚀14。电子科技大学研究团队利用波长 1064nm、脉宽 8ns、频率 5Hz 的 Nd：YAG 激光器测试并分析了铝合金（Al-5083、Al-5657 和 Al-5052）及 409 不锈钢的质量烧蚀速率与激光能量密度、激光脉冲数的关系；分析了其烧蚀斑形貌，并测试了烧蚀深度同激光能量密度的关系19。结果表明，三种铝合金的烧蚀形貌相差不大。以铝合金 5083 为例，图 4 为其烧蚀形貌的三维图像，考虑到对称性，图中仅展示了 1/4 个烧蚀坑的显微形貌图，其激光能量密度分别为 1.23、2.51、3.12 和 4.96J/cm2，辐照脉冲数为 500 个。由图 4 可见，随着作用激光通量的增加，铝合金的烧蚀逐渐增强，深度不断加深，但烧蚀坑面积几乎没有扩大。形貌由最初的平缓状变成明显的烧蚀坑，并且形成波浪状，这是由于激光的冲击效应，材料表面快速地吸收激光脉冲能量造成热膨胀和巨大的应力梯度，熔融材料迅速蒸发，以及高温等离子体膨胀对材料的反冲压力等，导致样品变形，形成波浪状烧蚀坑形貌。由于实验采用的激光束的光强呈近高斯分布，中心具有更高的能量，光束能量与激光辐照产生的等离子体耦合增强，更加剧了中心的能量沉积。随着激光能量的增加，烧蚀中心区域呈凹陷烧蚀深坑19。8.950 m4.5430.1364.2718.67913.0917.4921.908.950 m34.82 m45.18 m45.18 m28.0911.016.07823.1640.2557.3474.4234.82 m24.4714.123.7616.59316.9527.3037.661 237.81 237.81 237.81 000.01 000.0500.0500.01 237.81 000.0500.01 000.0500.00 m0 m0 m0 m0 m0 m5001 0001 5001 5001 0005000 m0 m5001 0001 50029.95 m29.95 m21.1412.323.5085.30614.1222.9331.755001 0001 500(a)1.23 Jcm2(b)2.51 Jcm2(c)3.12 Jcm2(d)4.96 Jcm2ablation depth/mablation depth/mablation depth/mablation depth/mFig.4Three-dimensionalimagesofablationmorphologyonAl-5083irradiatedbydifferentlaserenergydensities19图4不同激光能量密度辐照下，铝合金 5083 烧蚀坑形貌三维图像19对于不锈钢，其烧蚀形貌与铝合金有较大的不同。图 5 是铝合金 5083 和不锈钢在激光能量密度为 5.2J/cm2时的烧蚀形貌对比。图 6 为不锈钢烧蚀坑三维形貌随激光能量密度增加的变化情况，可以看到，不锈钢烧蚀坑的底部平坦，没有明显的凹陷，且形貌无波浪状。在激光通量增加到 5.14J/cm2，不锈钢底部有熔融液体产生，如图 6（d）所示，这是由于不锈钢在激光作用下达到熔点，熔化后产物凝聚在烧蚀坑底部所致19。在激光烧蚀深度方面，铝合金和不锈钢的表现也存在差异。仍以铝合金 5083 为例，图 7 给出了铝合金 5083的测试结果。在激光通量为 13J/cm2时，铝合金 5083的烧蚀深度较为稳定，维持在 2030m；在大于 3J/cm2后，烧蚀深度迅速增大，这是由于材料发生相变，铝合金汽化导致。而不锈钢的烧蚀深度随激光能量密度的增加先逐渐增加而后又逐渐减少19，但总体上不锈钢的烧蚀深度小于铝合金。该研究团队利用材料烧蚀模型计算的激光烧蚀速率也符合这一实验现象。模拟结果显示，铝合金的烧蚀速率约为每发 0.25m，几乎为不锈钢烧蚀速率（每发0.104m）的 2 倍，这表明相对于不锈钢，铝合金更易发生激光烧蚀。第一壁材料的激光烧蚀速率是一个重要的判据，NIF 在 1.33104Pa 的真空环境中，采用基频激光脉冲分别测试了硼硅玻璃、不锈钢和 B4C 材料的烧蚀情况，如图 8 所示20。其中玻璃测试采用激光垂直入射，重复频率 0.1Hz；不锈钢和 B4C 激光入射角为 60o，重复频率 1Hz。熔石英和硼硅玻璃的烧蚀速率是 100 发的平均值；其他材料为500 发的平均值。可以看到，不锈钢和热压 B4C 的激光烧蚀速率在 10J/cm2以下相当，之后迅速上升，然后趋于稳定。冯青屹，等：ICF 装置靶场关键材料的辐照效应研究进展091001-51.2.3第一壁材料的中子活化根据美国 NIF 相关统计显示，在装置运行峰值期间，NIF 可达到 1200MJ/年的 D-T 聚变产量，每年产生约 4.31024200 m500 m(a)Al-5083(b)409 stainless steelFig.5Comparisonofablationmorphologyunderthesamepowerdensity19图5相同功率密度下烧蚀形貌对比19(a)0.7 Jcm2(b)1.57 Jcm2(c)4.59 Jcm2(d)5.21 Jcm240.00 m0 m0 m500.01 000.01 237.857.28 m0 m28.96 m28.96 m16.574.1788.21020.6032.9945.3857.76500.01 000.01 237.80 m5001 0001 50057.28 m46.4235.5724.7213.873.0137.84018.691 5001 00050040.00 m28.9717.946.9044.12815.1626.1937.220 m0 m0 m47.19 m47.19 m37.6328.0718.518.9510.60810.1719.72500.05001 0001 5001 000.01 237.8500.01 000.01 237.8ablation depth/mablation depth/mablation depth/mablation depth/mFig.6Ablationmorphologyofstainlesssteelunderdifferentlaserenergydensities19图6不锈钢在不同激光能量密度下的烧蚀坑形貌图19100806040200123456ablation depth/mlaser fluence/(Jcm2)Al5083stainless steelFig.7Relationshipbetweenablationdepth(500pulses)andlaserenergydensityofstainlesssteelandAl-508319图7不锈钢和铝合金（Al-5083）烧蚀深度（500 个脉冲）随激光能量密度的关系191041031021011001011021.010.0100.0fluence/(Jcm2)hot-pressed B4Cstainless steelazurliteborosilicatefused silicaablation per shot/(gcm2)Fig.8Laserablationofseveralmaterials20图8几种材料的激光烧蚀情况20强激光与粒子束091001-6个 14MeV 中子。而单个实验会产生高达 20MJ（71018个14MeV 中子）的聚变产额21。在如此高的中子产额下，靶室附近的关键材料-第一壁材料中的原子在经中子俘获而变得具有放射性，释放出中子、质子或 粒子同时生成新的活化产物。为保证人员安全，NIF 要求个人辐射剂量必须小于5Gy/a，总职业剂量每人每年小于 100Gy。即使达到这些要求，NIF 也要求辐射剂量控制到“尽可能低”。因此，第一壁材料的中子活化问题就十分重要。尽管用 B4C 材料制造百叶窗作为第一壁是最优选择，但是其价格昂贵。综合考虑到靶室中不锈钢作为第一壁更容易固定且耐久性好，以及飞溅的碎片对第一壁材料的损伤问题，研究人员重新审视采用不锈钢和铝合金材料作为第一壁和百叶窗的可行性。因此，NIF 系统地研究了不锈钢和铝合金材料的中子活化问题。图 9 是铝、铝合金和不锈钢第一壁材料经受 10a、1200MJ/a 的激光聚变能量辐照后的剂量当量率随时间的变化情况18。从图中可以看出，打靶结束后 5d内，靶室内辐射的主要来源是铝及铝合金靶球，在这段时间内，不管第一壁是何种材料，根据剂量当量率数据显示，靶室都是不允许进入的；之后，316 不锈钢第一壁成为辐射的主要来源。经过对 316 不锈钢的进一步分析，发现其90%的辐射来自不锈钢中所含 Ni 元素的活化，因此可以通过减少 Ni 含量来降低中子活化程度，而名义上不含 Ni 元素的不锈钢是可以获得的，这类不锈钢中 Ni 质量分数少于 0.5%。通过对 409 不锈钢（含质量分数为 0.75%的 Ti）的分析发现，其长期辐射剂量当量率约为铝合金靶室的 2 倍，它所带来的潜在辐射风险可以通过减少对第一壁的洁净次数来避免。结合图 6 的长期剂量当量率和图 4 的 X 射线烧蚀数据，虽然 409 不锈钢的剂量当量率是铝合金的2 倍，但烧蚀要小 12 个数量级，综合考虑后 409 不锈钢相比铝合金作为第一壁材料更具优势。此外，研究发现不锈钢第一壁材料在退役时的辐射剂量与 B4C/Al 第一壁材料相比并没有高出多少，是一种低危险的放射性废物。1.3第一壁材料改进NIF 靶室内部材料和靶的设计必须考虑到终端光学组件中屏蔽片的防护问题，为了满足维护和更换频次计划，打靶对屏蔽片的污染层等效厚度不能超过每发 1nm，这意味着靶质量不能超过 1g，从其他组件释放到靶室的烧蚀质量不能超过 3g；此外，靶本身要能完全汽化或只能向靶室腰部发射少量弹片，以防止在屏蔽片上产生过多的弹坑22。根据对第一壁材料烧蚀量的限制要求，将第一壁材料从最初的平板做成百叶窗形式，以收集那些再次游走的碎片污染物是不错的方案。通过研究玻璃-B4C 百叶窗和狗腿型不锈钢百叶窗对 1J/cm2X 射线烧蚀碎片的捕获效果，发现玻璃-B4C 百叶窗的捕获效率为约 50%，而狗腿型不锈钢百叶窗的捕获效率可达约 90%，图 10 为第一壁狗腿型（Dog-legged）不锈钢百叶窗的结构示意图，因此不锈钢百叶窗对 X 射线烧蚀碎片的捕获效率更佳20，这就使 B4C 相对不锈钢的优势不再明显。此外，对无 Ni 不锈钢的模拟计算表明，不锈钢的中子活化不再是一个严重的放射源，因此，从中子活化的角度不锈钢百叶窗也是不错的第一壁材料备选对象。除了可用作第一壁材料，不锈钢百叶窗也可用作光束吸收器，表 1 为 Nova2-beam 设计不锈钢百叶窗捕获效率的估算值，表中数据是基于预测的激光烧蚀率和实验测量得到的 FEP 监测膜（FEP）上捕获的铁元素分布数据而进行计算的20。1041031021051061071016 htime after last shot/sAl-5083 first wallSS#316 first wallSS#406 first wallAl vacuum chamberdose equivalent rate/(102 mGy/h)1 d5 d14 d1 yFig.9Personneldoserateoffirstwallmaterialsinsidethetargetchamberaftera20-MJignitionshotfollowing10aof1200-MJ/ayields18图9几种第一壁材料经 10a、1200MJ/a 激光聚变能量辐照后的剂量当量率随时间的变化情况18ablated materialcaptured on backof adjacent louverincoming laser lightverticaldogleg louver45 louverFig.10Dog-leggedstainlesssteellouver23图10狗腿型不锈钢百叶窗结构23冯青屹，等：ICF 装置靶场关键材料的辐照效应研究进展091001-72FOA 光学材料的辐照损伤机制FOA 由多种光学元件集合而成（图 11）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。与靶室相邻的 FOA 除了会受到常规的激光损伤外，还会受到其他高能辐照源以及来自第一壁的污染与碎片的影响。FOA 所包含的重要光学材料主要有两类：第一类是作为倍频晶体的 KDP/DKDP 晶体，以及作为楔形透镜和屏蔽片的熔石英；第二类是提升元件透光率的溶胶凝胶减反膜（化学膜）。这两类材料面对的激光和其他高能辐照损伤问题困扰了研究人员多年，严重制约了高功率激光装置的负载能力。由于 FOA 中采用的光学元件尺寸较大，处理工艺繁多，加工周期较长，激光和其他辐照损伤所导致的元件制造、运输和更换所付出的时间与资金成本十分高昂。因此，光学材料在激光与其他高能辐照下的损伤行为研究以及如何提升元件损伤阈值的研究就迫在眉睫。fixed systemintegrated optics module(4 each)phase platevacuum windowfrequency conversioncrystalswedged focus lensdebris shieldsdiagnostic gratingauxiliary optic plate13Fig.11CompositionofFOA10图11终端光学组件构成102.1光学材料激光损伤机制到目前为止，在高功率激光系统的发展中，激光诱导损伤仍然是光学材料面临的一个挑战性问题，严重制约了输出激光的能量和材料的使用寿命。当倍频晶体和熔石英元件，以及化学膜暴露于大于材料所能承受极限值的激光强度时，材料内部或表面将发生激光诱导损伤24。由于激光诱导材料损伤的机制尚未得到充分解释25，倍频晶体的实际损伤阈值仅为 15J/cm21ns 左右，远低于其高达 147200J/cm213ns 的理论损伤阈值，而熔石英元件的三倍频激光损伤阈值也低于 25J/cm226，这表明了目前对 FOA 中关键光学材料的激光损伤机制尚未完全了解与掌握，光学材料的损伤研究应随着高功率激光系统的发展而进一步深入。激光对光学材料的损伤是一个相当复杂的过程，它由激光参数和材料物性决定27。倍频晶体、熔石英，以及化学膜作为透明光学材料，具有相对低的吸收系数。当激光照射到理想的光学材料上时，激光的大部分能量将被传输，而只有一小部分激光能量被吸收。因此，除了雪崩电离、多光子吸收等本征损伤机制外28-30，杂质缺陷破坏28,31-32也是材料损伤的主要机制。2.1.1雪崩电离当光学材料被激光照射时，材料中的晶格、电子和声子会与激光相互作用，产生对激光的吸收。光学材料中表1不锈钢百叶窗光束吸收器的捕获效率20Table1Captureefficiencyofstainlesssteellouverfluence/(J/cm2)totalexpectedironmassgeneration/(g/cm2)ironmasscapturedonFEP/(g/cm2)calculatedcaptureefficiency/%rangeaveragerangeaverage5，7，1140.53.618.39.25491771419.53.711.87.63981611219.02.27.85.5598871强激光与粒子束091001-8存在两种电子：束缚电子和自由电子。一般来说，材料中束缚电子由于电离势远大于激光的光子能量，并不能吸收光子。而理想的无杂质光学材料是介电材料，在体内不存在自由电子。因此，在激光辐照过程中，自由电子的来源对于材料损伤的产生非常重要。Yablonovitvh 和 Bloembergen 基于简单的 Drude模型建立的雪崩电离模型解释了光学材料内自由电子的产生与损伤过程33。这个模型大致描述如下：介质原子导带中某个电子可通过吸收入射激光束的能量而加速，如果吸收的能量足够大，这个导带电子就有可能与价电子发生碰撞而使其离化。这样，1 个导带电子就变成了 2 个，这2 个电子继续重复上述过程，最终将使导带电子数急剧增加，直至在样品局部区域形成强烈吸收激光的等离子体。然后通过等离子体与后续激光的相互作用使得初始损伤发展为宏观的灾难性破坏。简单来说，雪崩电离模型是将光致电离产生的最初自由电子作为种子电子，当吸收的能量达到一定标准时，种子电子将与材料内价带（VB）中的束缚电子碰撞，导致其过渡到导带（CB）中32。这时，能量较低的新自由电子将会被产生，它们将继续吸收能量并与原子碰撞产生更多的自由电子。随着材料中自由电子密度的增加，具有介电性能的光学材料将逐渐成为类金属材料。此外，随着激光的后续照射，能量不断被吸收，材料内自由电子的密度将迅速增加。而临界导带电子密度（约为1018/cm3）可以作为阈值判据获得理论上的激光损伤阈值。利用这一方法，Epifanov 对宽带隙介质得出了损伤时的激光电场阈值 Eth表达式为E2th=6Egm2ecskBTe2(2+EgmeLac)1ln(tp/L)（1）式中：me为电子质量，Eg为材料带隙能量，cs为样品中的声速，L 为再生电子数，kB为波耳兹曼常数，T 为温度，e 为电子电荷，为损伤激光束频率，Lac为电子-声子碰撞的平均自由程，tp为损伤激光束脉冲宽度，为与材料特性及电场强度有关的参数。在材料特性变化不大的情况下，这一参数对损伤行为影响不大。式（1）可以写为能量密度表达式，则有Jth=0.5E2thtptplntp（2）式中：为电子能量，c