高Z梯度掺杂靶丸原子浓度三维分布测量原理及方法研究

In the research of inertial confinement fusion, high-Z gradient-doped micro-capsules are used as storage cells, in which the doped layer can insulate hot electron from fusion fuel, decrease x-ray flux and degree of preheating for which x-ray heats DT ice-layers in the period of nuclear fusion. For the need of doping uniformity of doped capsules with high performance and precise characteristic for gradient-doped capsules, this issue is proposed for three-dimensional doping distribution of gradient-doped capsules based on micro-CT projection, back-projection ,duality theory for absorption and phase contrast, absorption theory of doped elements. The primary contents are real-time and three-dimensional doping distribution of gradient-doped capsules based on back-projection. The goal is to offer precise and full-scale doped concentration for exact control in ICF research. The research for three-dimensional doping distribution of gradient-doped capsules is one of the most important contents in ignition targets of our country, and is necessary to be done.

在惯性约束聚变研究中，高Z元素梯度掺杂微型靶丸作为聚变燃料的存储单元，其掺杂层在聚爆时将燃料同超热电子隔离，降低通过烧蚀层的X射线通量及X射线对DT燃料冰层的预热程度，所以对聚变点火物理实验起着至关重要的作用。基于惯性约束聚变物理实验对高性能梯度掺杂靶丸的掺杂均匀性要求和对梯度掺杂表征的精密化要求，本课题旨在利用显微CT投影成像技术、反向重建技术、吸收相衬二元性理论、掺杂元素吸收理论等，开展基于显微CT反重建原理的梯度掺杂靶丸掺杂原子浓度的三维分布表征原理和方法研究，进而实现掺杂原子浓度的实时表征和三维表征。为激光聚变物理实验提供精确、全面的掺杂原子浓度分布数据，实现聚变点火过程中靶丸参数的精确掌控。开展梯度掺杂靶丸原子浓度三维分布测量原理和方法研究是我国点火靶研究的重要方向之一，具有强烈紧迫性和必要性。

激光聚变靶丸是激光聚变实验的核心器件，靶丸壳层掺杂在聚爆时阻隔超热电子，降低通过烧蚀层的X射线通量及对DT燃料冰层的预热，且梯度掺杂可一定程度上抑制压缩过程中流体力学不稳定性增长，所以掺杂靶丸对聚变点火物理实验起着至关重要的作用。靶丸壳层掺杂浓度的均匀性受制备工艺、靶丸结构等的影响，急需开展靶丸三维掺杂浓度测量方法及测量理论的探索研究，课题组在国家自然基金“高Z梯度掺杂靶丸原子浓度三维分布测量原理及方法研究（项目批准号：11504350）”的资助下，开展了深入研究，取得了如下研究成果：.1）建立了基于CT成像的靶丸二维掺杂浓度的实时测量方法，该方法基于建立的多能X射线等价吸收方法，实现了靶丸二维掺杂浓度的实时测量问题；.2）解决了闪烁体探测系统中的多能X射线能谱转化问题；建立了多能谱、扩展光源、有限像素条件下的Fresnel衍射传播模型，将掺杂层的靶丸相衬影响定量化；.3）建立了多能X射线、单幅、单距成像的靶丸吸收相衬混合成像的吸收恢复方法，按光谱权重单能化X射线，基于吸收相衬二元性理论，考虑低Z本底与低能X射线相互作用，考虑康普顿散射，建立的吸收恢复数学模型，有效消除了相衬成像对靶丸掺杂测量的影响；.4）建立了靶丸三维掺杂浓度测量方法，该方法基于滤波反投影原理，以非掺杂层及成像本底作为已知条件，建立了靶丸掺杂浓度三维测量的数学模型。该方法的显著特点是，无需标样标定，可给出靶丸全壳层掺杂浓度的三维分布；.5）建立了基于蒙特卡洛模拟的电子束与靶丸界面相互作用模型，该模型计算电子束与靶丸作用区域，通过计算靶丸基底对掺杂元素Kα线能量的吸收百分比，修正能量色散谱（EDS）测量的靶丸掺杂浓度，以此作为对比实验方法；.6）建立了靶丸掺杂浓度测量不确定度评定方法，分析了测量不确定度来源，给出了测量不确定度评定公式；.7）基于二维实时测量方法、三维掺杂测量方法，开展了GDP掺Ge、掺Si靶丸的二维、三维掺杂浓度测量实验，给出了靶丸三维掺杂浓度分布结果；对修正模型EDS结果比对，具有较好的一致性；评价了掺杂测量结果的不确定度，合成的扩展不确定度优于0.1 at.%(K=2)。. 上述研究为高Z梯度掺杂靶丸原子浓度三维分布测量提供了理论基础，围绕靶丸掺杂浓度测量技术研究，共发表学术论文5篇，均发表在SCI检索国际期刊，受理发明专利2项，参加学术会议4次。