激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布

通过理论分析和LARED多群辐射输运模拟研究了激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布特点。研究发现,黑腔辐射温度角分布主要决定于光斑区与非光斑区的对比度、视野中光斑区的面积比例,以及体发射的份额。激光二维光环排布下黑腔辐射温度角分布与二维LARED模拟结果非常一致。研究还发现,二维的LARED模拟能够有效地用于研究神光Ⅲ原型黑腔实验中三维光斑排布下的辐射温度角分布。通过缩小FXRD测量面积能够有效地提高黑腔辐射温度随角度的变化,从而降低辐射流测量误差对辐射温度角分布的影响。     

黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测

激光间接驱动惯性约束聚变实验中,黑腔内情况复杂,在激光烧蚀和辐射烧蚀等的驱动下,光斑区、冕区、纯辐射烧蚀区、射流区的多种等离子体以不同规律运动.发展了X光双能段窄能带的时间分辨成像方法,用以观测黑腔内多种等离子体的运动情况.在真空黑腔中观测到清晰的射流,分析了射流产生机制及其速度;在黑腔中充气,能有效消除射流和抑制冕区等离子体运动,但两种物质界面处可能会出现流体力学不稳定性等现象,分析了界面处的压力平衡关系和密度陡变情况.     

低密度泡沫金激光-X射线转换特性模拟研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 激光首先与黑腔壁高Z等离子体相互作用转换成强X射线辐射, 再通过高Z腔壁的X射线再辐射而在靶丸表面产生对称辐射以驱动其内爆, 改善腔中激光–X射线转换特性非常重要. 利用一维辐射流体程序模拟研究了低密度泡沫金对激光–X射线转换特性的影响, 结果表明: 在固定激光参数条件下, 随着Au材料密度降低, 激光–X射线转换效率提高, 当泡沫Au密度为0.1 g/cm³时, 转换效率相对提高19%; 同时, 金M带辐射份额随之减少; 对于发光区运动, 存在合适的泡沫Au密度使其得到有效抑制. 从能量平衡的角度分析了转换效率提高的原因: 在激光与低密度泡沫Au作用时, 转换为流体力学动能损耗的能量份额与固体Au相比有所降低, 因而相应的辐射能份额增加. 低密度泡沫Au改善激光–X射线转换特性是实现黑腔腔壁优化的一种途径, 模拟结果为进一步开展相应实验研究提供了依据. 关键词： 泡沫金 激光-X射线转换 辐射谱 等离子体运动     

小孔等离子体运动实验方法

在间接驱动惯性约束聚变的黑腔中,辐射烧蚀的高Z等离子体的流体力学运动过程对激光注入黑腔的效率、辐射场均匀性和通过诊断口的黑腔辐射温度诊断都有显著影响。为研究诊断口在黑腔辐射场中的等离子体缩口过程,用激光产生X光辐射加热低Z泡沫填充的金黑腔诊断口,以激光辐照钛平面靶产生的2～5 keV高能段窄能区X光作为背光源,用X光分幅相机获得了源靶和小孔靶两种靶型的小孔等离子体运动过程图像,研究了X光烧蚀的小孔等离子体的流体力学运动过程,探索了定量测量小孔等离子体面密度的空间分布与时间演化过程的实验诊断方法,初步给出小孔等离子体的面密度。     

基于神光Ⅲ原型的背向散射实验技术研究

激光与等离子体相互作用研究是惯性约束聚变 (ICF) 研究中的重要研究内容. 为了定量研究神光III原型实验中激光与等离子体互作用产生的散射光能量和光谱, 研制了全孔径和近背向散射诊断系统, 并介绍了全孔径和近背反测量系统的光路结构. 对采用连续相位板技术后引起的激光焦斑变化进行了分析. 介绍了采用全孔径和近背向散射诊断系统在神光III原型上完成的考核束匀滑实验效果的实验, 对比了使用束匀滑前后背向散射系统获得的散射光份额和散射光谱分布. 实验发现, 在神光III原型使用800J能量 8束打靶的条件下, 使用束匀滑后背向散射光份额可以降低到5%以下, 其散射光谱也更加集中. 这些数据为黑腔能量学等研究的进一步发展起到重要的促进作用. 关键词： 激光散射 连续相位板 黑腔 光谱     

在间接驱动内爆实验中采用花生腔增强对称性调控

在100 kJ激光装置上开展了基于三台阶整形脉冲的间接驱动惯性约束聚变内爆实验研究.采用传统充气直柱金壁黑腔设计,在激光脉冲作用后期,腔内金等离子体运动对激光能量沉积和X光辐射场空间分布产生严重扰动,导致靶丸赤道驱动偏弱,形成不可接受的扁圆内爆.本文采用新型的花生腔设计,通过调节外环激光光斑及其产生的金泡的初始位置,补偿和缓解金等离子体运动对黑腔X光辐射分布产生的扰动影响,获得球对称的靶丸辐射驱动.在靶丸驱动辐射温度相同的条件下,由于驱动对称性得到显著改善,实验观测到花生腔内爆热斑接近球形,中子产额的测量结果与内爆一维模拟计算结果的比值(YOS)达到30%;而直柱腔内爆热斑呈现扁圆形状, YOS仅为13%.模拟计算和实验结果一致表明,在三台阶整形脉冲驱动内爆实验中,花生腔设计可以有效抑制外环金泡膨胀加剧产生的不利因素,增强辐射驱动和内爆对称性调控,并提高内爆性能.     

激光腔靶耦合二维辐射输运数值模拟

间接驱动激光聚变过程中,黑腔内物质处于非局域热动平衡(non-LTE)状态,而且辐射传输具有非平衡、各向异性等特点。为了精确描述黑腔辐射场的演化及其与物质的相互作用,最新研制的激光聚变二维总体LARED集成程序,基于non-LTE的多群辐射输运建模,首次实现了激光黑腔靶实验的全过程数值模拟。数值结果表明,辐射输运计算较好地反映了黑腔辐射场均匀性变化,腔壁光斑区与非光斑区X光发射强度比与实验测量值接近,靶丸压缩形状与实验图像定性一致。     

腔靶金M带辐射角分布测量

在黑腔实验中使用了一种滤片选通的平响应X光探测器,探测器基于Al阴极X射线二极管构成,并结合了一种特殊结构的复合滤片,实现了在金M带能区的带通平响应特性,探测器响应曲线的平整度好于10%。应用这种新型探测器,从不同方向测量了金等离子体在M带能区的腔外绝对辐射量和角分布。由实验发现,随着探测器与腔轴之间角度的增加,探测器透过激光注入口的观测视场减小,同时观测区域等离子体温度下降,从而导致探测器测量到的M带能量变小;输运腔在激光注入过程中存在等离子体堵腔效应,输运腔的M带能量份额比大腔的份额要高。     

“神光”Ⅱ黑腔物理分解实验

本项目主要关注金腔靶内辐射烧蚀等离子体运动对辐射场特性及其诊断产生的影响和抑制方法。黑腔诊断口附近金等离子体喷射容易造成堵口现象，对X光发射能谱特性和角分布测量产生不利影响。腔内金等离子体向心运动还会使入射激光光路偏折，从而改变着靶点位置和能量沉积区域，影响腔内辐射场分布。为便于实验诊断分析，采用半腔靶和静态充气腔靶两种分解靶型进行研究，分别对应以下研究内容：了解金腔靶诊断口附近等离子体喷射对X光诊断的影响和抑制方法；利用填充气体抑制腔壁金等离子体喷射，证实静态充气黑腔靶实验的技术可行性。     

黑腔中空间束匀滑光束成丝不稳定性的数值模拟北大核心CSCD

为深入研究黑腔内激光成丝不稳定性产生和发展,建立了空间束匀滑光束的传播模型,利用三维激光等离子体相互作用程序LAP3D模拟了黑腔物理条件下的大尺度成丝现象。模拟结果可正确描述成丝后光强的束发散现象及谱空间光强分布特征。从激光能量参数角度分析了导致成丝不稳定性发展的物理因素,并讨论了应用空间束匀滑技术抑制成丝不稳定性的局限性。研究表明:空间束匀滑光束发展成丝的能力取决于光斑内小焦斑的成丝表现,当具备成丝能力的小焦斑份额达到一定比例后,就会导致整个空间束匀滑光束成丝,因此对于光斑平均功率密度较高的光束,须考虑结合其他束匀滑手段来抑制成丝发展。     

神光Ⅲ原型受激拉曼与受激布里渊散射份额测量

激光注入率测量是黑腔耦合效率测量至关重要的一个环节,主要通过散射光测量来实现。在神光Ⅲ原型激光装置上进行的黑腔物理实验中,利用PIN探头阵列进行了散射光角分布测量。通过拟合分析,发现原型装置上激光等离子体非线性相互作用较神光Ⅱ装置要强,其中受激拉曼份额在10%量级,受激布里渊散射在20%量级。将由此评估的激光靶耦合效率代入辐射温度定标率公式中,得出的辐射温度值与实验中Dante测量值符合较好,说明对参量过程份额的评估具有一定可靠性。     

神光Ⅲ原型背向散射光特性研究

为了验证束匀滑的物理效果并获得充气黑腔的辐射源特性,在神光Ⅲ原型装置上利用背向散射测量系统对束匀滑和充气条件下的散射光能量份额及光谱进行了测量。散射光能量测量结果表明:当前实验条件下,束匀滑可有效抑制背向散射光份额,散射光份额由无束匀滑时的25%~35%降为2%~4%,充气黑腔中受激拉曼散射光份额明显增加,由真空腔的2%~4%增大至10%~13%。光谱测量结果表明:束匀滑后等离子体状态更均匀,充气黑腔的受激拉曼散射在激光作用前期就开始显著产生,而在真空黑腔中主要产生于激光作用的后期。     

腔靶转换区辐射温度测量及定标关系

对近年来的激光腔靶实验的辐射温度作了综合分析和研究。对多种不同类型的柱型腔靶,在波长1.06μm的各种激光条件(不同的能量和脉宽)下,测量了腔靶转换区的辐射温度,并研究了辐射温度作为入腔激光能量、脉宽及腔靶转换区内表面积函数的定标关系。     

神光Ⅲ原型单端驱动黑腔等离子体聚心时间研究

在神光Ⅲ原型装置上,利用8束激光单端驱动半腔靶实验研究了黑腔等离子体聚心时间.通过改变腔底结构建立了4种黑腔辐射源,比较了等离子体径向的聚心时间与黑腔辐射温度的变化关系.径向聚心时间和辐射温度分别由X射线分幅相机和软X射线能谱仪给出.研究发现,4种辐射源的等离子体径向聚心时间与辐射温度之间存在正比关系,聚心时间随辐射温度升高而延后.     

黑腔LEH堵孔实验研究取得新进展

在神光Ⅲ主机激光装置上,采用单端带激光注入孔(LEH)的桶状黑腔,利用极区分幅相机和极区附近X光条纹相机获得黑腔内壁附近和LEH附近等离子体的X射线发射时空演化图像,进而研究LEH堵孔特性。X光图像清晰地展示了激光光斑移动、LEH附近等离子体缩孔和堵孔过程,为优化LEH尺寸提供了实验依据。     

基于平面孔靶对本底X光及激光挂边的研究

在神光-Ⅲ和神光-Ⅲ原型装置上基于平面孔靶研究了激光挂边及本底X光发射情况。能量卡计直接测量激光挂边份额;X光针孔相机给出本底X光发射的空间图像;平响应X光探测器测量本底X光的强度。实验结果表明:在神光-Ⅲ原型上800 m注入孔时,针孔图像中本底X光计数与黑腔漏失辐射流计数的比值约为1.2%;在神光-Ⅲ上1000 m注入孔时,平响应X光探测器测得的本底X光干扰的峰值约为2.7%,能量卡计测得的激光挂边份额约为2.6%。此外,根据神光-Ⅲ的实验参数模拟计算了激光挂边份额和本底X光的干扰。与实验结果的对比说明了该模型的正确性,可以用该模型评估激光挂边及本底X光发射情况,同时可以用该模型指导注入孔尺寸的选择。     

准分子激光等离子体开关控制脉宽研究

 利用准分子激光等离子体技术，在紫外预电离XeCl准分子激光器上获得了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。实验中分析了聚焦到薄膜表面的光束能量密度对所产生的等离子体密度的影响，并对不同等离子体密度及维持时间情况下脉冲压缩效果进行了讨论，给出了激光器谐振腔在稳定腔及非稳腔两种工作方式下的实验结果。激光器在稳定腔工作时，脉宽可压缩至2.87 ns；采用非稳腔结构时，在脉冲能量不变情况下减小聚焦光斑面积，提高入射到薄膜表面的能量密度，得到了最短1.58 ns的短脉冲激光输出。该技术适用于任何其它准分子器件。     

激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前，激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下，实验与模拟的偏离逐渐增大，一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点，使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来，四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立，部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识，还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响，促进了实验技术的精密化发展。在未来，还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术，面向点火黑腔条件，大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度，开展新物理机制的探索和研究，在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。     

ICF黑腔金泡等离子体运动研究取得进展

在神光Ⅲ主机装置,利用16束激光注入黑腔产生二维柱对称、接近点火状态的等离子体环境。利用一台X光分幅相机首次获得金泡等离子体的运动演化过程和不同时刻金、充气等离子体边界的绝对位置。通过精密实验与二维辐射流体程序模拟结果比较,验证了改进模型的合理性和可靠性。     

2 ns, 351 nm激光黑腔靶受激Raman散射实验研究

 介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2 ns,351 nm激光与黑腔靶相互作用的实验，报道了受激Raman散射光时间分辨谱图及能量测量的实验结果。长脉冲2 ns激光注入小腔靶（Ø700 mm×1 250 mm）时，激光辐照缝靶产生的SRS光能量是激光与全腔靶作用产生的SRS光能量的1.3倍。在2 ns激光与不同尺寸黑腔靶作用的情况下，激光辐照小腔靶产生的SRS光能量比标准腔靶(Ø800 mm×1 350 mm)产生的SRS光能量高1.6倍。由于激光功率密度下降，2 ns激光打靶SRS散射光要弱于短脉冲1 ns激光打靶，但持续时间稍长。实验结果表明：长脉冲2 ns激光与标准腔靶相互作用时，等离子体“堵腔效应”比较严重，标准腔靶尺寸不再合适。