“神光Ⅲ”装置靶场结构设计

“神光Ⅲ”主机装置作为世界第三大ICF激光装置,其靶场具有光路排布复杂、物理诊断设备多和结构庞大、繁多及空间复杂等特点。如何满足靶场中数以百计的光学元件极为苛刻的微米级稳定性要求,合理设计结构空间布局保证具有百级洁净度要求光学元件的在线安装和更换,以及超大尺度铝制真空靶室、巨型钢结构光学平台一编组站等单元结构设计都是装置靶场系统结构设计的关键。我们采用靶场总体稳定性分析、三维设计及虚拟仿真技术、模块化、插件化等设计方法,完成了“神光Ⅲ”主机装置的靶场结构设计。     

激光原型装置结构稳定性指标划分理论及检测

 结构稳定性是ICF驱动器一个重要的设计指标。根据激光原型装置（TIL）多程放大、框架式设计的特点,结合矩阵光学对单个光学元件对光束漂移的影响进行了分析,综合不同光学元件对光束漂移的影响,建立了光学元件稳定性指标分配的数学模型,根据原型装置特点对数学模型中各参数之间的关系进行了确定,求解得到了装置内各个光学元件的稳定性指标,以此作为光机系统结构稳定性的设计要求。经过对原型装置光路稳定性指标的测试,光路稳定性漂移x方向和y方向均方根值为2.78 μm,峰谷偏差值x方向和y方向分别为14.4 μm和15.60 μm。结果表明原型装置结构稳定性漂移满足设计要求,稳定性指标划分方法合理。     

微振动激励作用下编组站镜架对光束指向的影响

 编组站是靶场光路传输系统的重要组成部分,编组站镜架的稳定性对光路的传输有着直接的影响。为了分析微振动对光束指向性的影响,采用有限元分析软件建立镜架的有限元模型,将数字式地震仪测得的镜架安装平台的速度功率谱密度函数作为载荷施加到分析模型上,计算得到了编组站光学元件（A,B,C,D）在基座微振动激励作用下的转角漂移分别为0.338,0.327,0.289,0.241 mrad,均小于稳定性指标0.460 mrad的要求;采用加速度传感器对光学元件A的转角漂移测试结果为0.340 mrad,与分析结果的误差为0.6%,说明所采用的计算分析方法是有效的,为精密镜架的设计分析提供了有效的方法。     

基于有限元分析的大型固体激光器稳定性指标重分配

在大型固体激光器结构稳定性设计中,使用等概率分配方法的分配值作为光学元件稳定性设计指标常常会增加结构设计的难度,造成结构建造的巨大浪费。为此,提出了基于结构有限元分析的稳定性指标重分配方法,即将同一光路中光学元件振动响应引起靶点光束的定位误差作为各自的权重系数,采用线性加权和法对稳定性指标进行重新分配。稳定性指标重分配后,所得到的同一光路中各光学元件的安全系数相等。利用此方法对某大型固体激光装置主机装置靶区一条光路中光学元件的稳定性指标进行了重分配,得到每条光路上光学元件稳定性的安全系数均为1.229,满足结构稳定性设计要求。     

大口径光学元件环境热稳定性的有限元分析

 讨论了靶场光学元件在环境热载荷作用下的变形分析理论和数学描述，采用有限元分析软件ANSYS建立了靶场反射镜的模型，用靶场实测环境温度变化作为载荷，计算得到了反射镜在靶场温度变化0.3 ℃时，垂直镜面方向的变形及其在平行于镜面平面内的转角漂移。结果表明：在当前的温控条件下，光学元件在环境热载荷作用下的变形满足稳定性设计要求。并计算了几种环境温度变化下反射镜的变形和转角漂移。初步的结果表明：环境温度变化与反射镜的转角漂移成正比。     

纳米精度外差干涉仪非线性漂移的研究

在纳米精度外差干涉仪中，由于非线性温度漂移，成为外差干涉仪实现纳米精度测量的重要误差源。本文对差动干涉仪的理论分析得出如下的结论，干涉仪中除了测量光路和参考光路以外，还存在参考光误差分量和测量光误差分量的额外光路，从而引和了干涉混叠，产生非线性漂移：１／４波片的相位延迟量误差和安装是引入非线性漂移的主要因素，其影响程度是一阶的，提高波片对加工精度，并尽量减少其级数可降低非线性漂移。     

多程放大系统总体光路的稳定性研究

 根据打靶精度要求分解系统的稳定性指标,利用光线追迹并通过三维矩阵与代数运算相结合的方法,开发了分析多程放大系统总体光路稳定性的仿真软件。针对神光-Ⅲ原型装置的总体光路的数学模型,完成了各单个元件稳定性对打靶弹着点的影响的模拟计算。     

摄影焦距对测量箭体漂移影响的分析

高速摄影仪在航天试验靶场中主要用于火箭垂直起飞段的横向漂移测量,它采用近距离、短焦距物镜对火箭进行跟踪测量,任何微小的线量误差将带来较大的测量误差,以致严重影响火箭漂移量的处理精度。为此,建立了高速摄影仪摄影焦距的微量变化对箭体漂移量误差产生影响的数学模型,利用标称数据进行仿真分析,并给出焦距修正系数的计算方法。     

神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统结构设计

系统介绍了神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统的结构设计,光传输系统的关键性能包括稳定性、精确性及洁净性,为保证苛刻的稳定性要求,提高结构动力学稳定性的同时提出一种新的稳定性分析方法;通过设计在线可更换单元、运动学支承结构和采用低应力夹持技术实现在线精密调节和快速安装定位;同时在设计、制造和安装过程中建立洁净理念。目前安装完成的束组的测试结果表明,主机装置靶场光传输系统的结构设计满足装置设计要求。     

神光Ⅲ主机装置真空靶室组件研制

针对神光Ⅲ主机装置真空靶室系统横向刚度较弱、必须进行现场精密加工和安装等研制中的技术难题，对真空靶室组件的结构和整体加工工艺进行了设计。结合靶场总体稳定性设计思路，设计了垂直支撑结构和能提供摩擦阻尼耗能的横向支撑结构，并对壁厚进行了优化设计。通过使用开孔器、六维调节结构和激光跟踪仪，设计修配调整垫等，解决了现场精密加工问题，实现了靶室与靶场基准体系的精密对接。计算结果表明，48束打靶透镜平均平动位移均方根值为2.8 m。建成后，靶室中心高度偏差为0.12 mm，水平偏差达到0.18 mm，各重要联接法兰对心偏差达到0.35～0.40 mm。     

Be靶丸的研制进展及其关键技术北大核心CSCD

可控核聚变反应是科学家用来解决能源缺乏和发展可持续能源的理想途径,为此美国开展了惯性约束聚变(ICF)研究,建设了国家点火装置(NIF),旨在实验室演示核聚变反应,为惯性约束聚变能(IFE)发展指明方向。制靶是NIF点火工程三大主体之一,如何制备满足设计需求的靶丸成为科学家不懈努力的追求目标。详细介绍了NIF工程中主要候选Be靶丸需求背景、研究现状、Be靶优势、靶参数设计要点、靶丸制备技术,以及制靶过程中存在的关键技术问题,为我国Be靶制备及制靶能力建设提供参考信息。     

The national ignition facility: path to ignition in the laboratory

The National Ignition Facility (NIF) is a 192-beam laser facility presently under construction at LLNL. When completed, NIF will be a 1.8-MJ, 500-TW ultraviolet laser system. Its missions are to obtain fusion ignition and to perform high energy density experiments in support of the US nuclear weapons stockpile. Four of the NIF beams have been commissioned to demonstrate laser performance and to commission the target area including target and beam alignment and laser timing. During this time, NIF demonstrated on a single-beam basis that it will meet its performance goals and demonstrated its precision and flexibility for pulse shaping, pointing, timing and beam conditioning. It also performed four important experiments for Inertial Confinement Fusion and High Energy Density Science. Presently, the project is installing production hardware to complete the project in 2009 with the goal to begin ignition experiments in 2010. An integrated plan has been developed including the NIF operations, user equipment such as diagnostics and cryogenic target capability, and experiments and calculations to meet this goal. This talk will provide NIF status, the plan to complete NIF, and the path to ignition.     

The saturn target for polar direct drive on the national ignition facility

A new target design concept is proposed for direct-drive implosions while the National Ignition Facility is in its initial, indirect-drive configuration. It differs from earlier "polar-direct-drive" designs by adding a low-Z ring around the capsule equator. Refraction in the plasma formed around this ring permits time-dependent tuning of the capsule drive uniformity. An optimized simulation shows an implosion-velocity nonuniformity at the end of the laser pulse of approximately 1% rms for a cryogenic deuterium-tritium shell, enhancing the prospects for an early direct-drive ignition demonstration on the National Ignition Facility.     

FANTM: First Article NIF Test Module

Designing and developing the 1.7- to 2.1-MJ power conditioning system (PCS) that power the flashlamps of the main and power amplifiers for the National Ignition Facility (NIF) lasers is one of several responsibilities assumed by Sandia National Laboratories (SNL) and Maxwell Physics International in support of the NIF Project. The NIF is currently being constructed at Lawrence Livermore National Laboratories (LLNL). The test facility that evolved over three years to satisfy the project requirements is called the First Article NIF Test Module (FANTM). It was built at SNL and operated for about 17000 shots to demonstrate component performance expectations over the lifetime of NIF. A few modules are used initially in the amplifier test phase of the project. The final NIF system requires at least 192 modules in the four capacitor bays. The paper briefly summarizes the final design of the FANTM facility and compares its performance with the predictions of circuit simulations for both normal operation and fault-mode response. Applying both the measured and modeled power pulse waveforms as input to a LLNL amplifier gain code indicates that the 20-capacitor PCS can satisfy the NIF requirement for an average gain coefficient of 5.00%/cm and can exceed 5.20%/cm with 24 capacitors     

甚多束激光直接驱动靶面辐照均匀性研究

针对甚多束激光辐照下的直接驱动靶面光强均匀分布开展了系统研究. 利用球谐模分析选定了可实现均匀辐照的靶面弹着点极角分布, 并通过数值模拟确定了以等效48束激光直接驱动辐照下靶面三环弹着点极角位置分别为22.4°, 47.7°和73.6°. 基于特定装置构型分析了实现极向直接驱动时对各路激光指向的修正, 并对光束截面焦斑进行了优化, 实现了极向直接驱动下的靶面均匀辐照.     

室内超大面积探测区域测速光幕设计

针对大横截面室内靶道弹丸测速需求,提出了一种大面积探测区域测速光幕构建方法。采用90°探测视场的广角天幕靶作为接收装置和多段等长的排布成L形状的LED线阵列作为光源,各段LED线阵列光源均朝向广角天幕靶扇形视场中心,完全填充广角天幕靶的视场,在空域形成10m×10m的探测区域。给出了L形光源的详细设计,采用气枪弹进行了靶面内灵敏度验证试验和系统实弹射击试验。试验结果表明,所提出的方法是有效可行的,可满足10m×10m横截面室内靶道的测速需要。     

半腔靶M带X射线角分布测量与模拟

在"神光Ⅱ"实验条件下,通过在半腔靶底部的漏口来测量内爆靶丸附近的M带X射线发射的角分布.介绍了试验中采用的诊断方法和试验方法,并给出了典型的实验结果.此外,利用视角因子程序,对该实验的X射线角分布进行了模拟.经过对比,发现实验结果与视角因子程序模拟结果相符,从半腔靶底部漏口出射的M带X射线不遵从cosθ分布.实验结果和模拟结果的比较有助于提高对黑腔物理图像的理解,并为内爆实验设计提供实验依据.     

Hohlraum-driven ignitionlike double-shell implosions on the omega laser facility

High-convergence ignitionlike double-shell implosion experiments have been performed on the Omega laser facility [T. R. Boehly, Opt. Commun. 133, 495 (1997)] using cylindrical gold hohlraums with 40 drive beams. Repeatable, dominant primary (2.45 MeV) neutron production from the mix-susceptible compressional phase of a double-shell implosion, using fall-line design optimization and exacting fabrication standards, is experimentally inferred from time-resolved core x-ray imaging. Effective control of fuel-pusher mix during final compression is essential for achieving noncryogenic ignition with double-shell targets on the National Ignition Facility [Paisner, Laser Focus World 30, 75 (1994)].