“天光一号”驱动的聚苯乙烯高压状态方程测量

聚苯乙烯等CH材料的高压状态方程研究对于ICF聚变点火具有重要意义.本文基于"天光一号"长脉冲激光装置开展了聚苯乙烯高压状态方程研究,理论模拟了靶内的冲击动力学过程,采用侧向阴影成像技术实验测量了不同厚度的聚苯乙烯平面靶和飞片靶,获得了靶内的冲击波速度与粒子速度等状态方程参数.结果表明:长脉冲激光驱动下CH平面靶内经历了明显的准等熵加载过程,并逐渐演化为弱冲击加载.实验测量平面靶压力12 GPa,飞片撞击靶压力34 GPa,与模拟结果基本相符.     

自动校准的多相状态方程建模方法及其在锡中的应用

状态方程与描述能量、动量、质量守恒的偏微分方程一起，构成了可求解材料动态压缩行为的完备流体力学方程组。动态压缩下，相变会导致材料内能、密度、强度等物理性质的不连续变化，需要构建多相状态方程模型才能精确描述这些变化。通过多相状态方程模型的自动组装，采用计算机智能优化算法自动校准状态方程模型参数，发展了自动化的多相状态方程建模程序AEOS(automated equation of state)。利用AEOS，构建了锡的3套状态方程模型，3套模型的计算结果与相关实验结果基本一致，验证了AEOS程序的适用性。将构建的状态方程模型应用于一维流体力学模拟，发现锡冲击到17 GPa再等熵卸载到常压的压力-温度路径会经过β相-体心四方相-液相三相点，并且可以很好地解释在15.4 GPa的冲击压力下锡的微喷颗粒呈现固-液混合态的实验现象。AEOS的良好表现证明其在大型数字化科研平台以及高通量材料物性计算中将具有广泛的应用前景。     

刚体与SPH耦合的三维数值方法研究

 研究了刚性体与SPH（Smoothed Particle Hydrodynamics）方法相耦合的计算方法和技术,以此技术为核心,在原有三维综合拉氏程序CL3D的基础上,研制了适用于斜侵彻问题数值研究的刚性弹体与SPH靶体耦合计算的拉氏三维数值模拟程序CRSPH3D。针对金属材料编入了Johnson-Cook本构模型计算模块,针对混凝土材料编入了Johnson-Holmquist本构模型及与之配套的损伤模型和状态方程等的计算模块。用研制的计算程序对弹体分别正碰和斜碰穿透中厚铝靶和侵彻厚混凝土靶的过程进行了数值模拟计算和分析。结果表明,对于铝靶穿透问题,模拟计算得到的弹体剩余速度、弹体动能损失和贯穿图像与实验结果符合得较好。对于混凝土靶的侵彻问题也得到了与实验现象一致的、定性合理的图像。     

激光与固体靶面烧蚀等离子体的能量耦合计算

 强激光辐照下固体靶表面迅速汽化产生靶蒸气等离子体,激光穿过等离子体区到达固体靶表面的过程就是激光束与等离子体的能量耦合与交换过程。采用具有五阶精度的WENO差分格式和简易等离子体状态方程模型对激光与等离子体相互作用的复杂物理过程进行了数值计算,分析了激光束能量在等离子体区中的吸收、屏蔽效应等动态耦合规律以及激光支持等离子体前驱冲击波传播。数值模拟结果表明：激光能量是支持靶面等离子体运动的唯一原因,能量屏蔽效应对激光与等离子体能量耦合有很大影响,通过控制激光脉冲宽度,可以合理调节屏蔽效应的影响。     

轫致辐射靶的发射率及角分布分析

计算了不同能量下，几种常用单靶(W,Cu,Ta,Au)的X射线前向发射率和角分布, 从理论分析和蒙特卡罗方法模拟计算两方面分析了产生的X射线发射率及其角分布与靶参数和束流参数的关系, 并与已发表的数据及实验结果比较, 结果一致, 可为设计产生X射线的电子加速器及靶提供参数依据.     

基于SPH-FEM转换算法的7.62mm步枪弹冲击30CrMnSiA钢板的数值计算

从转换判据和时间步长控制两个方面对光滑粒子流体动力学-有限元(SPH-FEM)转换算法进行改进,采用改进的SPH-FEM转换算法对7.62 mm步枪弹冲击特殊热处理的30CrMnSiA钢板进行全尺寸三维数值计算,将子弹在冲击过程中发生严重畸变的有限单元转换为SPH粒子继续参与计算.子弹采用弹塑性模型,靶板采用修正的Johnson-Cook强度模型和Gruneisen状态方程.针对不同的子弹初速,计算靶板盘形凹陷和冲塞两种破坏模式,计算结果与实验结果吻合较好.表明改进的SPH-FEM转换算法能够合理高效地利用有限单元和SPH粒子,为低强度子弹冲击高强度靶板的计算提供一种有效途径.     

空间辐射效应的蒙特-卡罗模拟

 概述了天然宇宙空间的辐射环境,简要地分析了辐射效应机制,在辐射效应的蒙特-卡罗模拟中对靶材料作了无定形假设,入射粒子在靶材料中的弹性能量损失采用经典二体散射公式,非弹性能量损失高能时采用Beth-Bloch公式,低能时采用Lindhard-Scharff公式,中能时采用插值公式,撞出晶格原子引起的次级损伤用Kinchin-Pease模型计算,最后对100KeV硼离子入射于硅材料引起的辐射效应进行了模拟计算,并给出了计算结果和分析。     

点起爆炸药驱动平板飞片运动的数值模拟研究

 为研究点起爆发散爆轰波驱动飞片的运动特性,自行研制了二维流体动力学程序TDY2D,采用由实验所标定炸药的状态方程参数,对3种长径比相差较大的点起爆炸药驱动平板飞片运动的模型进行了数值模拟计算,并对结果进行了分析。计算所得的飞片运动历史和击靶波形均与实验符合较好,具有较高的计算精度,从而验证了该程序的准确性和有效性。     

真空环境下激光与固体靶冲量耦合的机理分析和数值模拟

在准真空环境下，采用高功率密度的调Q-Nd:YAG激光照射固体铝靶表面，测量了不同入射激光强度下气化靶物质对靶的冲量.通过分析不同情况下激光与固态靶、气化物质的作用机理，采用流体力学理论和三维有限差分的计算方法，对不同激光强度情况下气化物质对靶产生冲量的过程进行了数值模拟，将模拟计算所得结果与实验测量结果进行了比较和分析，进而对实验结果进行了解释.由数值模拟结果与实验结果的一致性可见，本文采用的模型能反映激光作用下固体靶力学响应的物理过程.     

中国散裂中子源靶站重要部件的辐照损伤计算与分析

本文采用高能粒子输运程序MCNPX 2.5.0,对中国散裂中子源(CSNS)靶站重要部件所使用的钨、SS316不锈钢与Al-6061等材料,由于中子与质子辐照所引起的损伤能量截面与原子离位截面进行了计算,对钨靶体、靶的不锈钢容器、慢化器与反射体的铝容器等部件的辐照损伤量——原子离位次数(displacement per atom,DPA)进行了计算与分析,并给出了质子束斑形状对靶体及靶容器DPA峰值的影响. 这些计算与分析对正在建设的中国散裂中子源靶站的设计及参数选择具有重要的实际意义. 关键词： 中国散裂中子源 损伤能量截面 原子离位截面 DPA     

强流脉冲离子束辐照双层靶能量沉积的数值模拟

利用拟合实验测得的TEMP Ⅱ型加速器磁绝缘二极管电压波形及其焦点附近束流密度曲线,建立了Gauss分布模型.采用Monte Carlo方法研究了强流脉冲离子束与铝材镀有不同厚度金膜的双层靶(金膜与铝材合称为双层靶)之间的相互作用,模拟了能量沉积的演化过程和随不同金膜厚度的变化情况.对脉冲离子束强化薄膜粘结性进行了探讨. 关键词： 强流脉冲离子束 双层靶 能量沉积 Monte Carlo方法     

Two-dimensional numerical research on effects of titanium target bombarded by TEMPⅡ accelerator

Two-dimensional numerical research has been carried out on the ablation effects of titanium target irradiated by intense pulsed ion beam (IPIB) generated by TEMP II accelerator. Temporal and spatial evolution of the ablation process of the target during a pulse time has been simulated. We have come to the conclusion that the melting and evaporating process begin from the surface and the target is ablated layer by layer when the target is irradiated by the IPIB. Meanwhile, we also obtained the result that the average ablation velocity in target central region is about 10\,m/s, which is far less than the ejection velocity of the plume plasma formed by irradiation. Different effects have been compared to the different ratio of the ions and different energy density of IPIB while the target is irradiated by pulsed beams.     

强脉冲离子束辐照薄金属靶的热力学过程研究

在回顾和总结现有强脉冲离子束诊断技术和能量沉积模型的基础上, 结合红外成像诊断分析, 基于能量平衡, 提出了强脉冲离子束在固体靶中功率密度分布模型, 并采用蒙特卡罗方法对其进行计算. 以该功率密度模型作为源项, 使用有限元分析方法模拟强脉冲离子束入射100 μm不锈钢靶后内部温度场在毫秒时间范围内的分布和演化. 结果显示, 在微秒时间范围内, 热场以存在于近表面区域数倍于离子射程范围内的冲击热场为主要特征; 而在毫秒时间范围内, 靶的前后表面(纵向)已达到温度平衡, 且靶后表面温度场和入射前表面的离子束横截面能量密度具有空间分布的相似性. 这证明了, 在采用具有毫秒响应速度的红外拍摄系统的情况下, 背面红外诊断技术可以实现以较高的精度对强脉冲离子束横截面的能量分布进行诊断和分析.     

Numerical Simulation on Expansion Process of Ablation Plasma Induced by Intense Pulsed Ion Beam

We present a one-dimensional time-dependent numerical model for the expansion process of ablation plasma induced by intense pulsed ion beam （IPIB）. The evolutions of density, velocity, temperature, and pressure of the ablation plasma of the aluminium target are obtained. The numerical results are well in agreement with the relative experimental data. It is shown that the expansion process of ablation plasma induced by IPIB includes strongly nonlinear effects and that shock waves appear during the propagation of the ablation plasma.     

强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断

强流脉冲离子束在靶上的能量密度分布是其研究和应用的一个重要参数。为了解决现有束流能量密度诊断方法的不足,利用红外成像仪测量靶背面的温度分布,从而建立了强流脉冲离子束能量密度分布的红外诊断方法。对能量密度1J/cm2量级、脉冲宽度为102 ns量级的束流,该方法测量误差好于5%,空间分辨率可达到1~2mm,具有操作简便、成本低的优点,是强脉冲能量沉积分布的一种高效迅速的诊断方法。     

Propagation of Plasma Generated by Intense Pulsed Ion Beam Irradiation

Taking the calculation results based on the established two-dimensional ablation model of the intense-pulsed-ionbeam （IPIB） irradiation process as initial conditions, we build a two-dimensional hydrodynamic ejection model of plasma produced by an IPIB-irradiated metal titanium target into ambient gas. We obtain the conclusions that shock waves generate when the background pressure is around 133 mTorr and also obtain the plume splitting phenomenon that has been observed in the experiments.     

强流脉冲离子束辐照靶材烧蚀效应二维数值研究

对强流脉冲离子束(IPIB)辐照Ti靶的烧蚀效应进行了二维数值研究.得到了表面烧蚀物质随脉冲时间的变化关系.得出TEMP Ⅱ 型加速器产生的脉冲束流辐照靶材时引起的汽、液化均是从表面开始、并且汽化过程中表面物质被层层烧蚀的结论.同时，得到中心区的平均烧蚀速度为10m/s 数量级，它远小于产生的烧蚀等离子体的喷发速度.得到脉冲期间靶材内部不同位置烧蚀斑痕形状的时间演化过程，以及束流中含有的离子种类分额不同时IPIB辐照过程产生的不同效果. 关键词： 强流脉冲离子束 靶 烧蚀过程 二维数值模拟     

膨胀等离子体云的粒子密度时空分布

为了获得超高速碰撞产生等离子体粒子密度的时空分布特性,利用点电荷电场的1维理论模型,综合运用质量守恒方程、动量守恒方程、能量守恒方程和麦克斯韦方程,推导出了等离子体在膨胀过程中粒子密度的时空分布规律。通过对超高速碰撞2024-T4铝靶实验采集的原始数据分析,得到了超高速碰撞2024-T4铝靶产生膨胀等离子体云粒子密度的时空演化规律。     

等离子体初始密度对激光支持爆轰波特性的影响

采用守恒元求解元方法,对描述激光支持爆轰波等离子体流场演化的二维轴对称流体动力学控制方程组进行了数值模拟计算,给出了不同时刻点的等离子体压强、密度、温度、速度及对激光吸收系数的空间分布,比较了初始密度不同的情况下等离子体演化的不同特点。计算结果表明,等离子体初始密度较大时,等离子体对激光的吸收系数较大,为了增强激光能量与靶面的耦合,应合理控制靶面等离子体密度、激光脉宽及脉冲间隔。     

Neutron yield when fast deuterium ions collide with strongly charged tritium-saturated dust particles

The ultrahigh charging of dust particles in a plasma under exposure to an electron beam with an energy up to 25 keV and the formation of a flux of fast ions coming from the plasma and accelerating in the strong field of negatively charged particles are considered. Particles containing tritium or deuterium atoms are considered as targets. The calculated rates of thermonuclear fusion reactions in strongly charged particles under exposure to accelerated plasma ions are presented. The neutron generation rate in reactions with accelerated deuterium and tritium ions has been calculated for these targets. The neutron yield has been calculated when varying the plasma-forming gas pressure, the plasma density, the target diameter, and the beam electron current density. Deuterium and tritium-containing particles are shown to be the most promising plasmaforming gas–target material pair for the creation of a compact gas-discharge neutron source based on the ultrahigh charging of dust particles by beam electrons with an energy up to 25 keV.