神光Ⅲ主机极向驱动靶丸表面辐照均匀性

极向驱动是在间接驱动构型的激光装置中,通过重瞄各束激光的位置,实现较均匀的靶丸表面激光辐照,以研究直接驱动惯性约束聚变的关键物理问题.介绍了神光Ⅲ主机装置的激光排布和焦斑特点,以及激光束重瞄方法和靶丸表面激光辐照均匀性优化原则.给出了三阶和五阶超高斯近似下的激光焦斑强度分布,Φ540μm靶丸在能量沉积满足cos~2γ和cosγ假设时靶丸表面最均匀辐照的移束参数,以及二维辐射流体程序模拟最优移束时的内爆对称性结果.二维模拟结果表明,按cos吖假设移束的热斑更对称.分析了激光的束间功率不平衡、激光束重瞄精度和靶丸定位精度对靶丸表面辐照均匀性的影响.模拟结果表明,为了不显著降低靶丸表面辐照均匀性,需要将束间功率不平衡控制在5%以内,激光束重瞄精度和靶丸定位精度控制在7μm以内.     

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.     

用于直接驱动的快速变焦新方案

在直接驱动方式的惯性约束聚变装置中, 实现中心点火对靶丸的辐照均匀性要求极高. 然而, 在激光脉冲持续时间内, 由于激光与靶丸的相互作用致使靶丸逐渐缩小, 从而导致辐照均匀性降低以及交叉光束能量转移等不利因素增强, 进而影响点火的进展. 为此, 提出了用于直接驱动的快速变焦新方案, 即利用特殊设计的电光晶体及电极结构, 对激光束附加一个实时、快速变化的球面波前, 以控制打靶激光束的聚焦位置和焦斑大小, 从而达到提高靶面辐照均匀性和抑制交叉光束能量转移的目的. 通过建立快速变焦的理论模型, 并基于激光与靶丸相互作用物理过程的分析, 对焦斑尺寸、附加球面波曲率半径等参数随时间的变化规律进行了数值模拟和分析. 结果表明, 本文提出的快速变焦方案可有效地实现对焦斑与靶丸半径比的实时控制, 且对空间滤波器滤波效果及三倍频转换效率并无明显影响.     

采用透镜列阵与光谱色散改善三倍频小焦斑辐照均匀性

通过数值模拟研究了高功率激光驱动器的光束均匀辐照情况, 分析了三倍频激光辐照下小焦斑的光强分布及空间功率谱. 采用透镜列阵可降低光束近场畸变的影响并控制靶面焦斑的包络形状; 采用二维光谱色散匀滑技术可明显地消除焦斑内部大反衬度的强度调制, 且该方法在焦斑非常小的情况下也仍然有效. 大量的数值模拟结果表明, 光谱色散匀滑技术应用于尺寸不同的焦斑时, 其效果是有差异的. 对大焦斑而言, 光谱色散匀滑主要抹平其内部细密的条纹, 即消除中高空间频率范围的强度调制; 对小焦斑而言, 光谱色散匀滑主要消除中低空间频率范围的强度调制, 故将影响焦斑的整体包络形状. 本文所得的数值结果对间接驱动实验中激光束匀滑方案的选择和优化具有参考价值.     

点火黑腔二维模拟设计

基于二维激光靶耦合流体力学程序,研究设计惯性约束聚变间接驱动点火黑腔的方法.提出先调控X射线驱动温度再调控辐照均匀性的设计顺序.给出总激光功率(特别是主脉冲激光功率)的设计方法.模拟表明,填充气体密度的上限受到槽脉冲P²辐照不均匀性的限制.另外,增加腔长可以抑制靶丸烧蚀层物质的膨胀.最后给出点火黑腔二维设计结果.     

动态聚焦中小焦斑的波前判据

在直接驱动中, 由于靶丸在内爆过程中不断压缩变小, 激光束的初始焦斑与压缩后的靶丸不再匹配, 导致能量从靶丸边缘流失. 光学动态聚焦是指在靶丸压缩变小的过程中, 动态减小辐照焦斑的尺寸, 这对提高光束与靶丸的耦合效率有着非常重要的意义. 靶丸压缩后期小焦斑的实现条件是解决光学动态聚焦的首要问题. 根据光的全频段传输规律, 本文采用构造低频和中高频波前畸变源的方法, 在不同目标焦斑的束匀滑条件下, 分别给出了小焦斑尺寸与低频波前、中高频波前的定标关系, 作为小焦斑实现方式的波前判据. 根据波前判据即可找出要实现不同的小焦斑需对低频和中高频波前畸变矫正控制的范围. 关键词： 直接驱动 光学动态聚焦 波前畸变 焦斑尺寸     

基于束间动态干涉的快速匀滑新方法

针对高功率激光装置中靶面辐照均匀性的高要求,提出了一种利用束间动态干涉改善辐照均匀性的快速匀滑方法.基本原理是利用共轭相位板阵列对存在一定波长差的多束激光附加相位调制,从而使各子束在远场两两相干叠加以产生动态的干涉图样,进而引起焦斑内部散斑的动态扫动,在ps时间内抹平不均匀性.以典型惯性约束聚变装置中的激光集束为例,通过建立基于束间动态干涉的快速匀滑物理模型,定量分析了相位板类型、相位调制幅度和束间波长差等因素对焦斑动态干涉图样的影响及规律,进而对其束匀滑特性进行了讨论.结果表明,基于束间动态干涉的快速匀滑方法可以有效地实现多方向、多维度的焦斑内部散斑快速扫动,且通过与传统束匀滑技术的联用,可以在更短的时间内达到更好的焦斑均匀性.     

基于光束参量优化实现直接驱动靶丸均匀辐照

在直接驱动惯性约束聚变中,实现靶丸均匀辐照对靶丸压缩特性至关重要,通常要求靶丸表面辐照不均匀度小于1%.现有很多优化高功率激光装置均匀辐照性能的光束排布方案,但受到实际入射光束参量的限制,系统均匀辐照性能难以实现最优化.由于初始辐照不均匀度对靶丸对称压缩特性至关重要,为进一步提高靶丸初始辐照的均匀性,并增加系统对打靶过程中由于靶丸直径变化引起的辐照不均匀的宽容度,从而实现靶丸的中心对称压缩,本文对靶丸表面光束的辐照不均匀度进行了数学分析,并研究了不同入射光束参量下的单光束因子项及其对靶丸均匀辐照的影响.结果表明:对于已知的光束排布结构,存在最优的入射光束参量,使辐照均匀度最高.证明了通过优化入射光束参量提高系统均匀辐照性能的可行性.此外,研究表明单光束因子项与几何因子项存在一定的匹配关系,可通过分析几何因子项的特征,求取与之匹配的单光束因子项,进而获得最优的入射光束参量.本工作为直接驱动靶丸均匀辐照系统的设计和优化提供了一种有效的方法.     

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。     

采用啁啾脉冲堆积的时间束平滑技术

成丝不稳定性是间接驱动靶丸均匀压缩面临的重要问题,10μm到100μm的靶面光强起伏对其影响尤为严重,须采用合理的束平滑措施加以抑制。提出用光纤系统对啁啾脉冲堆积,然后对组合脉冲做光谱角色散,利用焦斑不同时刻对应频谱成分不同形成的束平滑机制,抑制焦斑内的高频起伏。利用傅里叶变换方法推导出了光栅色散后的组合脉冲表达式。模拟结果表明,焦斑尺寸随色循环数和光栅色散方向上基准脉冲带宽的增加而增大。通过计算包含焦斑能量95%范围内的通量衬比度随时间变化的曲线,得出一个色循环、基准脉冲带宽0.3~0.5 nm下可以获得最佳的焦斑平滑效果。这种新型的时间束平滑方法结构简单且焦斑特性可调,这些优点使得它在提高靶面辐照均匀性方面具有重要的应用价值。     

神光Ⅲ原型装置直接驱动均匀辐照设计及在快点火中的潜在应用

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。     

神光Ⅱ装置靶丸内爆过程X射线背光照相实验研究

在神光Ⅱ装置上,8路激光注入金柱腔靶产生X射线驱动位于柱腔中心的DD靶丸内爆,第9路激光辐照Pd背光靶产生的L线X射线透视内爆靶丸,用针孔成像方式获得靶丸的透视图像,高速X射线条纹相机记录靶丸透视图像,建立了间接驱动内爆靶丸背光照相的实验方法,清晰地观测到了靶丸内爆的过程,对透视图像分析获得了内爆靶丸壳层运动轨迹和速度的实验数据,所获实验结果可用于间接驱动靶丸优化设计,还可用于内爆动力学数值模拟建模和计算结果的验证。     

神光-Ⅲ原型装置两极驱动的均匀照明研究

梳理了两极驱动的研究思路和神光-Ⅲ原型装置两极驱动的研究内容;提出了针对靶丸表面均匀照明设计的光束近似原则,基于该原则建立了"逐次递进"的方法,优化设计了不同条件下靶丸表面均匀照明的激光条件,并对设计方法进行了数值模拟分析,设计内容在神光一III原型装置上进行了初步的实验验证,结果进一步支持了靶丸表面均匀照明设计的合理性,研究结果为后续的实验设计和理论研究提供了指导方向。     

利用“神光-Ⅱ”激光装置多路光束叠加直接驱动下的冲击波平面性及稳定性

 利用“神光-Ⅱ”的3路基频光输出及小透镜列阵束匀滑技术，通过优化设计和合理地选择光路组合，实现了多路叠加斜入射的驱动激光, 在靶材料中产生一个650~750μm范围内平面性良好的冲击波，有效地提高了“神光-Ⅱ”输出光束的利用率。同时，利用斜面靶进行的冲击稳定性实验表明，在靶面功率密度分别为3.26×10¹⁴及2.56×10¹⁴W/cm²时，冲击波至少在28.38~55.82和22.13~35.07μm的Al样品厚度内是稳定传播的。     

激光直接驱动聚变球靶初始辐照均匀性分析

采用Ｓｋｕｐｓｈｙ－Ｌｅｅ（Ｓ－Ｌ）球谐模分解方法，按一个简化的物理模型，对激光直接驱动聚变中不同束－靶条件下的靶面初始辐照不均匀度的均方根偏差进行了数值计算，由此分析了在光束完全对称排布的多光束辐照系统中，光束截面光强分布，聚焦透镜Ｆ数，离焦参数（靶心室焦距离与靶丸半径之比），光束数这几个主要因素对辐照的均匀性的影响。     

Progress in direct-drive inertial confinement fusion research at the laboratory for laser energetics

Direct-drive inertial confinement fusion (ICF) is expected to demonstrate high gain on the National Ignition Facility (NIF) in the next decade and is a leading candidate for inertial fusion energy production. The demonstration of high areal densities in hydrodynamically scaled cryogenic DT or D₂ implosions with neutron yields that are a significant fraction of the “clean” 1-D predictions will validate the ignition-equivalent direct-drive target performance on the OMEGA laser at the Laboratory for Laser Energetics (LLE). This paper highlights the recent experimental and theoretical progress leading toward achieving this validation in the next few years. The NIF will initially be configured for X-ray drive and with no beams placed at the target equator to provide a symmetric irradiation of a direct-drive capsule. LLE is developing the “polar-direct-drive” (PDD) approach that repoints beams toward the target equator. Initial 2-D simulations have shown ignition. A unique “Saturn-like” plastic ring around the equator refracts the laser light incident near the equator toward the target, improving the drive uniformity. LLE is currently constructing the multibeam, 2.6-kJ/beam, petawatt laser system OMEGA EP. Integrated fast-ignition experiments, combining the OMEGA EP and OMEGA Laser Systems, will begin in FY08.     

塑料闪烁探测器测量辐射驱动内爆的中子产额

本文介绍了在ＬＦ－１２装置上，用塑料闪烁探测器诊断辐射驱动内爆低产额中子的过程，并讨论了中子产额与靶型及靶参数的关系。结果表明，在ＬＦ－１２装置上，对不同的靶，激光辐射驱动内爆的中子产额为１０＾３－１０＾５。