X射线高空间分辨多色显微成像系统研制及应用

在激光间接驱动惯性约束聚变(ICF)领域中,获得具有极高空间分辨率(优于5μm)的X射线辐射图像,是研究烧蚀不稳定性、内爆流线等关键物理过程的数据基础。基于掠入射反射式成像原理的Kirkpatrick-Baez(KB)显微成像系统作为一种具有高空间分辨率和集光效率的X射线显微诊断设备,目前已成为国际ICF装置的X射线关键诊断设备。在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置条件上开展了KB诊断技术及设备的研究,在KB系统的光学设计、光学元件和物镜与系统装调技术等方面取得了许多重要进展,研制了大视场KB、多色KB等高分辨率X射线显微成像系统。这些系统已应用于我国的ICF内爆芯部发光和流线测量、流体不稳定增长测量等实验中,为关键物理量的测量提供了高空间分辨率的清晰图像。     

球坐标下二维激光驱动内爆的数值模拟

概述了球坐标下二维内爆动力学研究的物理问题和使用的计算方法.讨论了用隐式完全守恒差分格式求解流体力学方程组,用变分原理求解热传导方程等特点.给出了数值模拟的算例,以考查激光不对称性对直接驱动内爆过程的影响.     

辐射烧蚀界面的单模Rayleigh-Taylor不稳定性分析

首先对惯性约束聚变(ICF)遇到的流体力学界面不稳定性作了简要的分析;其次讨论了Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性在ICF中所起的作用;第三,根据一维数值计算结果,按照考虑密度梯度和烧蚀致稳的RT不稳定性增长的定标规律对不稳定性增长作了估计。最后在计算结果的讨论中,对有关实验测量提出某些倾向性的建议。     

神光Ⅱ装置上间接驱动烧蚀瑞利-泰勒不稳定性实验分析

在神光Ⅱ激光装置上开展了一系列辐射烧蚀Rayleigh-Taylor(RT)不稳定性实验。平面靶烧蚀加速飞行轨迹实验结果与LARED-S模拟结果的比较表明腔壁辐射源能流明显小于激光注入孔的辐射能流,且辐射源的非平衡Planckian谱对靶的飞行轨迹和扰动增长有重要影响。实验分别观测到初始小扰动幅度烧蚀RT明显的增长和初始大扰动幅度尖钉变窄和气泡变宽的清晰物理图像。通过提高空间分辨率,实验获得了二次和三次谐波的增长数据,模拟结果与实验结果相符合。神光Ⅱ激光装置上开展的流体不稳定性实验考核了LARED-S程序的一维和二维计算。     

激光聚变极端环境下X光高速摄影技术研究进展

在激光惯性约束聚变（ICF）研究中，通过X光高速摄影获取的图像数据能够反映等离子体中由于做功和能量输运导致的流体状态的时空演化信息，与之相关的诊断技术与工程研究一直以来都是ICF诊断能力建设的重要组成部分。介绍了作为我国ICF工程的主要实施单位之一，中国工程物理研究院激光聚变研究中心近年来在X光高速摄影技术研究方面取得重要进展，包括:（1）面向神光系列激光装置，开发了系列工程化的100 ps曝光高速摄影相机，整体达到国际先进水平，并在高灵敏探测、透射式带通滤波和结构小型化等方面形成中国特色；（2）提出微扫描门控、同视扫描分幅等10 ps曝光X光高速摄影新技术，为突破时间分辨瓶颈做出有益尝试；（3）在国内率先开展抗辐射加固高速摄影相机理论设计、技术验证与工程设计；（4）针对激光聚变靶碎片对设备安全的威胁，在国内首次开展靶碎片的理论建模与仿真研究，并开展首次验证实验，取得重要进展。     

激光烧蚀瑞利泰勒不稳定性数值研究

 介绍了激光烧蚀流体不稳定性计算程序EUL3D,其计算结果与Takabe 公式、FAST2D程序和LASNEX程序的结果以及日本大阪大学激光烧蚀瑞利—泰勒(RT)不稳定性实验,都较好符合,发现了横向电子热传导烧蚀在长波长扰动的非线性瑞利—泰勒不稳定性演变中起重要作用。在合理近似下,得到了烧蚀RT不稳定性线性增长率的预热致稳公式,此公式除包含了烧蚀对流致稳和密度梯度致稳因素外,还包含了Atwood数变小致稳因素,因此与各种情况的二维计算值都很好符合。     

柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性的数值模拟

 给出了柱几何中流体力学方程组及其在数值模拟中采用的计算方法。对二维柱几何Rayleigh-Taylor不稳定性进行数值模拟，在线性阶段与线性理论符合得很好；不稳定性增长进入非线性区域的阈值依赖于界面的位置，并且明显不同于平面情况。     

神光Ⅱ装置上辐射驱动瑞利-泰勒不稳定性实验

在神光Ⅱ装置上开展了辐射驱动RT不稳定性的一系列实验,获得了不同初始扰动幅度、不同扰动波长、不同材料样品等条件下辐射烧蚀RT不稳定性增长的高时空分辨背光图像,特别是在大初始扰动幅度样品实验中获得了扰动增长的清晰图像,观察到了扰动增长从线性区到非线性区的过渡过程,二次和三次谐波的产生和发展清楚可见。充实了数值模拟程序考核的实验数据库,对间接驱动ICF点火靶设计和研究具有重要作用。     

神光-Ⅲ主机装置成功实现60TW/180kJ三倍频激光输出北大核心CSCD

2015年9月15日,由中国工程物理研究院激光聚变研究中心承担研制的神光-Ⅲ主机装置成功完成了48束激光三倍频180kJ/3ns、峰值功率60TW的输出测试实验,标志着神光-Ⅲ主机装置已全面建成并达到设计指标,成为现有输出能力世界排名第二、亚洲排名第一的惯性约束聚变激光驱动器。     

激光聚变内爆流体不稳定性基础问题研究进展

激光聚变有望一劳永逸地解决人类的能源问题,因而受到国际社会的普遍重视,一直是国际研究的前沿热点。目前实现激光惯性约束聚变所面临的最大科学障碍（属于内禀困难）是对内爆过程中高能量密度流体力学不稳定性引起的非线性流动的有效控制,对其研究涵盖高能量密度物理、等离子体物理、流体力学、计算科学、强冲击物理和高压原子物理等多个学科,同时还要具备大规模多物理多尺度多介质流动的数值模拟能力和高功率大型激光装置等研究条件。作为新兴研究课题,高能量密度非线性流动问题充满了各种新奇的现象亟待探索。此外,流体力学不稳定性及其引起的湍流混合,还是天体物理现象（如星系碰撞与合并、恒星演化、原始恒星的形成以及超新星爆炸）中的重要过程,涉及天体物理的一些核心研究内容。本文首先综述了高能量密度非线性流动研究的现状和进展,梳理了其中的挑战和机遇。然后介绍了传统中心点火激光聚变内爆过程发生的主要流体力学不稳定性,在大量分解和综合物理研究基础上,凝练出了目前制约美国国家点火装置（NIF）内爆性能的主要流体不稳定性问题。接下来,总结了国外激光聚变流体不稳定性实验物理的研究概况。最后,展示了内爆物理团队近些年在激光聚变内爆流体不稳定性基础性问题方面的主要研究进展。该团队一直从事激光聚变内爆非线性流动研究与控制,以及聚变靶物理研究与设计,注重理论探索和实验研究相结合,近年来在内爆重要流体力学不稳定性问题的解析理论、数值模拟和激光装置实验设计与数据分析等方面取得了一系列重要成果,有力地推动了该研究方向在国内的发展。