ICF低温冷冻靶备技术进展

综述了激光惯性约束聚变研究中的低温冷冻靶的各种制备方法，提出了在我国高功率激光装置上进行了冷冻靶实验的制靶技术的路线。     

ICF低温冷冻靶制备技术进展

 综述了激光惯性约束聚变研究中的低温冷冻靶的各种制备方法, 提出了在我国高功率激光装置上进行冷冻靶实验的制靶技术路线。     

ICF低温冷冻靶制备技术进展

综述了激光惯性约束聚变研究中的低温冷冻靶的各种制备方法, 提出了在我国高功率激光装置上进行冷冻靶实验的制靶技术路线。     

冷冻靶技术研究

在低温物理研究方面，完成高压充气冷冻装置设计工作。设计指标为：充气压力100MPa，增压速率0．5-25MPa／h(可控)，靶丸充注时间6-300h，最小冷却速率1K／min，压力控制精度0．25MPa。系统冷源采用功率0．5-1W、最低温度4．2K的低温制冷机冷却。这种系统使用灵活、方便，只要有电源就可以开展正常的实验，实验时间不受限制，制冷机运行时有微小的振动。     

冷冻靶制备用低温氦气循环系统

常温高压渗透充气、低温冷却的冷冻靶球,需要20K以下的低温循环氦气,用于冷却高压渗透室和低温恒温腔。本套系统采用GM制冷机为冷源,采用专用氦压缩机为循环泵,设计高效率的回热式换热器,实现末端的20K以下低温氦气,通过低温氦气冷却终端部件,实现了20K的低温恒温环境和渗透室的冷却。     

ICF模拟靶和低温冷冻气体的表征

由于DT或DD固态层的折射率很低，而且，其厚度只有几微米到几十微米。这使得光通过DT或DD燃料层时产生的光学路径也只有几微米到几十微米，远小于ICF靶丸。因此，尽管长期以来使用传统的光学干涉仪测定透明ICF靶丸的壁厚，它们却很难用来精确测定DT或DD固态层的厚度。相反，全息照相技术允许直接测定燃料层的厚度，而极大地忽略ICF靶丸的壁厚。在现在的研究中，已经建立全息照相装置，并且已用来测量ICF模拟靶丸的壁厚和气体的厚度。     

ICF冷冻靶微管充气过程中气体压力测量

利用自主设计的冷冻靶微管充气系统,通过在常温环境下向靶盒注入氘气,研究了充气管两端压强差与充气管长度、充气速率及充气时间之间的相互关系。研究表明:微管注入法充气过程中,充气管两端的压强差先增大然后减小最终趋于0;充气管长度越小,充气速率越大,充气管两端压强差达到平衡所需的时间越短。该实验结果与根据修正后的Hagen-Poiseuille方程所得到的理论计算值相吻合。     

ICF用低温冷冻靶制备系统设计

ICF(惯性约束聚变)点火用低温冷冻靶①,需要在常温下,把气体高压渗透入直径1mm以内,厚度um数量级的靶球体内,最终压力:100MPa～150MPa,再由制冷系统降温至20K以下,此过程中,靶球的温度场也降温至20K以内.降温及清洗结束后,由送靶机构取出用于分层和物理诊断等.本装置实现冷冻靶的气体渗透充填、冷却降温、分层时的精确控温等过程.     

三角形微通道流动冷凝的实验研究

实验研究了三角形硅微通道中的流动冷凝.通道中的冷凝流型沿程主要有珠状流、环状流、喷射流和弹状-泡状流等.在同一通道中,喷射流位置随着工质流量的增大而延后;在相同蒸气入口雷诺数下,喷射流位置则随着通道尺度的增大而延后.喷射流频率随着蒸气入口雷诺数和冷凝液韦伯数的增大而增大.较小水力直径的三角形通道中的流动冷凝不稳定性较高.冷凝通道的壁面温度呈沿程下降趋势.在同一通道中,流动冷凝的平均冷凝传热系数和平均努塞尔数,皆随着蒸气入口雷诺数的增大而增大,通道尺度的减小显著强化冷凝传热.     

ICF冷冻靶燃料冰层原位表征技术

背光阴影成像是表征ICF冷冻靶燃料冰层的有效方法。基于背光阴影成像技术,冷冻靶燃料冰层原位表征技术能原位实时监测靶丸内燃料气体相变与冰层均化过程,得到打靶零前时刻燃料冰层厚度和粗糙度信息,为物理实验提供准确参数。在冷冻靶制备实验中,根据背光阴影成像的光线追迹模型和实验测得的阴影图像中的亮环位置,计算得到了均化后冷冻靶中燃料冰层的厚度以及内表面粗糙度。     

惯性约束聚变靶丸内杂质气体抽空流洗过程的数值模拟

低温冷冻靶是实现惯性约束聚变(inertial confinement fusion,ICF)的关键部件之一.低温靶靶丸内杂质气体的去除程度和效率对低温靶燃料冰层的在线制备具有重要意义.依据低温靶物理对冰层杂质含量的设计要求,在计算靶丸内杂质气体最大允许分压的基础上,建立了靶丸内气体在微米级充气管内流动的抽空流洗模型....     

A cryogenic target to study charge nonsymmetric muonic molecules

An experimental setup, including a cryogenic gas target with temperature control and gas filling systems, has been developed to study muon catalyzed fusion in gas mixtures of hydrogen and helium isotopes. This revised version was published online in August 2006 with corrections to the Cover Date.     

无抖动ICF冷冻靶干涉图像的获取

提出一种克服由于冷冻靶制冷系统和真空系统工作时引起的振动所带来的干涉图像抖动的方法。通过两个完全相同的CCD同步捕获冷冻靶干涉图像和空间位置图像,以位置图像来标定冷冻靶的振动情况,从而获得冷冻靶在不同状态下的干涉图像。在标定冷冻靶位置的过程中,提出了频率估计、投影标定、特征匹配和全匹配这4种算法,并给出了对应的数字图像处理算法流程。     

无抖动ICF冷冻靶干涉图像的获取

提出一种克服由于冷冻靶制冷系统和真空系统工作时引起的振动所带来的干涉图像抖动的方法。通过两个完全相同的CCD同步捕获冷冻靶干涉图像和空间位置图像,以位置图像来标定冷冻靶的振动情况,从而获得冷冻靶在不同状态下的干涉图像。在标定冷冻靶位置的过程中,提出了频率估计、投影标定、特征匹配和全匹配这4种算法,并给出了对应的数字图像处理算法流程。     

透射式X光管研制

X光管是X射线源的关键部件,为了研制出便携式X射线标定源,研制了一种透射式X光管。该X光管是一个密封的电子束真空二极管,其阴极为竖直的梳齿状结构,电子更容易发射;靶窗为100 μm厚的钛片;内部为真空腔,使用95陶瓷作为真空界面绝缘体,采用金属-陶瓷封接工艺,真空度达到5×10⁻⁵ Pa。实验结果表明,所研制的X光管在距靶窗20 cm处剂量约为20 mR,此时X射线的脉冲宽度约为5 ns。     

冷冻靶校准误差和烧蚀层粗糙度对氘氚层均匀性的影响

 理论分析了氘氚层外表面的温差与其粗糙度间的关系;以法国兆焦激光装置LMJ为原型,利用计算流体力学程序Fluent,分别模拟了靶丸轴向偏离黑腔中心不同尺度和烧蚀层存在不同大小的非均匀厚度对氘氚层温度分布的影响,求得了这两种误差引起氘氚层厚度的非均匀度。结果表明：为了满足点火靶的要求,靶丸轴向偏离腔体中心的尺度须在8.5 μm内,烧蚀层轴向粗糙度则应控制在0.72 μm内。     

冷冻靶校准误差和烧蚀层粗糙度对氘氚层均匀性的影响

理论分析了氘氚层外表面的温差与其粗糙度间的关系;以法国兆焦激光装置LMJ为原型,利用计算流体力学程序Fluent,分别模拟了靶丸轴向偏离黑腔中心不同尺度和烧蚀层存在不同大小的非均匀厚度对氘氚层温度分布的影响,求得了这两种误差引起氘氚层厚度的非均匀度。结果表明：为了满足点火靶的要求,靶丸轴向偏离腔体中心的尺度须在8.5 μm内,烧蚀层轴向粗糙度则应控制在0.72 μm内。     

辐射换热对冷冻靶温度影响的数值分析

为了研究辐射换热对惯性约束聚变间接驱动靶系统的温度场影响,建立了带有辐射屏蔽罩的冷冻靶系统数值计算模型,利用FLUENT软件的离散坐标辐射模型分析了系统的辐射换热,并对影响辐射换热的相关结构和参数进行了模拟优化。结果表明：采用双层屏蔽罩、减小屏蔽罩的发射率、增大屏蔽罩的散射分数和金腔的吸收率、增设暴风窗,均可有效减小靶丸与外界的辐射换热,从而改善靶丸表面的温度均匀性。     

冷冻靶中硅冷却臂的温度场和力学分析

冷冻靶是实现惯性约束聚变高能量增益的重要靶型。冷却臂是冷冻靶的重要部件之一,通过它将冷源与铝套筒相连接,用于获得靶丸内均匀氘氚冰层时所需的精确温度,同时冷却臂也用于均匀夹持铝套筒。首先测试分析了硅材料在深低温下的热传导系数,表明硅材料在该温区具有优异的热传导能力。研究了硅冷却臂结构参数对冷却臂温度场分布的影响。分析不同晶向硅冷却臂周向均匀夹持铝套筒的特性,提出基于(111)晶向硅片研制冷却臂。研究了冷却臂力臂夹持力和共振频率,并对硅冷却臂的热-结构耦合进行分析。最后设计具有16个夹持力臂的二级分叉结构的冷却臂。基于微电子机械系统技术研制了硅冷却臂样机,并测试了冷却臂的侧壁垂直度和力学特性。将研制的硅冷却臂与铝套筒进行装配,表明冷却臂中力臂的力学特性能够实现对套筒的夹持。     

黑腔冷冻靶传热与自然对流的数值模拟研究

惯性约束聚变的设计要求在靶丸内形成均匀光滑的氘氚冰层, 靶丸周围的热环境对冰层的质量特别是低阶粗糙度有很大的影响. 本文对自主研发的黑腔冷冻靶实验装置中的热物理问题展开了数值模拟, 重点考察了黑腔冷冻靶的传热和流体力学特性. 通过参数分析得到了自然对流对靶丸温度均匀性产生影响的临界条件. 比较了黑腔不同布置朝向时的流场和温度分布, 结果显示黑腔水平布置时自然对流更加强烈, 造成的靶丸温度不均匀性也更大. 在此基础上, 讨论了消除自然对流影响的可能性, 结果发现仅当黑腔垂直布置时利用黑腔分区方法能够消除对流效应对靶丸温度不均匀性的影响而黑腔水平布置时不能消除. 研究结论对于实验中冷冻靶结构的设计、改进和实验的开展等具有指导意义.