基于聚龙一号的钨丝阵Z箍缩内爆辐射特性

介绍了基于聚龙一号装置的Z箍缩诊断和实验布局, 分析了丝数132~300、丝直径5~10 m、丝阵直径13~30 mm的单/双层钨丝阵Z箍缩内爆动力学过程和软X射线辐射特性规律。研究表明, 钨丝阵等离子体的停滞时间与零维薄壳模型计算的停滞时间一致, 内爆轨迹存在偏离, 丝阵等离子体内爆开始前以丝烧蚀为主, 内爆开始时间约为总内爆时间的67%;随着负载质量和半径的增大, 负载电流、内爆停滞时间和X射线辐射脉冲半高宽也相应增加, X射线辐射峰值功率减小。双层钨丝阵的内爆均匀性和一致性优于单层丝阵, 其辐射峰值功率明显高于单层钨丝阵, 但单/双层钨丝阵辐射产额基本相当, 能量转换效率约为15%。此外, 还初步讨论了单层钨丝阵驱动的低密度泡沫动态黑腔辐射功率波形特征及其与纯钨丝阵内爆辐射的差异。     

Z箍缩动态黑腔形成过程MULTI程序一维数值模拟

Z箍缩动态黑腔能够高效地将Z箍缩丝阵等离子体动能转换为黑腔辐射能,为驱动惯性约束靶丸聚变提供高品质的X射线辐射场.利用一维双温多群辐射磁流体力学程序MULTI-IFE,研究了"聚龙一号"装置驱动电流条件下的Z箍缩动态黑腔形成基本物理过程.数值模拟结果表明,在动态黑腔形成过程中,辐射热波的传播速度比冲击波的传播速度更快,比冲击波更早到达泡沫中心,使中心区域的泡沫在冲击波到达前就已具有较高的辐射温度.对于"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次采用的负载参数,辐射热波和冲击波在泡沫中的传播速度分别约为36.1 cm/μs和17.6 cm/μs,黑腔辐射温度在黑腔形成初期约80 eV,在冲击波到达泡沫中心前可达100 eV以上,丝阵等离子体外表面发射的X射线能量集中在1000 eV以下.本文给出了程序采用的计算模型、美国"土星"装置丝阵内爆计算结果和"聚龙一号"装置动态黑腔实验0180发次模拟结果.     

Z箍缩动态黑腔形成过程和关键影响因素数值模拟研究

在Z箍缩动态黑腔研究中, 认识黑腔形成物理过程及主要特征, 明确优化黑腔辐射的关键参数, 是实验物理设计的重要基础. 本文针对W丝阵填充CH泡沫转换体的负载构型, 利用一维辐射磁流体程序, 在8 MA驱动电流条件下开展了动态黑腔形成过程和关键影响因素的数值模拟研究. 结果表明, 丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用产生局部高压力区是驱动冲击波传播和形成动态黑腔的关键物理过程. 由于辐射超声速传播及其与冲击波波阵面的空间分离, 产生了辐射温度较高而物质未受明显压缩的动态黑腔区域. 丝阵等离子体碰撞泡沫转换体前的状态分布决定了动态黑腔辐射场的主要特征, 可以通过改变负载参数调整并优化黑腔辐射波形. 综合考虑黑腔峰值辐射温度和有效维持时间两个参数, 选择匹配质量的丝阵和泡沫, 使丝阵质量略小于泡沫, 可以获得相对优化的动态黑腔辐射波形. 同时, 合适的丝阵/泡沫初始半径比也是优化动态黑腔辐射的重要影响因素.     

Z箍缩丝阵负载微型装配系统

 在利用金属丝阵Z箍缩产生强X射线辐射的方法中,为获得超强X射线,一般采用直径几μm的钨丝构成单、双或多层圆柱面状丝阵负载,其中丝阵负载的结构和装配精度是关键因素。为制备出均匀、平直的丝阵负载,进行了Z箍缩丝阵负载微型装配系统的研制,建立了基于机器视觉、微力传感器和精密运动控制系统的Z箍缩丝阵负载微型装配实验系统。该系统成功实现了双层直径5 μm钨丝丝阵的装配,且张力控制精度达0.002 N。     

4MA以下电流驱动垂直动态黑腔的自适应性

在4 MA以下电流驱动Z箍缩黑腔辐射特性和耦合效率研究牵引下,研制出了柱型动态黑腔。利用CHO低密度泡沫的自持能力,结合辅助夹具解决了泡沫柱的装配及定位问题。基于负载丝受小应变作用,丝阵和泡沫柱通过μm量级的自由滑动和转动,具备自动适应靶室环境变化能力。实验结果表明:研制出的动态黑腔在Angara-5-1装置环境中具有自动适应能力,各项参数满足物理实验的需求,获得的最高动力学黑腔X光辐射温度为62.7 eV,实验结果重复性优于91.5%。     

Z箍缩动态黑腔冲击波辐射图像诊断

在“聚龙一号”装置上开展了单层钨丝阵加载重泡沫的动态黑腔实验, 初步研究了Z 箍缩动态黑腔中冲击波传播和黑腔形成的物理过程. 获得了冲击波辐射环的演化图像, 分析了丝阵等离子体与泡沫的作用过程及动态黑腔内的辐射特性. 测得冲击波的向心传播速度为(14.2±1.7) cm/μs, 冲击波平均宽度为0.8-0.9 mm. 冲击波辐射环的发光强度沿角向分布的标准偏差约为±10%, 中心黑腔区的标准偏差约为±4.2%.     

表面绝缘对平面钨丝阵Z箍缩早期过程的影响

在"强光一号"装置上研究了表面绝缘对平面钨丝阵早期过程的影响。通过对实验结果的唯象分析,发现相对于标准丝阵,表面绝缘丝阵X射线辐射被强烈延迟,并与丝阵宽度有较强的依赖关系,在X射线辐射之前存在较强的阴极发射;表面绝缘丝阵X射线辐射副脉冲幅值是标准丝阵两倍,且存在较长的平台期,其单丝等离子体膨胀导致的温度降低效应比标准丝阵强;在快速内爆开始之前,两者形成了类似的宏观磁流体不稳定性结构。     

Z箍缩内爆等离子体双层丝阵负载设计的物理分析

实验证实双层金属丝阵负载Z箍缩内爆等离子体产生的X光辐射源,与单层丝阵负载相比可以提高40%的功率。为了优化Z装置上双层丝阵负载实验方案的设计,从内爆动力学过程和Rayle igh-Taylor(RT)不稳定性发展过程进行了理论分析。分析表明:双层丝阵负载实验不会提高X光辐射的总能量,但可以明显地提高辐射功率;双层丝阵的外半径应与单层丝阵负载优化方案的半径相一致;双层丝阵内、外层质量的选取应以优化的单层丝阵内爆到心时间为标准;内层丝阵置于外层丝阵半径的正中位置上,更有利于抑制RT不稳定性。     

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.     

Z箍缩动态黑腔动力学及辐射特性初步实验研究

在“强光一号”装置进行的Z箍缩动态黑腔实验中, 初步系统研究了动态黑腔的内爆动力学特性及辐射特性的一般规律. 通过高空间分辨图像, 对丝阵与泡沫黑腔碰撞前后泡沫辐射场的变化, 泡沫对不稳定性发展的抑制开展了细致研究. 实验结果显示, 动态黑腔负载内爆的辐射功率波形呈现双峰结构, 首峰和主峰分别对应于碰撞和滞止过程. 8 mm负载的内爆速度高于12 mm负载, 但其他内爆动力学参数和辐射参数均无明显差异. 实验使用的泡沫黑腔能够很好地抑制不稳定性的发展, 但在泡沫内部未能实现对辐射的均匀控制, 滞止泡沫等离子体柱上仍能轻易区分辐射较强和辐射较弱的区域. 关键词： Z箍缩动态黑腔 泡沫黑腔 动力学特性 辐射特性     

A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion

In this paper,a six-cylinder-port hohlraum is proposed to provide high symmetry flux on capsule.It is designed to ignite a capsule with 1.2-mm radius in indirect-drive inertial confinement fusion(ICF).Flux symmetry and laser energy are calculated by using three-dimensional view factor method and laser energy balance in hohlraum.Plasma conditions are analyzed based on the two-dimensional radiation-hydrodynamic simulations.There is no Y_(lm)(l≤4) asymmetry in the six-cylinder-port hohlraum when the influences of laser entrance holes(LEHs) and laser spots cancel each other out with suitable target parameters.A radiation drive with 300 eV and good flux symmetry can be achieved by using a laser energy of 2.3 MJ and peak power of 500 TW.According to the simulations,the electron temperature and the electron density on the wall of laser cone are high and low,respectively,which are similar to those of outer cones in the hohlraums on National Ignition Facility(NTF).And the laser intensity is also as low as those of NIF outer cones.So the backscattering due to laser plasma interaction(LPI) is considered to be negligible.The six-cyliner-port hohlraum could be superior to the traditional cylindrical hohlraum and the octahedral hohlraum in both higher symmetry and lower backscattering without supplementary technology at an acceptable laser energy level.It is undoubted that the hohlraum will add to the diversity of ICF approaches.     

激光间接驱动聚变柱形腔靶内壁光斑参数计算

 用几何光学计算了柱形腔壁上的激光光斑参数, 包括光斑的位置、形状、大小以及光斑内的光强分布, 同时还计算了在激光注入孔的光斑参数, 这对分析靶丸的初始辐射均匀性、确定腔壁上的辐照强度大小和判断能否将激光有效地注入腔内都是非常重要的。     

间接驱动的内爆不对称性随腔长和时间变化的研究

在激光间接驱动惯性约束聚变中, 为达到高密度压缩以实现点火, 对靶丸内爆对称性和黑腔辐射场均匀性有严格的要求. 为了研究内爆不对称性随腔长和时间的变化, 实验中采用了三种不同尺寸的黑腔, 利用X光分幅相机观测了靶丸燃料区自发光, 获得了压缩变形过程和椭圆度变化规律, 初步判断了在三种腔型中腔长1700 μm 的黑腔较接近神光Ⅲ原型装置内爆对称性要求. 根据视角因子程序计算得到辐射流不对称性随时间变化情况, 通过一个简化的解析模型推导出内爆形变不对称性随时间变化过程, 与实验结果大致符合. 由此进一步分析了黑腔辐射场不均匀性的演化导致内爆不对称性随腔长和时间变化的物理机制. 关键词： 内爆不对称性 黑腔辐射场不均匀性 腔长 视角因子程序     

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。     

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介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2ns三倍频激光与黑腔靶相互作用的实验。报道了采用PIN探测器阵列测量大角度受激Raman散射（SRS）角分布和采用激光卡计对背向SRS光能量积分测量的实验结果。相同实验条件下激光辐照缝靶产生的SRS光能量要强于激光与全腔靶作用产生的SRS光，小腔靶的SRS光能量要强于标准腔靶。对比长脉冲2ns及短脉冲1ns激光打靶实验结果可以看出：由于激光功率密度的下降，长脉冲激光打靶时SRS散射光能量要弱于短脉冲激光打靶。长脉冲2ns激光与标准腔靶相互作用时，等离子体堵腔比较严重。     

Influence analysis of symmetry on capsule in six-cylinder-port hohlraum

We have investigated the flux symmetry on the capsule in a six-cylinder-port hohlraum for improving the design of the hohlraum. The influence factors of drive symmetry on the capsule in the hohlraum are studied, including laser power,laser beams arrangement, hohlraum geometric parameters, plasma condition, capsule convergence, etc. The x-ray radiation flux distribution on the capsule is obtained based on the three-dimensional view factor model. In the six-cylinder-port hohlraum, the main drive asymmetry is the C40 mode asymmetry. When the C40 mode asymmetry approaches zero, the drive symmetry on the capsule is optimal. Our results demonstrate that in order to have a high flux symmetry on the capsule in the laser main-pulse stage, more negative initial C40 modes are needed, which can be realized by adjusting the hohlraum geometry parameters. The hohlraum with column length L_H = 4.81 mm has an optimal symmetry in the laser main-pulse stage.     

钛空腔靶高强度keV X射线源的实验研究

利用神光-Ⅲ原型激光装置实验研究了8束ns激光脉冲从一端注入钛空腔靶产生的keV X射线源的辐射特征,发现keV X射线主要产生于腔轴附近;钛空腔靶内径过大时keV X射线能流的峰值强度较低,内径过小时keV X射线能流的持续时间较短。为了在4π空间内使钛空腔靶获得最大的X射线(4~7keV能段)转换效率,腔内径的最优值在1000~1300μm附近,此时的keV X射线转换效率为4.7%,是相同激光参数下钛平面靶的2倍左右。激光单端注入有底部钛膜和无底部钛膜的空腔靶对比实验显示,底膜能够增强keV X射线的发射。     

神光III主机上球腔辐射场实验的三维数值模拟与分析

2015年在神光Ⅲ激光装置上开展了两孔球腔物理实验.利用三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序模拟两孔球腔中的辐射输运问题,研究辐射场分布及其动态演化过程.数值模拟结果大多数与实验结果符合较好,但局部位置存在明显差异.分析了产生差异的可能原因,提出解决措施及未来发展方向.综合数值模拟结果及其与实验结果的对比可知,三维隐式蒙特卡罗数值模拟程序具备较好的黑腔三维辐射输运数值模拟能力.     

腔靶产生的平面辐射场特性的数值模拟

 计算了不同腔靶构型参数对靶板能量效率和辐照均匀度的影响, 由此给出有较大能量效率和辐照均匀度的腔靶构型。合适的平面靶与腔壁的面积比既使平面靶的能量利用效率趋近理想又使得平面靶不太大以满足均匀度要求。     

超热电子与金黑腔靶作用产生硬X射线的蒙特卡罗模拟

激光打靶产生大量麦氏分布的超热电子,与金腔靶相互作用产生硬X射线.利用蒙特卡罗方法,对超热电子在金腔靶中的传输进行了研究,模拟了在不同超热电子温度、份额下硬X射线谱的变化及在不同腔体尺寸、腔壁厚度情况下,硬X射线谱的变化情况,给出硬X射线产生效率的决定因素.利用硬X射线谱反推得到的超热电子信息与蒙特卡罗程序模拟结果相结合的方法,获得金腔内部超热电子初始信息. 关键词： 热电子 超热电子 蒙特卡罗方法 硬X射线