激光聚变主放大器能源系统述评

评述了激光聚变主放大器能源系统的演变过程。在简要评述传统能源系统的基础上,重点指出目前正朝向建立大型的能源组件实现模块化的方向发展,以减少系统元件数目,降低造价。结合NIF和神光Ⅲ原型能源模块的设计思路,述评了减少元件数目、降低造价、建造大型储能模块,以及采用大容量转换开关所带来的技术挑战和解决办法。同时指出开展能源单元技术(包括性能、风险、价格)研究是十分必要的。     

激光聚变主放大器能源系统

激光聚变驱动器要求其能源系统为闪光灯泵浦的放大器提供脉冲能量。传统的能源系统往往需要一些列独立的小型能源单元，而NIF和“神光”Ⅲ原型则采用单个模块储能高达1．6MJ和600kJ的新型能源模块。而且对激光主放大器和功率放大器只需一种规格的能源模块，这就极大地降低了硬件价格和安装费用，新型的能源模块还带有预电离／灯检查系统，其优点是多方面的。     

激光装置新型能源系统技术改造

改造后的新型能源系统特点为：(1)充电机是能源系统中非常重要的设备，在设计时，用LC串联谐振恒流充电，输出端加隔离保护，使电容器端充电波形基本保持为直线，减小干扰信号的产生和对电容器的冲击。充电时间可调，使得在电容器老化的情况下依然可调节充电机使其基本同时达值，这样电容器在高压状态下等待触发的时间变短，有利于电容器的保护，减缓电容器的老化；(2)用了容差0～5％的双电极自愈式金属化膜电容器，该电容器储能密度(0．5J／cm^3)、可靠性高，系统故障承受能力强(能承受3倍正常放电电流峰值约20kA冲击），     

高功率激光放大器中的能量传输

片状放大器系统是高功率激光装置最主要的能量和功率来源，它主要解决驱动器的纵向能量传输和转换问题。放大器中能量转换主要通过储能组件、脉冲氙灯、泵浦腔和增益介质等单元部件实现。为了达到最佳的性能和最高的效率，必须使放大器每一个单元部件设计尽量最优，并保持较高的可靠性。影响储能的主要因素见图1。放大器的设计和优化，关联到众多元器件的协同配合，在各单元的设计中必须考虑到对系统的影响和指标分配。放大器的设计需要是在总体设计的框架下，以提高系统的储能效率、增益能力、降低热效应为目标，结合元器件的可靠性水平，进行系统设计。同样，合理均衡的能量转换和传输过程，也是决定放大器稳定可靠、高效运行的前提和保障。     

紧凑型模块化强激光脉冲能源系统

强激光技术是近年来物理学研究中的活跃领域，以电容器为储能单元的大功率能源系统是强激光装置的重要组成部分，它为氙灯负载提供满足能量、功率和波形要求的激励脉冲。     

激光聚变研究中心激光技术研究进展北大核心CSCD

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。     

强激光能源系统的Marx触发器

针对强激光能源系统对Marx触发器的输出性能和可靠性要求,介绍了一种六级的Marx触发器。通过采用多级低电感脉冲形成电路获得了高幅值、陡前沿的输出脉冲,运用实验与概率分析相结合的方法,确定了它的工作参数。实验研究结果表明：这种Marx触发器的误触发率和触发气体开关成功率均符合两参数的威布尔概率分布;当欠压比为65%、工作电压为13.5 kV、工作气压（绝压）为0.35 MPa时,能输出幅值120 kV、前沿20 ns的电压脉冲;该触发器能同时满足误触发率低于0.000 1%,正常触发成功率高于99.999 9%的技术要求。经过长时间现场运行测试,Marx触发器工作良好,无异常现象。     

强激光能源系统的Marx触发器

针对强激光能源系统对Marx触发器的输出性能和可靠性要求,介绍了一种六级的Marx触发器。通过采用多级低电感脉冲形成电路获得了高幅值、陡前沿的输出脉冲,运用实验与概率分析相结合的方法,确定了它的工作参数。实验研究结果表明:这种Marx触发器的误触发率和触发气体开关成功率均符合两参数的威布尔概率分布;当欠压比为65%、工作电压为13.5 kV、工作气压（绝压）为0.35 MPa时,能输出幅值120 kV、前沿20 ns的电压脉冲;该触发器能同时满足误触发率低于0.000 1%,正常触发成功率高于99.999 9%的技术要求。经过长时间现场运行测试,Marx触发器工作良好,无异常现象。     

强激光能源系统预电离实验研究

新型能源系统预电离实验研究证实：采用预电离技术可以减少闪光灯的导通延时,使电流脉冲前沿变陡,这对提高泵浦效率和闪光寿命无疑是十分有益的。     

强激光能源系统预电离实验研究

 新型能源系统预电离实验研究证实：采用预电离技术可以减少闪光灯的导通延时,使电流脉冲前沿变陡,这对提高泵浦效率和闪光寿命无疑是十分有益的。     

20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究

 对电感储能/电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟，研制了输出峰值功率大于20GW的小型化低阻负载电感储能/电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明：以电容器作为初始能源，在6~10Ω电阻负载上输出脉冲电压大于400kV、脉冲电流50~60kA，峰值功率大于20GW，能量转换效率大于30%。     

激光预处理对光学元件膜层性能的影响

 激光预处理是使膜层提高损伤阈值的一种有效手段，现在流行的激光预处理机理模型之一是缺陷消除模型。实验从对元件膜层激光预处理前后各项参数的对比出发，分析了激光预处理对膜层的影响，说明了光学元件膜层激光预处理的过程，是对膜层去除缺陷、固化、洁净的过程。     

20GW低阻负载电感储能功率调节装置研究

对电感储能/电爆炸丝断路开关功率调节系统进行了数值模拟,研制了输出峰值功率大于20GW的小型化低阻负载电感储能/电爆丝断路开关功率调节装置。实验结果表明：以电容器作为初始能源,在6~10Ω电阻负载上输出脉冲电压大于400kV、脉冲电流50~60kA,峰值功率大于20GW,能量转换效率大于30%。     

强激光能源系统新型放电回路研究

 从理论上分析了强激光能源系统新型放电回路能量传输效率和氙灯能量分配均匀性问题，给出了预电离回路的实验研究结果，此外还介绍了新型大尺寸氙灯爆炸能量的测试情况。     

高功率二极管泵浦激光模块技术研究

 开展了二极管泵浦棒状Nd:YAG激光模块技术研究，在数值模拟激光模块增益分布的基础上对耦合结构进行了优化，初步研制出了高增益振荡级激光模块及高储能放大激光模块。实验结果表明，振荡级激光模块泵浦均匀且增益较高，TEM₀₀模输出情况下单脉冲能量为11.8mJ, 光-光效率为 15%；放大模块在500Hz重复频率下获得了单脉冲400mJ的储能。     

基于加速退化数据的金属化膜脉冲电容器可靠性分析

 基于金属化膜脉冲电容器的失效机理,研究了基于加速退化数据的金属化膜脉冲电容器可靠性评估问题,给出了一个该型电容器的加速退化失效模型和参数统计推断方法。基于试验数据可求得该型电容器可靠性模型中未知参数的估计值分别为9.066 9×10^{-8sup>和0.022 1,将该值代入失效分布函数即可确定电容器的失效模型,由此模型求得该型电容器充放电20 000次的可靠度为0.972 4。使用这种分析方式对金属化膜脉冲电容器进行可靠性分析将更能节省试验时间和费用。}     

固体激光装置能源系统建模及故障分析

能源系统(PCS)为固体激光装置片状放大系统提供匹配的电脉冲泵浦能量,涉及到高压、大电流的充放电过程,在这个过程中可能发生电容器短路、高低压母排短路等灾难性故障。针对上述情况,建立了能源系统及其三种主要故障的数学模型;通过仿真计算分析了氙灯负载非线性特性对系统模型的影响,提出了加入补偿参数的修正模型,并通过实验验证了其有效性;分析了故障情况下关键元件(阻尼电感、调波电感、储能电容)的耐受能力以及保护措施。     

一种用于强激光系统的高比能脉冲电容器

 为了满足“神光-Ⅲ”原型装置能源系统的需要,桂林金属膜电容器厂研制成功一种高比能脉冲电容器,其尺寸为295 mm×138 mm×730(830) mm,额定电压25 kV,额定电容及偏差为55 μF,0~5 %,损耗角正切值(2.5 kV,50 Hz)小于 0.1%,比能达0.56 J/cm³ 。对该型电容器进行性能测试,所得电容偏差都在2%~5%范围,损失角正切值小于0.05%;极间耐压试验全部通过,极-地耐压试验全部通过。寿命试验中,放电电流5 kA,1×10⁴次充放电后,电容量下降1.8%。该型电容器目前已投入运行,工作情况良好。     

光学膜层激光预处理过程研究

 光学元件经过激光预处理后，其抗激光破坏能力最大提高2倍以上，系统研究激光预处理机理和工艺，能安全可靠地提高光学元件损伤阈值，提升高功率激光系统的能量密度。研究了几种sol gel膜、PVD膜在预处理前后膜层表面的变化（损伤形貌）以及损伤阈值的增幅，发现预处理过程膜层仍然发生了一定程度的轻微损伤，这种损伤和膜层本身缺陷、激光参数密切相关，预处理过程可逐步消除膜层缺陷。