基于纯冲击波聚心的准一维氘氘内爆物理实验

在神光Ⅲ原型装置上利用八路6400J/1ns激光注入1100μm×1850μm的黑腔内产生210eV的高温辐射场,均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆。实验中选择高气压薄壳靶丸实现纯冲击波聚心内爆。通过闪烁体探测器、中子条纹相机等多套诊断设备获取了中子产额、聚变反应时刻等关键内爆参数。结合一维数值模拟表明,实验测量的中子产额与干净一维数值模拟计算的中子产额之比达到90%;同时通过人为破坏内爆对称性等方式表明,该设计下内爆中子产生机制集中于冲击波聚心,其内爆性能受到高维因素影响极低,从而实现了准一维内爆。     

An improved method of unfolding neutron TOF spectrum for low ion temperature inertial confinement fusion

The fuel ion temperature in inertial confinement fusion can be determined from the neutron energy spectrum. For the implosion experiment with low neutron yield, and thus low signal-to-noise ratio, a new technique to unfold the neutron energy spectrum from the observed neutron time-of-flight signal is presented in this paper. This method uses a low-pass filter to remove noise from the signal with a threshold value determined by power spectrum analysis. This technique has been applied to the analysis of the observed neutron time-of-flight signals in the indirect drive implosion experiment conducted on Shenguang Ⅲ prototype laser facility, and fuel ion temperatures of about 1.0 keV are obtained.     

神光Ⅲ主机双束组激光间接驱动内爆实验研究

在神光Ⅲ主机装置上,利用已经建成的两个激光束组,开展了激光间接驱动内爆物理磨合实验,是神光Ⅲ主机装置首次出中子实验。实验采用1400μm×2100μm黑腔,500μm的塑料靶丸充1 MPa的DD燃料,激光从黑腔两端55°注入。实验获得的最高中子产额为9.7×108。实验结果表明,实验黑腔的耦合效率约为50%;使用的黑腔偏长,靶丸被压缩为"薄饼形";中子产额和激光能量正相关;中子发射峰值时刻主要依赖于烧蚀层厚度。     

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     

Diagnostic technique for measuring fusion reaction rate for inertial confinement fusion experiments at Shen Guang-III prototype laser facility

A study is conducted using a two-dimensional simulation program(Lared-s)with the goal of developing a technique to evaluate the effect of Rayleigh–Taylor growth in a neutron fusion reaction region.Two peaks of fusion reaction rate are simulated by using a two-dimensional simulation program(Lared-s)and confirmed by the experimental results.A neutron temporal diagnostic(NTD)system is developed with a high temporal resolution of~30 ps at the Shen Guang-III(SG-III)prototype laser facility in China,to measure the fusion reaction rate history.With the shape of neutron reaction rate curve and the spherical harmonic function in this paper,the degree of Rayleigh–Taylor growth and the main source of the neutron yield in our experiment can be estimated qualitatively.This technique,including the diagnostic system and the simulation program,may provide important information for obtaining a higher neutron yield in implosion experiments of inertial confinement fusion.     

神光Ⅲ激光装置直接驱动内爆靶产生的连续谱X光源

激光驱动的内爆靶通过轫致辐射过程可以产生覆盖1—100 keV能区的小尺寸、短脉冲和高亮度的光滑连续谱X光源,可用于高密度等离子体的点投影照相和吸收谱诊断等.本文对30—180 k J输出能量的神光Ⅲ激光装置直接驱动氘氚冷冻靶产生的连续谱X光源辐射特性进行了模拟研究,为优化内爆光源提供物理基础.采用了美国OMEGA激光装置和美国国家点火装置(NIF)使用的定标率来给出不同驱动能量时的靶参数和激光脉冲参数.研究发现,内爆靶丸在停滞阶段瞬时的密度和温度剧增可以产生尺寸约100μm、发光时间约150 ps的X光脉冲;X光辐射主要产生于被压缩的氘氚冰壳层内侧、而不是中心的高温气体热斑区;等离子体的自吸收可以显著降低1—3 keV的较低能区的X光发射,但对更高能区没有影响;X光辐射主要集中在30 keV的较低能区,氘氚聚变反应可以增强30 keV的硬X光辐射、但对30 keV的较软的X光辐射没有明显贡献.     

神光Ⅱ与神光Ⅲ原型上的辐射驱动小收缩比内爆靶设计

本文建立辐射驱动小收缩比(5至10倍)的内爆靶丸的设计方法,并利用辐射流体力学程序Multi-1d对神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置的辐射驱动小收缩比内爆靶丸进行模拟计算,设计出小收缩比内爆靶丸的构形,计算结果给出压缩比、中子产额、压缩面密度随燃料压力变化等内爆物理参量.神光Ⅱ装置上的内爆靶燃料分别采用DD气体和DT气体两种;神光Ⅲ原型装置的内爆靶燃料采用DD气体.神光Ⅱ上小收缩比内爆实验结果与模拟结果基本一致,表明Multi-1d用于设计此类实验的可靠性. 关键词： 辐射驱动 小收缩比 内爆 面密度     

Enhanced direct-drive implosions with thin high-Z ablation layers

New direct-drive spherical implosion experiments with deuterium filled plastic shells have demonstrated significant and absolute (2x) improvements in neutron yield when the shells are coated with a very thin layer ( approximately 200-400 A) of high-Z material such as palladium. This improvement is interpreted as resulting from increased stability of the imploding shell. These results provide for a possible path to control laser imprint and stability in laser-fusion-energy target designs.     

X射线相衬成像技术应用于高能量密度物理条件下内爆靶丸诊断

内爆压缩过程中多层球壳靶丸变化规律的研究是惯性约束聚变的核心内容. 利用相衬成像技术可以提高低Z材料分界面成像衬度的特点在神光Ⅱ大型激光装置上开展了相关研究. 实验通过激光打Ti靶和针孔点背光的方式产生4.75 keV的X射线微点源, 针对内爆压缩过程中的靶丸样品投影成像获得了清晰的多层球壳靶丸图像, 空间分辨率优于10 μm.同时利用一维流体力学数值模拟程序分析了球壳运动的过程, 实验结果与数值模拟结果符合较好.表明了X射线相衬成像技术在高能量密度物理环境下仍然能够提高低Z材料分界面的衬度,获得高质量的物理图像,能够广泛应用于可控聚变能源、 天体物理等前沿科学领域.     

Increasing hydrodynamic efficiency by reducing cross-beam energy transfer in direct-drive-implosion experiments

A series of experiments to determine the optimum laser-beam radius by balancing the reduction of cross-beam energy transfer (CBET) with increased illumination nonuniformities shows that the hydrodynamic efficiency is increased by ～35%, which leads to a factor of 2.6 increase in the neutron yield when the laser-spot size is reduced by 20%. Over this range, the absorption is measured to increase by 15%, resulting in a 17% increase in the implosion velocity and a 10% earlier bang time. When reducing the ratio of laser-spot size to a target radius below 0.8, the rms amplitudes of the nonuniformities imposed by the smaller laser spots are measured at a convergence ratio of 2.5 to exceed 8 μm and the neutron yield saturates despite increasing absorbed energy, implosion velocity, and decreasing bang time. The results agree well with hydrodynamic simulations that include both nonlocal and CBET models.     

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。     

电作用量在磁驱动固体套筒内爆设计分析中的应用

磁驱动固体套筒内爆作为标准柱面冲击/准等熵汇聚压缩加载方式,在流体动力学、材料物性和聚变能源等领域具有广泛应用前景.在特定加载条件下,套筒飞层材料、半径和厚度的选择决定了套筒内爆力学行为,而电流烧蚀限制了所能选择的参数范围.通过薄壁套筒假定引入作为动力学参量的电作用量概念,利用不可压缩零维模型给出了低线电流密度下薄壁套筒尺寸优化设计方法和套筒飞层材料选择的原则;将修正后的电阻率-电作用量模型嵌入自编的一维弹塑性磁流体力学程序SOL1D进行模拟计算,分别与FP-1装置及ZR装置上的实验结果进行比对,表明在大径厚比和低线电流密度加载下,利用电作用量估算内爆速度及利用电爆炸丝实验获取的各阶段电作用量判断套筒物理状态是有效的.     

ICF中子发射时间诊断

 对ICF中子发射时间的诊断技术进行了研究,研制了基于快闪烁体和微通道板式光电倍增管的中子发射时间探测器。在某大型激光原型装置上进行了中子发射时间的实验测量,成功获得多发实验的中子发射时间与打靶激光脉冲的时间及中子发射时间之间的关系。实验结果表明：中子发射时间探测器对DT中子和DD中子都能够响应,中子产额测量下限达到10⁷,时间测量不确定度小于20 ps;CH烧蚀层越厚,中子发射时间越长。     

间接驱动内爆靶丸示踪元素Ar发射X光谱线的理论模拟研究

惯性约束聚变内爆物理研究中, 示踪元素X光谱线诊断方法是推测内爆压缩温度、密度以及燃料混合的有效办法, 因此, 对示踪元素X光发射的规律及其与内爆过程的关系的研究非常必要, 有助于通过谱线发射特征诊断内爆状态. 以SGIII原型装置的实验条件下的内爆过程为例, 对内爆靶丸示踪元素Ar发射X光谱线进行了理论模拟. 研究了谱线自吸收效应、Ar掺杂浓度、等离子体空间分布不均匀等对Ar发射的X光谱线分布的影响. 还对Ar发射X光谱线强度的时间演化及其与内爆过程的关系进行了研究. 结果表明, 增加掺杂浓度, 谱线强度增强, 但是谱线自吸收效应的影响也明显增强. 示踪元素Ar发射的X光谱线强度的峰值时刻与中子产生速率的峰值时刻接近(前者延迟约15 ps). 高温、高密度及合适的电离度是谱线发射的3个条件, 在X光谱线发射的峰值时刻, 由于燃料芯部Ar等离子体过电离, Ar等离子体发射的X光谱线的空间峰值区域靠近燃料边界区域, 占燃料总体积56%的薄壳(厚度～4 μm), 其发射的X光谱线强度约为总强度的72%. 因此, 对发射谱线分布拟合得到的空间平均的等离子体温度、密度主要反映这一区域的等离子体状态.     

Z箍缩等离子体内爆实验金属丝阵负载优化设计分析

金属丝阵Z箍缩(Z-pinch)内爆是产生强x射线辐射的重要方法之一.在一定脉冲功率加速器条件下，金属丝阵质量和丝阵半径的选择决定了Z-pinch内爆等离子体辐射产额的大小.采用薄壳模型计算了不同丝阵质量、不同丝阵半径、不同粗细和不同材料金属丝构成的丝阵的内爆时间、内爆轨迹、内爆速度，以及最大动能和动能转换率，综合分析了丝间隙、内爆时间、动能转换率与丝阵质量和丝阵半径的关系，给出了在一定负载驱动电流条件下，金属丝阵的最佳参数.分析表明计算结果与实验上观察得到的内爆规律一致. 关键词： Z-pinch内爆等离子体 金属丝阵负载 薄壳模型     

氘氘-塑料靶丸变收缩比内爆物理实验研究

在神光III原型装置上利用8路6400 J/1 ns激光注入Φ1100 μm×1850 μm的黑腔内产生约200 eV的高温辐射场均匀辐照填充氘氘燃料的靶丸实现内爆. 实验中, 保持靶丸的内径一致, 通过改变靶丸烧蚀层厚度的方式实现不同收缩比的内爆. 通过闪烁体探测器、分幅相机等多套诊断设备获取了中子产额、X光bang-time (聚变反应产生X光时刻)、飞行轨迹、热斑形状等关键内爆参数. 结合一维数值模拟表明: 对于小收缩比内爆, 受到非一维因素的影响小, 其YOC_1D(实验测量中子产额与干净一维数值模拟计算结果之比)可以达到34%; 对于中等收缩比内爆, 受到非一维因素的影响显著, 其YOC_1D仅仅为2.3%.     

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,Φ540 μm靶丸在能量沉积满足cos²γ和cos γ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cosγ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7 μm以内.     

神光-Ⅱ和神光-Ⅲ原型内爆对称性实验的模型分析

内爆靶丸的X光辐射驱动对称性分析和控制能力演示是惯性约束聚变(ICF)研究最重要的课题之一, 目前国内外已展开许多实验和模拟研究.建立了一种ICF内爆对称性分析的简化模型, 利用该模型分析了神光-Ⅱ和神光-Ⅲ 原型激光装置上的内爆对称性实验. 与实验结果比较表明,计算最佳腔长与实验值基本相符;靶丸压缩变形因子计算结果也与实验测量值接近. 模型的有效性得到验证,可为即将开展的神光-Ⅲ 主机内爆对称性实验参数设计和结果分析提供参考.     

NEUTRON TIME OF FLIGHT ENERGY SPECTROMETER FOR ICF ION TEMPERATURE DIAGNOSTIC

A current-mode neutron time-of-flight(nTOF) energy spectrometer for inertial confinement fusion(ICF) ion temperature measurements has been designed which will reduce measuring error of fusion neutron energy spectra when the neutron yield is low. The spectrometer consists of a shallow cup-shaped ST1422 fast plastic scintillator with a thicknees of 3mm and full effective volume of 104cm³, a microchannel plate photomultiplier tube(MCP-PMT), a piece of coaxial cable(SUJ-50-7) with a length of 20m, and a transient oscilloscope with a bandwidth of 7GHz. The main performances of the spectrometer and its components have been calibrated. The rise-time and FWHM of the temporal response function are 260ps and 850 ps, respectively. This spectrometer will be used to measure ion temperature in the direct-driven implosion experiments on Sheng-Guang 2 laser facility at Shanghai Institute of Optics and Fine Mechanica(SIOFM) next year.     

基于中子飞行时间法的ICF内爆热斑离子温度诊断技术北大核心CSCD

在惯性约束聚变研究中,内爆热斑离子温度反映了热斑能量的高低,对内爆对称性和内爆速度等物理量十分敏感,是理解内爆物理过程不可或缺的重要参数。介绍了一种基于中子飞行时间法的ICF内爆热斑离子温度诊断技术。建立了一种采用塑料闪烁探测器作为中子测量器件的快时间响应中子飞行时间谱仪。谱仪输出时间波形的半高全宽小于1.1ns,上升时间约为0.5ns。描述了基于反卷积运算和低通滤波的飞行时间谱解谱方法。在神光Ⅲ原型装置较低的中子产额和离子温度条件下通过这种诊断技术成功获得了内爆热斑离子温度。