氘氘冰层贯穿性缺陷对ICF冷冻靶内爆性能的影响

使用二维多群辐射扩散流体力学程序LARED-S, 模拟研究DD冰贯穿性缺陷在方波驱动DD冷冻靶内爆过程中的演化行为及其对内爆性能的影响。模拟结果表明: DD冰层贯穿性缺陷显著降低DD冷冻靶内爆的中子产额, 二维模拟产额仅为一维结果的23.8%。DD冰层贯穿性缺陷使靶丸CH(Si)的烧蚀层生成大幅度的尖钉, 穿透到芯部热斑区。在中子bang-time时刻, 热斑区混入了487 ng的烧蚀物质, 使芯部韧致辐射漏失功率相对一维理想内爆显著升高, 离子温度与DD核反应速度相应降低。同时, 高密度的烧蚀层尖钉把DD热斑推离球心, 显示明显的P1不对称性, 而且高温热斑具有定向流动速度, 降低了内爆动能转化为热斑内能的效率。     

第十五届全国原子与分子物理学术会议:非局域热动平衡等离子体K壳层电离平衡模型

发展了针对非局域热动平衡等离子体的K壳层电离平衡模型。模型中详细计算了各原子过程参数,并通过求解速率方程的稳态解得到各电离态的布居分布。在此基础之上,研究了谱线强度比值对等离子体温度、密度的依赖关系。最后,我们根据此模型的计算结果,分析了在神光II装置上获得的内爆靶丸掺Ar发射光谱实验数据,推断出靶丸芯区电子温度随时间的演化过程。     

非局域热动平衡等离子体K壳层电离平衡模型

发展了针对非局域热动平衡等离子体的K壳层电离平衡模型.模型中详细计算了各原子过程参数,并通过求解速率方程的稳态解得到各电离态的布居分布.在此基础之上,研究了谱线强度比值对等离子体温度、密度的依赖关系.最后,我们根据此模型的计算结果,分析了在神光Ⅱ装置上获得的内爆靶丸掺Ar发射光谱实验数据,推断出靶丸芯区电子温度随时间的演化过程.     

高时间分辨的二维空间成象技术研究

对惯性约束聚变靶丸芯部诊断的测量仪器要求具有10ps的时间分辨,为了满足此要求,采用多针孔线阵配X光条纹相机,由多个针孔的一维条纹图象的数据,利用图象处理技术重建出二维图象,由此获得一项高时间分辨的二维空间成象技术(MIXS).此技术利用现有的设备获得比X光分幅相机高得多的时间分辨的二维图象.利用此技术可获得研究激光聚变内爆过程所需的时空图象,并可以对压缩过程的对称性进行研究.     

激光聚变冲击波点火的热斑形成机制

通过对冲击波点火内爆过程的数值模拟分析点火热斑压缩及形成机制。分析了传统中心点火的内爆过程,热斑主要经历冲击波压缩和惯性压缩过程,点火主要通过惯性压缩来实现。并仔细分析了冲击波点火的内爆压缩过程,从内爆角度来看冲击波点火并不是压缩和点火分开的两步过程,点火冲击波实际参与压缩过程,点火冲击波对热斑的直接影响很有限,热斑仍然主要通过壳层的惯性压缩实现点火。利用惯性压缩的定标关系及冲击波碰撞对壳层影响规律分析了热斑增压的物理机制,冲击波点火是通过点火冲击波与回冲击波的碰撞来提高壳层的密度,从而实现热斑压力的提升。     

高增益间接驱动惯性约束聚变物理过程

本文从理论上讨论辐射驱动高增益激光聚变的物理过程,着重研究靶丸内爆动力学。为此,我们设想了一种靶型,估计了有关的主要特征量,包括各种效率,靶丸环境温度、燃料的压缩和热斑点火等。此外,文章强调必须控制三种有害因素,即非对称内爆,混合和流体力学不稳定性。     

神光系列激光装置内爆烧蚀压缩过程测量

间接驱动惯性约束聚变研究中,获得高内爆速度是实现点火,提升聚变增益的关键。通过对内爆烧蚀压缩过程的测量,能够获得内爆速度和剩余质量等内爆动力学重要的物理量,实现烧蚀层材料、厚度以及激光波形等参数的优化。近几年在神光系列装置上,演示了常规的应用狭缝成像的内爆烧蚀压缩过程测量技术,发展了基于球面弯晶成像的高分辨单能内爆烧蚀压缩过程测量技术。通过对球面弯晶成像系统设计的持续改进以及内爆烧蚀压缩过程测量技术的优化,结合实验室和系统原位标定结果,建立了高分辨的内爆压缩流线诊断技术,采用替代靶方式,实现内了爆速度不确定度2.1%的测量精度。     

压缩感知技术在激光惯性约束聚变研究中的应用

激光驱动惯性约束聚变（ICF）研究是当前国际前沿科学中一个具有挑战性的研究领域,它以高能激光作为驱动源,在极短的时间内将大量能量注入靶丸中使聚变材料达到高温高密度的状态从而在靶丸中心形成热斑并引燃整个燃料层,最终实现可控核聚变。由于内爆热斑直径为50～100 μm,其持续时间为100～200 ps,离子温度达到5 keV,压力可达4.0×1016 Pa。因此,发展极端瞬态条件下的诊断技术具有重要意义。介绍了两种基于压缩感知技术的诊断方法,第一种是基于数字微镜阵列（DMD）进行编码的反射式可见光压缩感知技术,这种技术将现有的一维任意反射面速度干涉仪（VISAR）与压缩超快成像（CUP）系统相结合,有望实现一种全新的具有高时间分辨的二维VISAR诊断技术,将诊断维度从一维扩展至二维,同时它克服了现有的二维VISAR单幅成像的缺点,有望实现对内爆压缩过程流体力学不稳定性演化过程的连续诊断。由于基于DMD进行编码的反射式可见光压缩感知技术只能用于可见光波段,无法用于紫外与X光波段,为此还发展了一种透射式压缩感知技术。这种透射式压缩感知技术采用一种新颖的透射式元件实现对待测信号的编码,可以实现对紫外和X光波段信号的二维超快探测,有望实现对内爆热斑超快时空演化过程进行精密诊断。此外,针对单通道CUP技术的高时间分辨的优势和低空间分辨的不足,还提出了多通道编码、分别扫描、解码、再合成的全新的高时空分辨诊断系统基本思路,有望实现高时间分辨的同时,实现高空间分辨的二维新型诊断技术。     

多层膜KB在内爆自发射诊断中的应用

在神光Ⅲ原型装置上开展了辐射驱动内爆自发射的高分辨多能点诊断技术研究。利用双周期多层膜KB的选能能点,配合多级记录系统,实现了内爆自发的高空间分辨准单色成像。实验结果表明,利用胶片可以获得发射2.5 keV和3.5 keV的清晰图像,利用CCD可以获得8 keV的窄能带清晰图像。实验结果可以很好用于芯部不对称性、电子温度分布以及密度分布的分析处理,为惯性约束聚变精密物理实验研究提供了新的诊断技术和方法。     

基于多通道Kirkpatrick-Baez 显微镜的内爆热斑不对称性实验研究

利用多通道Kirkpatrick-Baez 显微镜具有约3μm 的空间分辨能力,对内爆压缩热斑的细节可以进行空间分辨测量。通过赤道和极区两个正交方向对柱腔辐射驱动内爆热斑的X 射线自发射进行测量,获得了热斑区在两个正交方向的二维X 射线强度空间分布。X 射线图像数据处理结果表明,赤道区表征内爆热斑不对称性的2 P 分量比极区的约高8%,极区的0 P 分量比赤道区大2μm。内爆热斑在极区的压缩要强于赤道区,反映了极区的辐射驱动要比赤道区的强,这导致靶球在压缩停滞阶段形成的热斑形状呈扁椭球。     

Kr喷气箍缩等离子体的数值研究

 探讨了Z箍缩等离子体辐射磁流体模拟二维三温物理模型及其数值计算方法，针对“强光一号”加速器上Kr喷气实验的具体条件，利用辐射磁流体力学程序Z-pinch 2D-DG模拟了Kr喷气等离子体聚爆过程，分析了X射线辐射的特点，给出了等离子体密度和温度的演化图像以及喷气箍缩中一些带有普遍性的结论。     

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.     

Shock ignition of thermonuclear fuel with high areal density

A novel method by C. Zhou and R. Betti [Bull. Am. Phys. Soc. 50, 140 (2005)] to assemble and ignite thermonuclear fuel is presented. Massive cryogenic shells are first imploded by direct laser light with a low implosion velocity and on a low adiabat leading to fuel assemblies with large areal densities. The assembled fuel is ignited from a central hot spot heated by the collision of a spherically convergent ignitor shock and the return shock. The resulting fuel assembly features a hot-spot pressure greater than the surrounding dense fuel pressure. Such a nonisobaric assembly requires a lower energy threshold for ignition than the conventional isobaric one. The ignitor shock can be launched by a spike in the laser power or by particle beams. The thermonuclear gain can be significantly larger than in conventional isobaric ignition for equal driver energy.     

激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布

通过理论分析和LARED多群辐射输运模拟研究了激光间接驱动聚变中黑腔辐射温度的角分布特点。研究发现,黑腔辐射温度角分布主要决定于光斑区与非光斑区的对比度、视野中光斑区的面积比例,以及体发射的份额。激光二维光环排布下黑腔辐射温度角分布与二维LARED模拟结果非常一致。研究还发现,二维的LARED模拟能够有效地用于研究神光Ⅲ原型黑腔实验中三维光斑排布下的辐射温度角分布。通过缩小FXRD测量面积能够有效地提高黑腔辐射温度随角度的变化,从而降低辐射流测量误差对辐射温度角分布的影响。     

Charge separation of dense two-dimensional electron-hole gases: mechanism for exciton ring pattern formation

We report on new experiments and theory that unambiguously resolve the recent puzzling observation of large diameter exciton emission halos around a laser excitation spot in two dimensional systems. We find a novel separation of plasmas of opposite charge with emission from the sharp circular boundary between these two regions. This charge separation allows for cooling of initially hot optically generated carriers as they dwell in the charge reservoirs for very long times.     

Microwave imaging of magnetohydrodynamic instabilities in fusion plasma

Microwave imaging diagnostics are extremely useful for observing magnetohydrodynamic (MHD) instabilities in magnetic fusion plasmas. Two imaging diagnostics will be available on the WEST tokamak. A method was developed to reconstruct electron density maps from electron density profiles measured by ultrafast reflectometry, a technique based on FM-CW radar principle. It relies on plasma rotation to perform 2D reconstruction. An Electron Cyclotron Emission Imaging (ECEI) diagnostic will image directly the temperature fluctuations. It will be equivalent to 24 stacked vertically radiometers, each probing a spot of few centimetres. These two complementary techniques will contribute to the validation of MHD models.     

Analysis of Ar line spectra from indirectly-driven implosion experiments on SGII facility

This paper reports on the indirectly-driven implosion experiments on SGII laser facility in which Ar emission spectrum from Ar-doped D-filled plastic capsule is recorded with the crystal spectrometer. Spectral features of Ar Heβ line and its associated satellites are analysed to extract the electron temperature and density of the implosion core. Non local thermal equilibrium (NLTE) collisional-radiative atomic kinetics and Strark broadening line shape are included in the present calculation. By comparing the calculated spectrum with the measured one, the core electron temperature and density are inferred to be 700 eV and 2.5×10²³ cm^-3 respectively. With these inferred values of electron temperature and density, neutron yield can be estimated to agree with the measured value in magnitude despite of the very simple model used for the estimation.     

超短超强激光导引及对电子加速的影响

使用粒子模拟程序对30 fs超短超强激光在均匀与抛物型两种密度分布等离子体中的传输, 以及在稳定传输状态下尾场的电子注入与加速形成的电子能谱进行了模拟与分析. 固定入射激光束斑尺寸, 在(0.4-2)×10¹⁹/cm³等离子体密度范围, 对比分析了归一化峰值强度从1-6范围的激光脉冲在上述两种密度分布等离子 体中传输时激光束斑尺寸的演化, 结果表明抛物型分布的等离子体密度通道能够对超短超强脉冲实现良好的导引, 有利于高能电子加速. 对于较高密度情况,即使在均匀等离子体中依靠相对论自聚 焦等机制也可以实现良好的自导引传输,有利于实验简化以及产生更大电量的加速电子.     

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%.     

Transport and Energy Deposition of hot Electrons through the Shock Ignition pre Compressed Target

Shock ignition as an alternative scheme of the laser fusion has the potential of achieving efficient implosion. However, hot electrons produced in result of ignitor‐corona interaction may penetrate deep into the fuel making the compression less effective. Transport and energy deposition of hot electron beam into the dense pre compressed of HiPER target by means of Monte Carlo approach are discussed considering the influence of real density and electron beam characteristics. The target parameters before igniting the hot spot have been extracted from a fluid code and used as the initial profile for Monte Carlo simulations. In comparison with simplified step like density profile, electrons penetrate slightly deeper in the case of real shaped density profile. In addition, deposition zone of a broad spectrum electron beam is wider while, monoenergetic electrons depose their energy locally resulting more maximum energy deposition value. (© 2016 WILEY‐VCH Verlag GmbH & Co. KGaA, Weinheim)