背光阴影成像表征降温速率对ICF冷冻冰层均化的影响

利用背光阴影成像技术研究了降温速率对惯性约束聚变(ICF)球形氘氘冷冻靶中燃料冰层均化的影响.实验中,首先对ICF冷冻靶温度场进行标定以确定靶丸处的温度,然后利用背光阴影成像系统对降温过程中靶丸内燃料冰层的空间变化进行实时原位测量,得到了不同降温条件下冷冻靶背光阴影成像图像中亮环的功率谱.实验结果表明:相比快速降温,台阶式缓慢降温有利于形成均匀的燃料冰层;同时验证了背光阴影成像技术表征ICF冷冻靶内冷冻冰层均化的有效性.     

基于温度梯度的ICF冷冻靶均化技术研究

惯性约束聚变(ICF)冷冻靶中氘氘(D2)、氘氚(DT)等燃料冰层在靶丸中的分布由靶丸所处的温度场决定。在氘氘冷冻靶中,垂直温度梯度引起的气-液界面张力梯度可以抵消重力作用,使氘氘液体在靶丸内均匀分布;然后在氘氘的三相点附近缓慢降温,可以实现燃料冰层的均化。在氘氘冷冻靶均化实验系统上,采用温度梯度结合制冷速率与制冷过程控制的方法,实现了1mm直径、30μm壁厚的辉光放电聚合物(GDP)靶丸中氘氘冰层的均化,对背光阴影图像中亮环位置进行分析表明:氘氘冰层的平均厚度为185.56μm,均匀度为80.2%,模数-功率谱曲线中模数2~100对应的内表面粗糙度为2.26μm。     

背光阴影成像技术表征ICF靶丸内表面粗糙度

 发展了背光阴影成像技术,用于诊断透明ICF冷冻靶冰层内表面质量。分析了单层球壳阴影图像中形成亮环的物理机制。用光学追迹软件Tracepro模拟产生了透明单层球壳的阴影图像,用于研究亮环位置与球壳厚度及折射率的关系。建立了背光阴影成像实验装置,获得了透明单层球壳具有明显亮环的实验阴影图像。编制了阴影图像处理软件,获得了靶丸内表面1维功率谱曲线,并据此计算出靶丸内表面均方根粗糙度。理论分析、软件模拟及实验研究均表明,背光阴影成像技术是透明冷冻靶冰层内表面质量的有效诊断方法。     

不同控温过程下冷冻靶冰层结晶生长行为研究

为制备满足物理实验要求的冷冻靶氢同位素冰层,需控制冰结晶生长过程,实现燃料的单晶生长,由此减少影响冰层均匀性及晶体缺陷。采用数值模拟方法研究冷冻靶温度场,通过可见光背光阴影成像技术在线表征了低温下靶丸内氘(D_2)的结晶生长行为。结果表明:当降温速率为0.4 K/min时,在靶丸内可重复形成D_2籽晶;通过优化控温过程,可显著降低D_2晶体生长过程中形成的缺陷。     

辉光放电聚合物薄膜的红外性质研究

为了实现惯性约束聚变 (ICF)点火,需要制备出均匀的高密度燃料靶。对于氘氘 (DD) 冰层,红外均化技术可用于改善其内表面粗糙度。本文利用红外光谱仪和红外显微镜研究了辉光放电聚合物(GDP)薄膜和靶球的红外吸收性质,得到了GDP薄膜材料特定波长处的红外吸收系数。通过比较薄膜材料和靶球的红外吸收,证实了热处理可以降低GDP材料中的氧化位点,从而抑制羟基(—OH)峰的形成,优化DD冰层的红外均化效果。利用所得实验数据对DD均化实验中红外均化积分球所需要的红外功率和国家点火装置(national ignition facility, NIF)标准靶的红外透射率进行了估算,计算结果对DD冰红外均化实验具有重要指导作用。     

X射线相衬成像法在线表征冷冻靶技术

阐述了冷冻靶类球面物体X射线相衬成像机理;Tracepro软件模拟研究证明了X射线相衬成像法能用于冷冻靶燃料层参数的表征;研制了在线表征冷冻靶的X射线相衬成像实验装置,利用该装置开展了二乙烯基苯泡沫球壳及实际氘氘冷冻靶的X射线相衬成像实验研究,获得了玻璃微球内氘氘冷冻层X射线相衬图像,成像分辨力达1.5 m;利用X射线相衬成像法可同时表征烧蚀球壳及冷冻燃料层,为惯性约束聚变实验提供冷冻靶参数。     

玻璃微球内氘结晶行为研究

为研制出满足惯性约束聚变(ICF)实验的氘氚(DT)冷冻靶, 需要控制DT结晶生长过程, 实现DT单晶生长, 由此减少影响冰层均匀化及聚变实验的晶体缺陷. 本文运用晶体生长形态动力学理论建立了密排六方晶体(hcp)单晶生长模型, 实验中通过对靶室进行± 3 mK精确控温, 采用可见光背光成像技术在线表征了低温下玻璃微球内氘(D₂)的结晶生长过程, 结果表明: 在20–100 Pa低温氦气导热环境下, 通过缓慢降温可显著降低氘晶体生长过程中形成的缺陷; 当降温速率达到2 mK/min时, 观测到了氘燃料的两种单晶生长过程, 实验具有可重复性; 建立的hcp单晶生长理论模型与实验结果符合, 并与美国利弗莫尔国家实验室(LLNL)的DT单晶生长过程进行了对比, 提出了冷冻靶内D₂/DT燃料的单晶生长方法.     

红外光热效应在球形冷冻靶燃料冰层均化中的应用北大核心CSCD

基于激光惯性约束聚变对冷冻靶燃料冰层质量的要求和红外光热效应原理,研究了红外光对球形冷冻靶燃料冰层结构和空间分布的影响。研究结果表明:在波长为3140nm,输出功率为100μW的红外光辐射加热作用下,冷冻靶燃料冰层在结构上逐渐由多晶向准单晶转变,在空间分布上逐渐变得均匀,其光学图像上的表现为出现了背光亮环。通过对亮环的分析计算,获得了其冰层的均方根粗糙度值。     

定向红外光空间分布误差对冷冻靶温度场的影响分析

在惯性约束核聚变中,决定点火成功与否的关键因素在于靶丸内燃料冰层的均匀性,而影响靶丸内燃料冰层均匀性的主要因素为靶丸温度场均匀性.为了提升靶丸温度场均匀性,采用定向红外辅助均化装置实现对靶丸表面温度场的局部调控.在定向红外装置的运行过程中,红外光空间分布误差会影响到靶丸温度场的调控效果.建立了定向红外光线追踪与温度场计算耦合的数值模型,并与实验进行对照分析,确定了数值模型良好的计算精度.采用三维的冷冻靶物理模型,研究了不同形式的定向红外光空间分布误差对靶丸温度场的影响规律.结果表明:光轴偏心对靶丸温度场均匀性的影响最为剧烈,光带间距变化的影响次之,光带宽度的变化对靶丸温度场均匀性的影响最小.在实验中应当尽可能避免南北两侧光带光轴的偏心,从而保证靶丸表面温度均匀性,进而可以保证靶丸内燃料冰层的均匀性.     

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.     

覆冰垂直粘结强度的测试研究

本文利用自行设计的新型表面覆冰垂直粘结强度测试装置,测试了不同材料表面的覆冰垂直粘结强度,并探讨了基体表面粗糙度、冻冰时间、冰层厚度、冻冰温度等因素对同一材料表面覆冰垂直粘结强度的影响。结果发现,覆冰垂直粘结强度随着材料表面粗糙度增加而增大,随着冰冻温度的升高而降低。而冻冰时间与冰层厚度对覆冰垂直粘结强度的影响较为复杂。     

双基地冰-水界面混响强度的理论预报

针对北极冰层冰水界面具有小尺度粗糙界面的情况,给出由冰层造成的混响平均强度的理论预报公式。首先将北极冰层等效为具有粗糙界面的弹性介质,并且采用小粗糙度微扰理论在精细拟合粗糙度谱的基础上,建立粗糙冰层的三维散射强度模型,然后建立三维双基地声呐几何模型确定有效散射区域,最后给出双基地冰下混响平均强度的估算公式,并在所拟合的粗糙度谱的情况下,利用该预报公式计算双基地声呐配置参数和海冰物理及声学特性对冰下混响强度的影响算例。数值仿真表明该公式能够估算出北极冰下双基地声呐产生的混响平均强度,并且分析出了时延、基线长度等声呐配置参数和冰层声速比、密度比等海冰物理参数会对混响强度造成的影响。声呐的配置参数主要影响散射的有效面积,海冰的物理参数则影响着冰层的散射强度。其中,冰层声速比不仅影响混响强度的大小,还会影响混响强度随时间的衰减速度。      

Fluctuation forces and wetting layers in colloid-polymer mixtures

We present confocal microscopy experiments on the wetting of phase-separated colloid-polymer mixtures. We observe that an unusually thick wetting layer of the colloid-rich phase forms at the walls of the glass container that holds the mixture. Because of the ultralow interfacial tension between the colloid-rich and the polymer-rich phases, the thermally activated roughness of the interfaces becomes very big and measurable. We observe that close to the critical point the roughness of the interface between the wetting layer and the polymer-rich phase decreases with decreasing layer thickness: large excursions of the interface are confined in the wetting layer. The measured relationship between the roughness and the thickness of the wetting layer is in qualitative agreement with the predictions of renormalization group theory for short-range forces and complete wetting.     

Shadowgraphy investigation of laser-induced forward transfer: Front side and back side ablation of the triazene polymer sacrificial layer

Thin films of a photodecomposible triazene polymer are used as sacrificial layer for the micro-deposition of sensitive materials by laser-induced forward transfer. To understand the ablation process of this sacrificial layer, the ultraviolet laser ablation of triazene films was investigated by time-resolved shadowgraphy. Irradiation from the film side shows a complete decomposition into gaseous fragments, while ablation through the substrate causes ejection of a solid flyer of polymer. The occurence of the flyer depends on the film thickness as well as on the applied fluence, and a compact flyer is obtaind when these two parameters are optimized.     

Study of X-ray Kirkpatrick-Baez imaging with single layer

The X-ray Kirkpatrick-Baez （KB） imaging experiment with single layer is implemented. Based on the astigmatism aberration and residual geometric aberration of a single mirror, a KB system with 16^x mean magnification and approximately 0.45°grazing incidence angle is designed. The mirrors are deposited with an Ir layer of 20-am thickness. Au grids backlit by X-ray tube of 8 keV are imaged via the KB system on scintillator charge-coupled device （CCD）. In the ±80 #m field, resolutions of less than 5 #m are measured. The result is in good agreement with the simulated imaging.     

海面冰层对声波的反射和散射特性

北极海面冰层复杂多变,其对声波的反射和散射严重影响冰下水声信道的传输特性,建立海面冰层的声波反射和散射模型对冰下水声通信研究具有重要意义.假设海面冰层为多层固体弹性介质且冰-水界面粗糙,满足微扰边界条件,导出声波从海水介质入射到海面冰层时相干反射系数满足的线性方程组.对相干反射系数随声波频率、掠射角、冰层厚度的变化进行数值分析.进一步引入根据散射声场功率谱密度计算散射系数的方法,改变掠射角,对冰层厚度、散射掠角对散射系数的影响进行研究.