受控核聚变——现代物理学的一个重要前沿领域(之五)

 五、如何达到点火温度核聚变研究的重要目标之一是设法把等离子体的温度提高到10keV以上.这是实现聚变点火必不可少的基本条件之一.主要的加热手段包括欧姆加热,高能中性粒子束注入加热,大功率射频波加热,绝热压缩加热和α粒子加热等.1.欧姆加热的原理及其局限性众所周知,等离子体是良导体,但具有一定的电阻,一旦有电流通过,因电阻效应而得到了加热.按照欧姆定律,其加热功率密度表示为:P=ηj²,式中η是等离子体电阻率,可表示为η=2.8×10^-8/T（?）（欧姆米）,其中电子温度T_?以keV为单位.这个简单表达式是假定采用氢等离子体、其密度为10²⁰m^-3情况下代入著名的斯必泽公式得到的.从上式中可知,随着等离子体电子温度的不断升高,其电阻率急剧下降,由此引起欧姆加热的功率密度急剧下降.这说明欧姆加热这种方式有局限性.我们知道,所有托卡马克的等离子体最初都由环向的等离子体电流提供欧姆加热.但经过计算表明,仅依靠欧姆加热,其电子温度至多加热到1.5keV左右.为使等离子体达到10keV以上的聚变点火温度,必须在欧姆加热的基础上采用等离子体辅助加热.目前获得成功并受到广泛重视的辅助加热手段有高能中性粒子束注入法和射频波共振吸收法.     

受控核聚变——现代物理学的一个重要前沿领域(之五)

五、如何达到点火温度核聚变研究的重要目标之一是设法把等离子体的温度提高到10keV以上.这是实现聚变点火必不可少的基本条件之一.主要的加热手段包括欧姆加热,高能中性粒子束注入加热,大功率射频波加热,绝热压缩加热和α粒子加热等.1.欧姆加热的原理及其局限性众所周知,等离子体是良导体,但具有一定的电阻,一旦有电流通过,因电阻效应而得到了加热.按照欧姆定律,其加热功率密度表示为:P=ηj~2,式中η是等离子体电阻率,可表示为η=2.8×10~(-8)/T(?)(欧姆米),其中电子温度T_(?)以keV为单位.这个简单表达式是假定采用氢等离子体、其密度为10~(20)m~(-3)情况下代入著名的斯必泽公式得到的.从上式中可知,随着等离子体电子温度的不断升高,其电阻率急剧下降,由此引起欧姆加热的功率密度急剧下降.这说明欧姆加热这种方式有局限性.我们知道,所有托卡马克的等离子体最初都由环向的等离子体电流提供欧姆加热.但经过计算表明,仅依靠欧姆加热,其电子温度至多加热到1.5keV左右.为使等离子体达到10keV以上的聚变点火温度,必须在欧姆加热的基础上采用等离子体辅助加热.目前获得成功并受到广泛重视的辅助加热手段有高能中性粒子束注入法和射频波共振吸收法.     

飞秒强激光与欠稠密等离子体相互作用中的二次谐波辐射

对超短超强激光脉冲 (45fs,6× 10 17W /cm2 )与光致电离氦气形成的欠稠密等离子体相互作用中的二次谐波辐射进行了实验研究。测量了多种打靶强度的飞秒激光脉冲与不同气体密度氦气相互作用的二次谐波光谱 ,得到在欠稠密等离子体中二次谐波辐射与打靶激光能量的关系 ,分析了产生二次谐波辐射产生的物理机制 ,在考虑了强短脉冲激光电离气体产生的等离子体径向电子密度梯度因素 ,基于非线性作用过程的理论预期曲线与实验结果较好地吻合     

零维系统模型改进及其对EAST稳态运行区的分析和预测

零维系统模型已广泛应用于下一代托卡马克装置设计以及聚变反应堆等离子体性能的预测和分析,但普遍采用物理近似和经验公式会导致较大的系统性误差.本文通过引入等离子体平衡程序使主要等离子体分布参数及其计算基于磁面信息,引入Sauter模型的自举电流系数与碰撞率变化关系改进自举电流计算,利用EAST上的实验结果对改进后的模型进行验证,零维系统模型计算结果与动理学平衡分析结果基本符合.利用改进模型从已有实验结果出发,对EAST上实现500 kA等离子体电流的稳态、长脉冲运行区所需要的加热/电流驱动功率及其能够达到的归一化比压进行了分析和预测.计算结果表明,EAST在7.0—9.5 MW加热/驱动功率,约束改善因子H98为1.25—1.35,归一化密度fnG约为0.9的参数范围内可以实现500 kA等离子体电流且自举电流份额在50%以上的稳态运行;9.5 MW加热/驱动功率,H98为1.0—1.4,fnG为0.8—1.0的参数范围可以实现较高性能的长脉冲或稳态运行.综合来说,提升等离子体约束性能,可在较低的加热/驱动功率下实现同样等离子体参数的完全非感应运行,扩展等离子体运行区,是实现高参数等离子体...     

脉冲送气等离子体枪的实验

用双探针和光谱方法测量了脉冲送气同轴等离子体枪产生的高速等离子体的性质。同轴枪的储能电容器的充电电压1.5—4.0kV,等离子体的电子温度为10—20eV,定向能量为40—310eV,等离子体密度为5×10~(13)—7×10~(14)cm~(-3)。     

HT-6M托卡马克二次谐波离子回旋共振加热实验

报道在HT-6M托卡马克用28MH_z射频源对纯氢等离子体进行二次谐波离子回旋共振(ICRF)加热的实验,实验结果表明,对1/4周短天线,当天线输入功率为300kw时,天线功率密度可达1kw/cm~2,脉冲宽度为30ms,天线负载电阻为2(?).与理论估算值较为接近.实验得到的加热效率为1.5×10~13eV·cm~(-3)/kw,并观察到在ICRF加热时引起的较强的辐射以及高能电子的产生. 关键词：     

超热电子产生的靶后相干渡越辐射光谱实验研究

利用OMA光学多道分析仪测量了激光与薄膜靶相互作用中产生的辐射光谱，在靶后观察到红移的二次谐波发射. 这种二次谐波是v×B加热产生的、具有微脉冲结构的超热电子束在等离子体-真空边界产生的相干渡越辐射(CTR). 随着激光能量的增大，红移峰向长波方向移动，光谱同时发生展宽. 分析认为，等离子体临界面的迅速膨胀是导致二次谐波红移的主要原因. 随着预脉冲能量的增大，临界面膨胀速度增大，导致了发射峰更大的红移. 实验还测量了靶面法线方向的辐射光谱，观察到基频辐射的红移和展宽. CTR为诊断临界面的运动方向和速度提供了一种新的方法. 关键词： 相干渡越辐射 超热电子 超短超强激光 等离子体相互作用     

ECR等离子体的磁电加热研究

在ECR等离子体装置上进行了磁电加热研究,利用离子灵敏探针(ISP)测量了磁电加热前后离子温度的变化,研究了电极环偏压、磁场强度、气压等参数对磁电加热过程以及加热效率的影响.结果表明:等离子体的整体加热是通过离子在电极环鞘层中的磁电加热及被加热的离子沿径向的输运来完成的.轴心处离子温度随电极环偏压的升高呈非线性增加.磁电加热效率随偏压的增大而增大,在电极环偏压为1000 V时,磁电加热效率为2%-2.5%,ECR等离子体中的离子温度能够提高20 eV以上.磁场强度在磁电加热过程中对离子的限制和加热起到重要作用,当磁场强度在6.3×10^-2-8.7×10^-2T之间变化时,磁电加热的效率随磁场强度的增大而增大.气压在0.02-0.8 Pa范围内,磁电加热的效率随气压的减小而增大. 关键词： ECR等离子体 磁电加热 离子温度     

平行轨道加速器等离子体动力学特性研究

等离子体电磁加速器可产生高速度、高密度等离子体射流而广泛应用于核物理、天体物理等领域.本文通过光电二极管、磁探头研究了不同放电电流和初始气压条件下等离子体在平行轨道加速器内的轴向运动特性.通过电流截断的方法,采用冲击摆测量了首次等离子体射流的动量.平行轨道加速器驱动电源由14级脉冲形成网络组成,每级电容为1.5μF,每级电感约为300 nH,得到振荡衰减型方波的电流波形.实验发现,电流过零时,轨道起始处一般会发生二次击穿,并形成二次轴向运动的等离子体.放电电流为10—55 kA、初始气压为200—1000 Pa时,等离子体的轴向速度为8—25 km/s.实验获得的等离子体的运动速度为雪犁模型理论结果的60%—80%,这主要是理论模型忽略了电极表面对电弧的黏滞阻力以及电极烧蚀引起的质量增加.等离子体动量与电流的平方随时间的积分成正比.放电电流为21-51.6 kA时,首次等离子体射流的动量为1.49—9.88 g·m/s.等离子体运动过程中除了受到洛伦兹力外,还会受到电极表面的黏滞阻力,造成等离子体动量约为理论结果的75%.     

再加热双脉冲激光诱导等离子体的时空演变特性研究

为了研究再加热双脉冲激光诱导击穿光谱(LIBS)对信号的增强机制,分别采用单脉冲LIBS和再加热双脉冲LIBS两种方式烧蚀合金钢样品产生等离子体,利用高分辨率的中阶梯光栅光谱仪采集等离子体发射光谱信号,同时用快速成像ICCD相机观测等离子体形态的变化,研究了两种烧蚀方式下等离子体的时空演变特性。通过比较两种烧蚀方式下等离子体产生初期光谱信号和图像的时间演变规律,发现再加热双脉冲LIBS提高了等离子体温度,且当信号采集延时等于再加热双脉冲的脉冲间隔时,等离子体温度的衰减速率发生变化;再加热双脉冲LIBS使等离子体图像强度增加,等离子体的中心区域高度和宽度分别增大了23.5%和15.1%。空间分布的研究结果表明,与单脉冲LIBS相比,当到样品表面的距离大于0.6 mm时,等离子体中的Fe Ⅱ和N Ⅰ谱线强度有较明显的增强,而Fe Ⅰ谱线在空间不同位置处的增强程度都较小,局部区域有减小的现象;再加热双脉冲LIBS使等离子体温度增加了约2 000 K,等离子体中产生了一个较大的高温区域。综合时空演变的实验结果说明再加热双脉冲对光谱信号增强的机制主要是由于第二束激光对第一束激光烧蚀样品产生的等离子体再次激发,使等离子体温度增加,进而引起等离子体辐射强度增加。     

4mm回旋管用超导磁体的研制和应用

研制了一个用于4mm 回旋管的超导磁体,其主磁场达到3T.与回旋管配合产生基波长脉冲,输出功率大于60KW,脉冲宽度10—20ms,工作频率70GHz.用于 HL-1托卡马克成功地进行了等离子体预电离实验.     

预脉冲在毛细管快放电软x射线激光中的作用

在一台毛细管快放电软x射线激光实验装置上，在相同主脉冲条件下（电流峰值18—30kA，半周期80ns），通过观测放电产生的软x射线辐射，研究了该装置固有的高幅值（2—5kA）和外加的低幅值（10—20A）两种预脉冲，对聚乙烯毛细管和高纯度陶瓷毛细管（99.9%）放电的管壁烧蚀及等离子体状态的影响.采用装置固有的几kA预脉冲和聚乙烯毛细管，放电 过程中产生了大量的管壁烧蚀，并且这种情况下的等离子体均匀性差，没有可能获得激光输 出.而采用20A的预脉冲和高纯度陶瓷毛细管，管壁烧蚀量大大减少，预电离等离子体的均匀 性好，在这种情况下，实验上利用x射线二极管观测到了激光尖峰信号. 关键词： 预脉冲 毛细管放电 软x射线激光     

调整管与火花间隙串联分压的方法

在目前受控热核反应研究中,无论从事微波加热或中性粒子注入加热,都需要一种既具有调整功能,又具有快速关断特性的电源,它的电参数范围大致如下: 负载电流10—100A,电压20—60kV, 脉冲长度10—100ms,脉冲顶降1—0.5％。 国际上对这种电源都采用耐高压的调整管(耐压 100kV)与负载串联,实现反馈调整。 我们根据国内工作条件,用FU-104或4025作串联调整管,无论用程序控制或反馈调整的工作方式,只能做到负载电压25—32kV,电流为10—15A,脉冲长度20—40ms,脉冲顶降估计为1—0.5％。     

辐射加热Al等离子体的吸收谱实验

报道了辐射加热Al样品的K壳层辐射吸收谱实验. 在神光Ⅱ激光装置上,将8路主激光注入锥柱型金腔产生高温辐射源,利用该辐射源加热腔内的Al薄膜样品,产生温度达到几十电子伏的热稠密等离子体. 相对主激光延迟一定时间后,利用第9路激光短脉冲聚焦打靶加热金盘,产生短脉冲X光点光源. 通过测量075—085nm波长范围内未经样品衰减以及经过样品衰减后的背光源辐射光谱,得到了Al样品的K壳层吸收谱. 利用细致谱线计算的吸收谱对实验光谱进行拟合,确定了Al样品等离子体的电子温度. 关键词： Al等离子体 吸收谱 不透明度     

再加热双脉冲与单脉冲激光诱导Fe等离子体发射光谱实验对比研究

使用单脉冲和再加热双脉冲激光对位于空气中的钢样进行烧蚀激发等离子体,对两种方式产生的光谱进行研究。再加热双脉冲激光诱导击穿光谱采用两束激光,一束烧蚀样品激发等离子体,另外一束激光对产生的等离子进行加热。通过对比发现:采用再加热双脉冲激发样品,增强了发射光谱的信号,增大了等离子体的连续光谱,提高了信号的稳定性,十次测量信号的相对标准偏差从5.0%降低到2.0%。另外,还对影响双脉冲信号增强程度的因素进行了分析,研究了光谱的增强程度随两脉冲间隔和采集延时的变化;激发上能级对光谱增强程度的影响,上能级越高增强程度越大。     

多脉冲序列飞秒钛宝石激光的啁啾脉冲放大

在数太瓦钛宝石啁啾脉冲放大系统中（极光Ⅱ升级装置）,对多脉冲序列的放大过程进行了详细的实验研究,获得了多脉冲序列的放大输出.每一个放大脉冲串中包含有19个独立的飞秒单脉冲,其相邻间隔为14.8 ns,对应的重复频率为67.5 MHz.脉冲串的总能量约为122 mJ,各单脉冲能量从20 mJ指数衰减至0.5 mJ,脉宽约为60fs,对应的峰值功率约为10¹¹—10¹⁰W.这种脉冲序列在产生长寿命激光等离子体、激光微加工等方面有重要应用前景.     

激光脉冲对内层等离子体辐射源的影响

本文的基本思想是设计双层金铝薄膜靶以检测激光脉冲宽度与等离子体消融深度的关系,找出有效的等离子体加热方法以产生更强更亮的等离子体辐射源.由于有预脉冲激光的存在,表层金薄膜首先被消融,由主脉冲携带的大能量就能较易穿过表层金等离子体将能量聚焦在内层铝靶上,由此产生内层高温等离子体.又由于外层低温等离子体存在,其将有效的阻碍内高温等离子体因膨胀而引起的能量损失.对无预脉冲而言,直接入射激光能量都沉积在靶表层形成表层高温等离子体.但是激光直接入射而产生的等离子体辐射总强度只比由预脉冲情况下产生的金等离子体辐射强度增加15%.而预脉冲能量只占激光总能量的2%.实验结果显示Al光谱线主要来自类氢,类氦离子跃迁.Au等离子体光谱线主要来自它的N带,O带和P带谱.我们也观察到一个明显的软X射线短波发射极限.所有结果显示由于预脉冲的存在将对靶各层等离子体辐射产生极大的影响     

由激光等离子体细丝引起的二次谐波侧向空间分辨谱

本文从实验上,用窄频带和宽频带激光,在无预脉冲和有预脉冲两种情况下,辐照平面Al靶.在垂直入射激光方向观察到高光谱分辨(～0.2?)和空间分辨(～2μm)的二次谐波空间分辨谱.通过分析各种现象,基本上证明了在垂直入射激光方向的二次谐波辐射是由激光与等离子体细丝相互作用所引起的,而不是由平面波与等离子体相互作用引起的,理论和实验基本一致.     

辐射加热Al等离子体的吸收谱实验

报道了辐射加热Al样品的K壳层辐射吸收谱实验. 在神光Ⅱ激光装置上，将8路主激光注入锥柱型金腔产生高温辐射源，利用该辐射源加热腔内的Al薄膜样品，产生温度达到几十电子伏的热稠密等离子体. 相对主激光延迟一定时间后，利用第9路激光短脉冲聚焦打靶加热金盘，产生短脉冲X光点光源. 通过测量075—085nm波长范围内未经样品衰减以及经过样品衰减后的背光源辐射光谱，得到了Al样品的K壳层吸收谱. 利用细致谱线计算的吸收谱对实验光谱进行拟合，确定了Al样品等离子体的电子温度.     

磁压缩等离子体电热炮

 电热炮（ｅｌｅｃｔｒｏｔｈｅｒｍａｌｇｕｎ）是全部或部分地利用电能加热工质来推进弹丸的发射装置。一般地说,电热发射有两个含义：一是利用特定的高功率脉冲电源向某些工质放电,把工质加热而转变成等离子体状态,利用含有热能和动能的等离子体直接推进弹丸运动;二是利用加热产生的等离子体再去加热其他更多质量的低分子量的轻工质,使其化学反应变成热气体（含有少量等离子体）,借助这些热气体的热膨胀做功来推进弹丸。磁压缩等离子体电热炮是一种以炸药能量驱动的电磁“火炮”．它把化学能转变成磁能,然后利用磁能压缩等离子体推进弹丸前进。