神光Ⅲ主机装置X光静态成像系统研制

针对神光Ⅲ主机装置的靶室结构和打靶方式要求,基于针孔成像原理,成功研制出应用于神光Ⅲ主机装置的X光静态成像系统。该系统采用模拟靶组件进行离线瞄准,并可进行在线轴向和指向调节,调节精度分别为81 m、40 m。针孔组件和滤片组件的自动更换使系统实现了真空环境下的在线快速切换和运行。同时使用有限元软件ANSYS对系统的变形与应力进行模拟分析以保证系统的可靠性。系统搭载X光CCD在神光Ⅲ主机装置上进行激光打靶考核,实验结果表明,该系统达到神光Ⅲ主机装置使用要求。     

神光-Ⅲ主机装置MJ级能源系统研制现状

介绍了神光-Ⅲ主机装置能源系统的功能要求、组成结构和设计方法,以及关键单元器件的功能要求和设计方法。该系统是片状放大器系统的重要组成部分,由6个束组共108套最大储能为1.2 MJ的能源模块组成,总储能达到110 MJ（最大130 MJ）。每套模块产生一个脉宽610 s(10 %峰值)的电流脉冲,驱动10组、共20支氙灯,为片状放大器提供泵浦能量,峰值电流为0.25 MA。目前投入试运行的36套能源模块的各项电气性能指标满足设计要求,能确保片状放大器小信号增益系数达到5.0%/cm,为片状放大器提供足够的泵浦能量,满足激光器的能量需求。     

神光-Ⅲ主机装置MJ级能源系统研制现状

介绍了神光-Ⅲ主机装置能源系统的功能要求、组成结构和设计方法,以及关键单元器件的功能要求和设计方法。该系统是片状放大器系统的重要组成部分,由6个束组共108套最大储能为1.2 MJ的能源模块组成,总储能达到110 MJ(最大130 MJ)。每套模块产生一个脉宽610μs(10%峰值)的电流脉冲,驱动10组、共20支氙灯,为片状放大器提供泵浦能量,峰值电流为0.25 MA。目前投入试运行的36套能源模块的各项电气性能指标满足设计要求,能确保片状放大器小信号增益系数达到5.0%/cm,为片状放大器提供足够的泵浦能量,满足激光器的能量需求。     

神光-Ⅲ主机X光双通道单分幅成像系统研制

根据神光-Ⅲ激光器的运作方式和靶室结构,成功研制出用于神光-Ⅲ激光器装置的X光双通道单分幅相机系统。该相机系统主要由针孔成像组件、MCP选通技术型分幅相机和科学型可见光CCD三部分组成,同时系统具有线下瞄准、线上三维调节的功能。系统中针孔直径为10 m,放大倍率为5,分幅相机单画幅宽度13 mm,长度36 mm,曝光时间0.5~10.0 ns可调。在神光-Ⅲ主机装置上成功完成了对此系统的性能考核,结果表明,该系统完全能够应用于神光-Ⅲ装置上,而且与传统方式上的针孔成像组件配接X光CCD组成的成像系统相比,具有更好的信噪比和空间分辨。     

神光Ⅲ主机装置内爆中子和伽马辐射特性的数值模拟

采用三维中子-光子耦合输运蒙特卡罗程序JMCT,对神光Ⅲ主机靶场进行精细几何建模,使用该模型通过计算获得了DD内爆聚变中子及伽马射线在靶场环境的空间分布以及能谱和飞行时间谱。根据计算结果对散射中子和伽马射线的特性进行了讨论,并定量分析了散射中子噪声和伽马噪声分别对下散中子产额测量和高能X射线照相的影响。研究结果表明：必须进行有效的辐射屏蔽设计才能使下散中子产额测量和高能X射线照相的信噪比优于10。     

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。     

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f1400 mm2100 mm黑腔,f500 mm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9.7108。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。     

神光-Ⅲ原型装置两极驱动的均匀照明研究

梳理了两极驱动的研究思路和神光-Ⅲ原型装置两极驱动的研究内容;提出了针对靶丸表面均匀照明设计的光束近似原则,基于该原则建立了"逐次递进"的方法,优化设计了不同条件下靶丸表面均匀照明的激光条件,并对设计方法进行了数值模拟分析,设计内容在神光一III原型装置上进行了初步的实验验证,结果进一步支持了靶丸表面均匀照明设计的合理性,研究结果为后续的实验设计和理论研究提供了指导方向。     

针对神光II升级装置的直接驱动快点火集成实验靶的初步设计

神光II激光装置升级完成后,激光能量将大幅提高,同时配备皮秒拍瓦激光束,能够满足快点火研究在万焦耳级平台开展集成实验的需求.神光II升级装置设计原则是以间接驱动为主,兼顾直接驱动.尽管直接驱动只是替代方案,然而由于直接驱动在快点火预压缩中具备一定优势,如能量利用率较高、对快点火导引锥预热较少、便于诊断等,因此需要探索基于神光II升级装置的直接驱动快点火靶设计.本文针对神光II升级装置的激光条件,利用辐射流体程序Multi1D对集成实验用快点火直接驱动靶的尺寸进行了初步内爆压缩设计和优化.在激光条件固定的情况下,优化无充气单层靶球的半径、厚度,尽可能实现高的密度、面密度.得到最优靶参数为外半径420μm,壳层厚度35μm,与靶球定标关系验证一致.根据超热电子定标关系,计算表明压缩过程实现的最高面密度与皮秒拍瓦激光产生的超热电子射程基本匹配.     

神光-Ⅲ主机黑腔腔形研究与设计

利用三维视角因子软件IRAD3D研究了神光-Ⅲ主机靶丸表面辐射驱动时变对称性和驱动强度随黑腔腔形和排布方式的变化。模拟结果表明:采用椭球形黑腔能显著减小黑腔壁面积从而减小腔壁能量消耗并提高靶丸消耗份额;不同腔形和排布方式下均可通过调节腔长使勒让德不对称性模P2时间积分量较小;采用双环辐照和椭球腔形都利于缩短腔长;四环排布利于调节P4分量,但环向不对称性M4较差;椭球腔双环排布能兼顾极向不对称性P2,P4和环向不对称性M4,且靶丸表面X光驱动强度相对柱腔双环提高25%~27%。     

神光-Ⅲ主机黑腔腔形研究与设计

利用三维视角因子软件IRAD3D研究了神光-Ⅲ主机靶丸表面辐射驱动时变对称性和驱动强度随黑腔腔形和排布方式的变化。模拟结果表明:采用椭球形黑腔能显著减小黑腔壁面积从而减小腔壁能量消耗并提高靶丸消耗份额;不同腔形和排布方式下均可通过调节腔长使勒让德不对称性模P2时间积分量较小;采用双环辐照和椭球腔形都利于缩短腔长;四环排布利于调节P4分量,但环向不对称性M4较差;椭球腔双环排布能兼顾极向不对称性P2,P4和环向不对称性M4,且靶丸表面X光驱动强度相对柱腔双环提高25%~27%。     

神光Ⅲ主机装置内爆中子和伽马辐射特性的数值模拟北大核心CSCD

采用三维中子-光子耦合输运蒙特卡罗程序JMCT,对神光Ⅲ主机靶场进行精细几何建模,使用该模型通过计算获得了DD内爆聚变中子及伽马射线在靶场环境的空间分布以及能谱和飞行时间谱。根据计算结果对散射中子和伽马射线的特性进行了讨论,并定量分析了散射中子噪声和伽马噪声分别对下散中子产额测量和高能X射线照相的影响。研究结果表明:必须进行有效的辐射屏蔽设计才能使下散中子产额测量和高能X射线照相的信噪比优于10。     

“神光Ⅲ”装置靶场结构设计

“神光Ⅲ”主机装置作为世界第三大ICF激光装置,其靶场具有光路排布复杂、物理诊断设备多和结构庞大、繁多及空间复杂等特点。如何满足靶场中数以百计的光学元件极为苛刻的微米级稳定性要求,合理设计结构空间布局保证具有百级洁净度要求光学元件的在线安装和更换,以及超大尺度铝制真空靶室、巨型钢结构光学平台一编组站等单元结构设计都是装置靶场系统结构设计的关键。我们采用靶场总体稳定性分析、三维设计及虚拟仿真技术、模块化、插件化等设计方法,完成了“神光Ⅲ”主机装置的靶场结构设计。     

神光-Ⅲ原型装置初步的激光脉冲整形实验

针对物理实验要求的三台阶整形脉冲(脉冲宽度比为1.5 ns:1ns:0.5 ns,幅度比为1:4:16),在神光-Ⅲ原型(TIL)装置上开展了脉冲时间波形整形实验研究。首先,针对发射目标利用激光性能仿真模型预测注入激光系统的激光能量和脉冲波形。然后,在脉冲整形后进行不同功率的激光发射对脉冲波形进一步修正:利用实验测量的频率转换效率修正各光束1ω能量和1ω脉冲波形;通过拟合实验测量的能量数据修正注入激光能量;通过增益-通量曲线修正注入激光脉冲波形。最后,将各束注入脉冲波形再次折中作为脉冲波形调整的最终依据。实验结果表明,对靶面要求的3ω-3 ns-0.5 kJ(单束)的三台阶整形脉冲,8束脉冲波形与要求比较一致;三个台阶的束间瞬时均方根功率不平衡分别约为30%,10%和5%。     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10 μm,测速范围为10~50 km·s-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km·s-1。     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪

 介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10 μm,测速范围为10~50 km·s^-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km·s^-1。     

神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统结构设计

系统介绍了神光-Ⅲ主机装置靶场光传输系统的结构设计,光传输系统的关键性能包括稳定性、精确性及洁净性,为保证苛刻的稳定性要求,提高结构动力学稳定性的同时提出一种新的稳定性分析方法;通过设计在线可更换单元、运动学支承结构和采用低应力夹持技术实现在线精密调节和快速安装定位;同时在设计、制造和安装过程中建立洁净理念。目前安装完成的束组的测试结果表明,主机装置靶场光传输系统的结构设计满足装置设计要求。     

地脉动作用下主机装置靶室结构稳定性分析与评估

在大型固体激光器结构稳定性设计中,数值模拟结果是结构稳定性设计的主要依据,故数值模拟的可信度至关重要。为了评估装置稳定性计算结果的可信度,基于现代模型验证与确认技术中关于不确定性源的量化及传播分析方法、模型形式误差与预测推断的叠加方法研究,对靶球结构的最大位移响应进行了预测推断。稳定性分析中为了快速进行不确定性参数的传播和灵敏度分析,使用二次响应面模型作为代理模型,灵敏度分析结果表明模态阻尼比对靶球结构的稳定性影响更大。对关心量的稳定性预测结果表明,靶球结构最大位移响应的上界与稳定性设计指标相比,安全裕度仍大于7,说明主机装置的稳定性设计具有足够的可信度。     

基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪北大核心CSCD

介绍了基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪(VISAR)的系统结构和实验结果,详细阐述了为解决VISAR系统的光路对接调试、干涉仪零程差状态保持、探针激光方式、条纹相机触发时间等问题而采取的特殊手段。对系统性能进行了测试,结果表明:时间分辨力优于30 ps,空间分辨力优于10μm,测速范围为10～50 km.s-1。通过神光Ⅲ原型装置进行打靶实验,结果表明:该系统能获得透明材料中冲击波作用形成的清晰干涉条纹,能依据条纹分布情况来判断冲击波在空间不同位置的作用情况。对双灵敏度结构获得的两幅条纹图像进行处理,计算得到了冲击波在透明材料中的传播速度为36.5 km.s-1。     

神光Ⅲ原型装置直接驱动均匀辐照设计及在快点火中的潜在应用

研究了基于间接驱动设计的神光Ⅲ原型装置在直接驱动方式下提供的辐照均匀程度,在考虑激光瞄准偏差以及激光束间能量偏差的情况下,通过优化激光光斑内部光强分布实现了球靶表面较高程度的均匀辐照。研究表明光强均方根随激光偏差的减小而降低。在优化结果基础上,分析了优化光强与实际光强的联系,指出可通过同步放缩具有长度量纲的量调整靶球表面平均光强,为后续靶设计提供了依据。最后,研究了优化结果在直接驱动快点火技术途径下的应用,分析了导引锥对激光传输的影响,表明当导引锥位于靶球两极方向,并且半锥角小于30°时,导引锥对锥外部靶球表面的光强分布影响较小,优化结果亦可应用于直接驱动快点火。