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.     

基于多反应通道的高产额激光中子源实验研究

基于超短超强激光的短脉冲中子源是实现超快中子探测的理想中子源。如何提升中子产额是目前短脉冲激光中子源实现应用需求亟需解决的关键问题。提出基于靶背鞘场加速机制和束靶反应方案,采用LiD复合组分靶作为中子转换体,可以有效提升激光中子产额。与常规的LiF转换体相比,除了p-Li和d-Li两个反应道之外,LiD转换体可以多出p-D和d-D两个反应道,因此可充分利用激光加速的质子和氘离子的多反应通道优势来提升中子产生概率。实验结果表明,相比于LiF转换体,LiD转换体可带来中子产额2～3倍的提升,达到5.2×108 n/sr的最高中子产额,并具备更好的前冲性。实验还区分了多反应通道的贡献,证明中子产额提升主要来自于p-D反应。     

利用气泡探测器测量激光快中子

在利用超强激光驱动中子源的研究和应用研究中,中子源的产额及其角分布至关重要.我们在星光Ⅲ号激光装置上采用气泡探测器对强激光驱动的中子源的产额及其角分布进行了测量.利用超强皮秒激光与碳氘薄膜靶相互作用产生高能氘离子束撞击次级碳氘靶,通过氘-氘核反应产生准单能快中子.实验发现中子束的发射具有一定的方向性,在入射氘离子的传输方向上中子束具有更高的强度,测量得到的中子束最大强度为5.13×10⁷ n/sr.利用实验测量的氘离子能谱和角分布对中子束角分布进行了理论计算,结果与实验测量基本一致.     

我国首次间接驱动内爆出中子实验成功

1990年10月中旬到11月底,中国工程物理研究院激光惯性约束聚变实验作业队在我国“神光”装置上,进行了以研究间接驱动内爆为主要目标的激光打靶实验。以可靠的诊断设备和重复的实验数据确认,两种间接驱动方式(辐射驱动和混合驱动)内爆出中子的实验均获得成功,其最高聚变中子产额分别达到:5×10~3中子/脉冲和3×10~5中子/脉冲。 实验采用中国工程物理研究院核物理与化学研究所研制的空腔靶,靶腔由金(Au)材料制成,腔内悬挂内充一定压力的氘氚气体玻璃微球,其氘氚含量比为1:1。     

激光加热等离子体研究

本文研究了上升时间为毫微秒的万兆瓦量级的钕玻璃激光脉冲与多种含氘材料平板靶之间的相互作用。重点测量了等离子体的中子产额、电子温度和后向反射激光的各种特性(包括反射率、空间、时间及光谱结构)。 关键词：     

拍瓦激光与铜靶作用产生光核中子的数值模拟研究

激光驱动中子源由于中子通量高、短脉冲等特点受到广泛关注。通过辐射流体动力学、粒子动力学和蒙特卡罗三种数值模拟程序的组合使用,对超短强激光与铜靶作用产生光核中子进行了全物理过程模拟。首先使用辐射流体动力学程序获得激光预脉冲产生的预等离子体密度分布,然后将预等离子体输入粒子动力学程序获得超短强激光主脉冲产生的超热电子信息,最后将超热电子输入蒙特卡罗程序得到光核中子。模拟获得了光核中子的产额、能谱和角分布信息,发现采用强度1022 W/cm2激光、直径和厚度均为4 cm的Cu圆柱靶,可以获得产额为1.2108/J的光核中子。     

超强超短脉冲激光诱发大尺度氘团簇聚变

 利用低温脉冲气阀获得了平均含有3×103氘原子的氘团簇。在飞秒激光装置上实现了氘团簇聚变,每发中子产额为1×10³。中子产额对激光功率密度敏感,保持激光能量不变,随着激光焦斑的变大,DD聚变中子产额逐渐增加,最大值出现在激光焦斑为470 mm时;继续增大激光焦斑,没有观察到中子信号。实验结果还表明激光氘团簇聚变发生的区域主要是激光辐照的等离子体热区,此区域内邻近氘团簇库仑爆炸发射的高能氘离子碰撞引发聚变反应。     

激光脉冲在等离子体中的压缩分裂

通过数值求解一维非线性薛定谔方程,研究了圆偏振入射激光脉冲在初始密度范围为1/4到略低于1倍临界密度的等离子体中的自压缩和分裂现象. 提高等离子体密度和入射激光强度以及减小脉冲宽度可以在更短的传输距离获得有效的激光脉冲压缩,压缩后的脉冲半高宽度可达到初始脉冲半高宽度的1/35,甚至更小. 这种压缩是激光脉冲在等离子体中形成高阶孤子的过程中产生的,可以获得比在稀薄等离子体中更好的压缩比例. 数值计算的结果给出了该情况下激光脉冲在等离子体中自压缩后形成的高阶孤子分裂. 利用一维粒子数值模拟程序(particle-in-cell,PIC)也观察到了脉冲的压缩和分裂现象,得到了与数值计算一致的结果. 关键词： 非线性薛定谔方程 自压缩 脉冲分裂 粒子模拟     

铜活化法诊断神光Ⅲ主机装置氘氚中子产额

介绍了铜活化诊断氘氚中子产额的测量原理,分析了62 Cu和64 Cu两种活化核素在符合测量中的贡献。针对不同范围内的中子产额测量,提出了系统灵敏度相对标定法和64 Cu活化核标定法。通过添加中子屏蔽锥测量了标定场所散射中子影响。计算评估了63 Cu(n,γ)64 Cu反应过程对活化测量的影响。在神光Ⅲ主机装置上,利用该系统测量了直接驱动氘氚中子产额。实验结果表明:氘氚中子产额在109~1013范围采用相对标定方法较为合适,64 Cu活化核的标定方法适用于1012~1016范围内产额测量。标定场所散射中子对灵敏度标定因子影响约0.4%。63 Cu俘获辐射反应在64 Cu活化核标定中贡献小于1%。目前神光Ⅲ主机装置直接驱动氘氚中子产额约8×1012。     

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。     

激光直接驱动内爆DT燃料面密度诊断

在神光Ⅱ基频光直接驱动内爆实验中,利用CR39径迹探测器测量了DT靶丸释放出的14MeV中子弹性散射后逃逸出燃料的反冲D核和反冲T核的数量,实现了激光聚变实验中燃料面密度〈ρR〉的诊断.测量结果表明,靶面激光照射均匀度对压缩状态具有一定程度的影响,爆推靶〈ρR〉低于烧蚀靶〈ρR〉一个量级左右,表明烧蚀靶压缩情况比爆推靶好,超热电子预热严重影响压缩 关键词： 惯性约束聚变 等离子体诊断 燃料面密度 CR39     

间接驱动快点火锥壳靶锥体材料燃料混合问题研究

与中心点火相比,快点火将压缩和点火过程分开,大大放宽了对压缩对称性和驱动能量的要求。通过在神光Ⅱ激光装置上开展了快点火锥壳靶预压缩实验研究,利用X射线背光分幅照相方法观察到了清晰完整的快点火锥壳靶内爆压缩过程,并利用阿贝反演结合剩余烧蚀质量的方法得到了不同时刻燃料密度、面密度分布数据,当前实验条件下获得的最大压缩密度和面密度分别为30g/cm3和50mg/cm2;为解决金柱腔M带对导引锥的预热以及由此导致的燃料-锥体材料混合问题,提出了一种在锥体表面镀低Z材料的方法,实验和辐射流体数值模拟结果验证了该方法的有效性,该方法的成功解决了间接驱动快点火激光聚变的重要关键技术问题。     

Propagation of ion shock in solid DT target with nonlinear force-driven plasma blocks

The plasma block (piston) with pressure P ₁ is generated as a result of the nonlinear (ponderomotive) force in laser–plasma interaction. The plasma block can be used for the ignition of a fusion flame front in a solid density deuterium–tritium (DT) target by compressing the fuel that creates an ion shock propagating with velocity u _{ion? shock} in the inside of a solid DT target. The ignition is achieved by creating an ion shock during the final stages of the implosion. We estimated the effect of an ion shock in solid DT target at an early stage with no compression and at the last stage with compression, where density increases by a factor of solid-state density. According to the theoretical model, a large target with a very thin layer of fuel (high-aspect ratio target) would be ideal to obtain the very strong shocks. Results indicate that the maximum compression even by an infinitely strong single shock can never produce more than four times the initial density of DT fuel. The results reported that the threshold ignition energy in a solid DT target is reduced by a factor of 4.     

Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学

利用Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆是实现惯性约束聚变可能的技术途径之一.聚龙一号装置已开展的动态黑腔实验初步表明形成了有效的动态黑腔辐射场,为驱动靶丸内爆研究奠定了重要基础.针对聚龙一号装置驱动条件,通过建立包含柱形动态黑腔与球形靶丸的柱球耦合物理模型,利用二维辐射磁流体力学程序,对Z箍缩动态黑腔驱动靶丸内爆动力学过程进行了数值模拟研究,获得了丝阵等离子体内爆、丝阵等离子体与泡沫转换体相互作用、冲击波产生和黑腔辐射传输、辐射烧蚀和燃料压缩的完整过程.在此基础上,研究了靶丸赤道面和两极的辐射源均匀性及燃料压缩对称性.结果表明,由于在泡沫转换体中的辐射传输以及黑腔-靶能量耦合过程,靶丸赤道面与两极辐射波形存在一定的时间差和峰值差,造成燃料压缩不对称.若减小靶丸半径,可以提高燃料压缩的对称性,但靶丸半径很小时聚变产额也较低;靶丸半径较大时,由于靶丸赤道面和两极辐射场时间和温度峰值的较大差异,燃料压缩呈现更为明显的不对称性.     

神光Ⅱ装置直接驱动柱形靶压缩

在神光Ⅱ激光装置上,针对外径260 m的柱形靶,采用大焦斑拼接的办法（焦斑直径约200 m）,开展了八路激光直接驱动压缩实验。利用第九路激光驱动钼X射线背光,使用Kirkpatrick-Baez显微镜成像以及条纹相机记录的方法,获得了柱形靶内爆流线图,据此给出的压缩后密度约为初始密度的120倍。该密度处于快点火电子产生区和能量沉积区密度之间,正是电子束需要传输的密度区域。神光Ⅱ皮秒激光运行后,可以利用这种压缩的柱形靶开展电子束在稠密等离子体中传输的实验研究。     

辐射驱动中心点火靶丸的辐射源整形

利用数值模拟的方法研究了辐射驱动中心点火靶丸辐射脉冲的整形方法。根据文献对于燃料低熵压缩冲击波匹配要求的描述,设计了一个四台阶型的驱动脉冲。发现在冲击波汇聚后,燃料内的强稀疏使得烧蚀面产生额外的强冲击波,导致靶丸的熵增较大,不能满足要求。设计了三台阶加两折线形式的脉冲曲线,利用第4个冲击波的时间及强度变化抑制了稀疏波,避免额外的强冲击波产生,很好地抑制了熵增。还描述了为了避免烧蚀层烧穿而过早关闭辐射源,导致燃料压缩密度下降的问题。三台阶加两折线形式的脉冲通过控制峰值温度的时间,解决了此问题,使燃料达到很好的压缩效果。     

Ultrabright γ-ray emission from the interaction of an intense laser pulse with a near-critical-density plasma

An efficient scheme for generating ultrabright γ-rays from the interaction of an intense laser pulse with a near-critical-density plasma is studied by using the two-dimensional particle-in-cell simulation including quantum electrodynamic effects. We investigate the effects of target shape on γ-ray generation efficiency using three configurations of the solid foils attached behind the near-critical-density plasma: a flat foil without a channel (target 1), a flat foil with a channel (target 2), and a convex foil with a channel (target 3). When an intense laser propagates in a near-critical-density plasma, a large number of electrons are trapped and accelerated to GeV energy, and emit γ-rays via nonlinear betatron oscillation in the first stage. In the second stage, the accelerated electrons collide with the laser pulse reflected from the foil and emit high-energy, high-density γ-rays via nonlinear Compton scattering. The simulation results show that compared with the other two targets, target 3 affords better focusing of the laser field and electrons, which decreases the divergence angle of γ-photons. Consequently, denser and brighter γ-rays are emitted when target 3 is used. Specifically, a dense γ-ray pulse with a peak brightness of 4.6×10²⁶ photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW (at 100 MeV) and 1.8×10²³ photons/s/mm²/mrad²/0.1%BW (at 2 GeV) are obtained at a laser intensity of 8.5×10²² W/cm² when the plasma density is equal to the critical plasma density n_c. In addition, for target 3, the effects of plasma channel length, foil curvature radius, laser polarization, and laser intensity on the γ-ray emission are discussed, and optimal values based on a series of simulations are proposed.