基于神光Ⅲ原型装置的激光加载条件下准等熵压缩实验研究进展

激光加载条件下的准等熵压缩实验逐渐受到重视.在间接驱动方式下,利用气库靶的方式可以获得准等熵压缩的实验数据.自由面速度和界面速度是两种常用的准等熵压缩诊断对象.气库靶驱动准等熵压缩方式效率较低,但是对打靶激光的强度变化不敏感.长脉冲打靶的直接驱动方式驱动效率较高,但对激光强度变化非常敏感.基于神光Ⅲ原型装置,本文介绍了气库靶驱动的准等熵压缩实验靶型、部分实验结果,并分析了实验中的关键技术,为气库靶驱动准等熵压缩实验技术提供了思路.同时,介绍了长脉冲直接驱动准等熵压缩实验的靶型、典型实验结果,并分析了致盲效应的影响.利用激光直接驱动的方式,获得了三台阶Al/LiF界面的加载过程.该数据是目前国内使用该技术获得的最好数据.通过这些实验结果,证明了在神光Ⅲ原型上开展准等熵压缩实验的可行性.     

神光系列装置激光聚变实验与诊断技术研究进展

文章主要介绍了国内自2000年以来的激光惯性约束聚变(ICF)实验研究以及诊断技术研究的进展,主要内容为神光Ⅱ激光装置上的实验,也对刚建成不久的神光Ⅲ原型装置上的实验作简要介绍,此外,文章还介绍了神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上近期发展的诊断技术和设备.文章作者在神光Ⅱ激光装置上开展了多项的物理实验研究,其中包括黑腔物理、内爆物理、流体动力学不稳定性、辐射不透明度以及辐射驱动冲击波等,并取得了重要的进展.在X射线单能成像、Thomson探针、无高级衍射的单级衍射光栅等新型关键诊断技术与尖端设备研制方面也取得了显著进展.     

激光聚变研究中心激光技术研究进展北大核心CSCD

介绍了中物院激光聚变研究中心在神光-Ⅲ主机装置建设、大口径高通量验证实验平台研制、神光-Ⅲ原型装置运行与性能提升、支撑激光驱动器建设的精密装校与洁净处理技术和精密光学检测技术、星光-Ⅲ激光装置建设、PW量级全光参量啁啾脉冲放大系统技术以及高功率波导激光技术等方面的主要研究进展情况。     

激光驱动带窗口宏观飞片特性实验研究

 利用激光驱动带窗口宏观高速飞片技术可以实现对材料的一维加载,特别适合开展材料的高压状态方程及高应变率下材料的动态力学特性研究。利用小型脉冲YAG激光器进行了驱动飞片技术研究。开展了飞片结构对飞片力学参数影响的实验,结果表明：复合靶飞片的能量耦合效率比单膜结构飞片具有较大的提高,平均速度提高约15%~30%。同时,飞片的平面性和完整性也有明显的改善。实验中测量了飞片的启动弛豫时间,结果显示：飞片的启动弛豫时间为5~10 ns。利用多通道光纤阵列开展了飞片的平面性测量。实验结果表明,在约1.0 mm的范围内,飞片的时间分散性为20~30 ns。利用高灵敏度激光干涉技术,对飞片速度历史进行了测量,结果表明,飞片在前20 ns就加速到最终速度的90%以上。     

神光-Ⅱ和神光-Ⅲ原型内爆对称性实验的模型分析

内爆靶丸的X光辐射驱动对称性分析和控制能力演示是惯性约束聚变(ICF)研究最重要的课题之一, 目前国内外已展开许多实验和模拟研究.建立了一种ICF内爆对称性分析的简化模型, 利用该模型分析了神光-Ⅱ和神光-Ⅲ 原型激光装置上的内爆对称性实验. 与实验结果比较表明,计算最佳腔长与实验值基本相符;靶丸压缩变形因子计算结果也与实验测量值接近. 模型的有效性得到验证,可为即将开展的神光-Ⅲ 主机内爆对称性实验参数设计和结果分析提供参考.     

成像型任意反射面速度干涉仪研制

成像型任意反射面速度干涉仪是激光驱动冲击波研究的重要诊断设备,主要应用于惯性约束聚变脉冲整形实验、高压状态方程实验研究和材料特性研究.基于传统任意反射面速度干涉仪的特点,研制了一台基于神光Ⅲ原型装置的成像型任意反射面速度干涉仪,该系统可用于测量自由面速度及透明介质中的冲击波速度.给出了成像型任意反射面速度干涉仪的详细设计要点.对系统性能进行了分析及测试,结果表明时间分辨优于30 ps,物方空间分辨约为10 μm,测速范围为6～45 km/s.     

光纤传输激光驱动飞片实验研究

构建了一种基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统,并测试了飞片速度.飞片膜层为三明治结构:铝烧蚀层、氧化铝隔离层和铝飞片产生层.飞片膜层采用磁控溅射技术沉积在玻璃衬底上,总厚度为5.5 μm.激光辐照铝膜层产生高温高压等离子体,驱动剩余膜层产生高速飞片,速度达数km/s.同时,实验研究了光纤传能系统的输出激光空间分布特性和传输激光能量容量,它们决定了飞片的平面性和最大速度.光纤端面损伤是限制光纤传输激光能量容量的关键因素,光纤端面通过精密机械抛光和激光预处理可以获得理想的抗激光损伤能力.采用基于光纤阵列探针的时间序列测试技术获得了飞片的平均速度,并评估了飞片的平面性.采用搭建的基于光纤传输高功率激光的飞片发射系统获得了速度达1.7 km/s、直径接近1 mm的高速飞片. 关键词： 激光驱动飞片 激光辐照 光纤阵列探针 激光等离子体     

纳秒激光冲击加载的全过程诊断

 与传统的冲击加载方式相比,激光驱动试样具有微尺寸（直径小于1 mm,厚度约10 μm）、超短作用过程（纳秒量级）等特点,但其速度变化历史的实时诊断颇为困难,因此发展适用于激光驱动的高时空分辨率的实时测试技术是十分重要和有价值的。采用桌面式脉冲Nd:YAG激光器作为加载平台,发展了激光加载下的小焦点多普勒光纤探针测量系统（焦斑直径约200 μm,时间分辨力约50 ps）,成功实现了从激光脉冲驱动微尺寸飞片飞行直至撞击Z-切石英试样的全过程实时诊断。实验结果显示,将6 μm 厚Al箔飞片驱动至2.48 km/s时,撞击Z-切石英试样的粒子速度为1.27 km/s,与Hugoniot理论计算结果相符,表明该测试技术是可靠、有效的;多层薄膜靶结构设计（基底/烧蚀层/硅油/Al箔）可提升激光与靶物质的能量耦合效率,使飞片保持更好的宏观完整性。为开展超短脉冲激光加载下材料动态特性研究提供了一种有效的技术途径。     

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。     

基于神光Ⅲ原型的激光直接驱动自由面准等熵实验研究

长脉冲激光打靶的直接驱动方式效率较高,但对激光强度变化非常敏感。利用测量自由面速度历史的方法对激光直接驱动准等熵压缩实验技术进行了分析,为改进激光直接驱动的准等熵压缩实验技术提供技术基础。介绍了国内在神光III原型装置上首次开展的激光直接驱动自由面准等熵压缩实验。对实验靶型、激光波形、典型实验结果以及实验中的关键技术进行了分析。在激光能量为1000 J的实验中,使用成像型速度干涉仪获得了较为理想的准等熵压缩条纹图。实验发现,自由面速度达到11.3 km/s时,自由面反射的探针光信号消失。通过对比Multi-1D软件的理论模拟数据与实验处理的结果,发现由于Al自由面缺少约束,这类实验会造成波系复杂化的问题,但是对主冲击的研究还是有意义的。对某些特殊材料,在很难找到阻抗匹配窗口的条件下,利用激光直接驱动方式研究材料高压响应特性提供了另一条可实施的技术途径。     

神光Ⅱ与神光Ⅲ原型上的辐射驱动小收缩比内爆靶设计

本文建立辐射驱动小收缩比(5至10倍)的内爆靶丸的设计方法,并利用辐射流体力学程序Multi-1d对神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置的辐射驱动小收缩比内爆靶丸进行模拟计算,设计出小收缩比内爆靶丸的构形,计算结果给出压缩比、中子产额、压缩面密度随燃料压力变化等内爆物理参量.神光Ⅱ装置上的内爆靶燃料分别采用DD气体和DT气体两种;神光Ⅲ原型装置的内爆靶燃料采用DD气体.神光Ⅱ上小收缩比内爆实验结果与模拟结果基本一致,表明Multi-1d用于设计此类实验的可靠性. 关键词： 辐射驱动 小收缩比 内爆 面密度     

激光间接驱动惯性约束聚变内爆物理实验研究

激光间接驱动惯性约束聚变利用辐射烧蚀驱动靶丸球形内爆,在减速阶段将内爆动能转化成热斑内能,同时压缩燃料,达到点火条件,实现聚变点火。根据目前认识,影响内爆压缩过程的主要因素包括内爆对称性、燃料熵增因子、内爆速度和混合。内爆物理实验研究的目的是发展对上述影响因素的实验表征方法,获取这些影响因素随靶设计参数的变化规律,建立相应的实验调控能力,最终达到不断提升内爆性能的目的。为此,在内爆对称性方面,开展了Bi球自发光实验,用于研究点火脉冲前2ns驱动不对称性;在内爆速度方面,开展了球面弯晶单能流线实验,测量得到内爆速度和剩余质量随时间的变化;在混合方面,开展了内壳层示踪涂层内爆混合实验,测量得到环形发光图像。为考察综合内爆性能,在神光Ⅱ和神光Ⅲ原型装置上开展了DT内爆实验,获得了中子产额随初始靶参数的变化规律。     

大型激光装置束间同步抖动的高精度测量

在多路激光组合使用的大型激光装置中,需要对不同链路输出的激光进行严格的同步控制,以获得更高能量和更高强度的激光脉冲。介绍了利用光谱干涉方法测量大型激光装置中束间同步抖动的基本原理,分析了光谱仪分辨率、束间固有同步延迟等参数对测量精度的影响。在实验上第一次基于光谱干涉方法获得了国内典型的大型激光装置(神光-Ⅲ原型装置)束间同步抖动数据。实验结果表明,神光Ⅲ原型装置的束间同步抖动优于2ps。该方法与目前常用的方法(光电管结合示波器测试方法或者条纹相机测试法)相比具有更高的精度。实验获得的结果为超高峰值功率激光相干合成技术路线和相关误差控制方案的选取提供依据。     

“天光一号”驱动的聚苯乙烯高压状态方程测量

聚苯乙烯等CH材料的高压状态方程研究对于ICF聚变点火具有重要意义.本文基于"天光一号"长脉冲激光装置开展了聚苯乙烯高压状态方程研究,理论模拟了靶内的冲击动力学过程,采用侧向阴影成像技术实验测量了不同厚度的聚苯乙烯平面靶和飞片靶,获得了靶内的冲击波速度与粒子速度等状态方程参数.结果表明:长脉冲激光驱动下CH平面靶内经历了明显的准等熵加载过程,并逐渐演化为弱冲击加载.实验测量平面靶压力12 GPa,飞片撞击靶压力34 GPa,与模拟结果基本相符.     

辐射温度与其驱动Al冲击波速度的定标关系研究

利用一维辐射流体力学程序,对不同脉冲波形的辐射温度与Al中冲击波速度关系进行模拟计算和分析.指出定标公式T_r=0.0126D^0.63主要适用于整形脉冲的辐射温度波形,而对高斯型和方波脉冲激光产生的辐射温度波形则不完全适用,通过计算给出修正的定标公式,且与自相似解得到的结果一致.另外对神光Ⅲ原型装置的整形脉冲辐射温度驱动Al样品冲击波轨迹进行了计算,得到第二个冲击波稳定传播所要求的Al样品的最小厚度.最后利用神光Ⅱ装置产生的辐射驱动冲击波,由修正的定标关系得到的辐射温度与软X射线能谱仪测量的辐射温度十分相符,从实验证实了修正定标关系的可靠性. 关键词： 辐射温度 冲击波速度 定标关系 整形脉冲     

基于神光III原型装置开展的激光直接驱动准等熵压缩研究进展

整形激光驱动准等熵压缩是高效的物质动态压缩方式,是开展材料高压压缩特性研究的重要手段.本文系统介绍了近年来基于神光Ⅲ原型激光装置开展的整形激光直接驱动准等熵压缩研究工作：创立了凝聚态物质的准等熵压缩理论模型,改进了实验设计方法和数据处理方法,掌握了制靶工艺,开展了激光加载实验并在多种靶型中实现了数百GPa的准等熵压缩.实验获取的参数范围超过传统加载方式,数据质量达到国际先进水平.     

基于聚龙一号装置的超高速飞片发射实验研究进展

磁驱动加载技术通过脉冲功率源将超大脉冲电流加载到实验负载区,从而形成随时间平滑上升的磁压力,实现对样品的准等熵压缩和超高速飞片发射.本文基于聚龙一号装置的输出特性参数,依次从负载结构、电极尺寸、电流波形和诊断系统等方面,分别设计完成了两种负载构型的超高速飞片发射实验.其中应用单侧带状负载发射尺寸Φ10 mm×0.725 mm的LY12铝飞片速度达到11.5 km/s,磁驱动加载压力近0.9 Mbar.比较模拟计算与实验结果,飞片发射过程和最终速度基本一致.而进一步的模拟计算表明,优化的负载结构尺寸和电流波形调节方案下,将有望发射尺寸Φ8.5 mm×1 mm的铝飞片速度超过15 km/s.从模拟设计到实验开展,已初步掌握了基于多支路脉冲功率发生器的超高速飞片发射实验技术.     

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。     

高功率激光整形脉冲波形控制技术

 针对神光-Ⅲ原型装置物理实验要求的三台阶整形脉冲（三个台阶的脉冲宽度比为1.5∶1.0∶0.5,强度比为1∶4∶16,脉冲总能量为500 J）,并根据该装置的系统构成和具备任意脉冲整形技术,开展了高功率激光整形脉冲波形控制技术研究,通过对基频光段的增益饱和效应和三倍频光的频率转换过程的分析,获得了脉冲时间波形在传输、放大及频率转换过程中的一些变化特点,在此基础上建立了一套简单的预测模型。经过反复迭代计算和多次全系统联机实验获得了实验结果,并在物理实验中得到了应用,初步形成了高功率激光整形脉冲波形的控制方法。     

高功率固体激光性能仿真模型

为实现高功率固体激光装置的能量平衡和功率平衡,开发了激光性能仿真模型为神光-Ⅲ原型装置的运行提供实时预测。模型能够确定系统参数设置(注入能量、注入脉冲波形和参数诊断衰减设置等)。注入能量的预测采用基于以往实验数据的放大曲线拟合方法。平顶脉冲的注入波形预测采用循环迭代算法,整形脉冲波形的预测采用增益-通量曲线法。参数诊断衰减设置是通过基于SG99光传输放大模型的全光路模拟计算实现。对原型装置的仿真表明,能量预测偏差在5%以内; 基频光束间能量分散度可控制在10%以内。模型已成为神光-Ⅲ原型装置运行仿真的有效工具。