激光惯性约束聚变中光学汤姆逊散射研究进展

当前,激光惯性约束聚变在越来越接近点火的极端能量密度条件下,实验与模拟的偏离逐渐增大,一个关键原因是缺乏对黑腔等离子体状态及其影响黑腔能量学和内爆对称性的细致研究和判断。光学汤姆逊散射主动式、诊断精确、参数完备的优点,使之成为激光惯性约束聚变黑腔等离子体状态参数精密诊断的标准方法。中国面向激光惯性约束聚变研究的光学汤姆逊散射实验技术的发展与神光系列激光装置的建设和在其上开展的物理实验紧密相关。近年来,四倍频汤姆逊散射实验技术在神光III原型和100 kJ激光装置上相继建立,部分实验结果不仅加深了对激光惯性约束聚变靶物理的认识,还反映了实验条件对汤姆逊散射诊断的影响,促进了实验技术的精密化发展。在未来,还需要进一步发展多支路汤姆逊散射、五倍频汤姆逊散射和超热相干汤姆逊散射等新技术,面向点火黑腔条件,大幅提升激光等离子体状态参数的诊断精度,开展新物理机制的探索和研究,在激光惯性约束聚变和其他高能量密度物理科学领域发挥更重要的作用。     

A new ignition hohlraum design for indirect-drive inertial confinement fusion

In this paper,a six-cylinder-port hohlraum is proposed to provide high symmetry flux on capsule.It is designed to ignite a capsule with 1.2-mm radius in indirect-drive inertial confinement fusion(ICF).Flux symmetry and laser energy are calculated by using three-dimensional view factor method and laser energy balance in hohlraum.Plasma conditions are analyzed based on the two-dimensional radiation-hydrodynamic simulations.There is no Y_(lm)(l≤4) asymmetry in the six-cylinder-port hohlraum when the influences of laser entrance holes(LEHs) and laser spots cancel each other out with suitable target parameters.A radiation drive with 300 eV and good flux symmetry can be achieved by using a laser energy of 2.3 MJ and peak power of 500 TW.According to the simulations,the electron temperature and the electron density on the wall of laser cone are high and low,respectively,which are similar to those of outer cones in the hohlraums on National Ignition Facility(NTF).And the laser intensity is also as low as those of NIF outer cones.So the backscattering due to laser plasma interaction(LPI) is considered to be negligible.The six-cyliner-port hohlraum could be superior to the traditional cylindrical hohlraum and the octahedral hohlraum in both higher symmetry and lower backscattering without supplementary technology at an acceptable laser energy level.It is undoubted that the hohlraum will add to the diversity of ICF approaches.     

黑腔中等离子体相互作用的流体力学现象观测

激光间接驱动惯性约束聚变实验中,黑腔内情况复杂,在激光烧蚀和辐射烧蚀等的驱动下,光斑区、冕区、纯辐射烧蚀区、射流区的多种等离子体以不同规律运动.发展了X光双能段窄能带的时间分辨成像方法,用以观测黑腔内多种等离子体的运动情况.在真空黑腔中观测到清晰的射流,分析了射流产生机制及其速度;在黑腔中充气,能有效消除射流和抑制冕区等离子体运动,但两种物质界面处可能会出现流体力学不稳定性等现象,分析了界面处的压力平衡关系和密度陡变情况.     

视角因子方法在间接驱动ICF中的应用

采用视角因子方法,对间接驱动惯性约束聚变(ICF)过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐射进行了计算,并分析了激光原型装置上的一个实验的对称性环境。间接驱动ICF系统的不对称性一般来自于激光焦斑和腔体的几何结构,利用视角因子方法,计算X光能量在腔体内的强度分布,将靶丸表面的驱动对称性表示成腔体结构和激光焦斑几何参数的函数。结果表明,采用该方法的程序模拟能够评估腔靶设计的主要参数。     

Fast ignition by intense laser-accelerated proton beams

The concept of fast ignition with inertial confinement fusion (ICF) is a way to reduce the energy required for ignition and burn and to maximize the gain produced by a single implosion. Based on recent experimental findings at the PETAWATT laser at Lawrence Livermore National Laboratory, an intense proton beam to achieve fast ignition is proposed. It is produced by direct laser acceleration and focused onto the pellet from the rear side of an irradiated target and can be integrated into a hohlraum for indirect drive ICF.     

神光Ⅲ原型装置的黑腔靶背向散射光测量技术

在惯性约束聚变研究中,为研究激光等离子体互作用产生的受激布里渊与受激拉曼散射光(SRS),基于神光Ⅲ原型装置利用新的背向散射诊断系统对真空黑腔靶与充气黑腔靶以及有无束匀滑效果情况下的散射光光谱进行了测量。实验发现,在相同条件下,充气黑腔靶SRS散射光比真空黑腔靶大,在终端光学组件中使用束匀滑效果后也能降低散射光。诊断系统记录的散射光强度及光谱的时间变化过程对研究激光等离子体相互作用提供了重要的数据支撑。     

点火黑腔等离子体定标关系及350 eV靶黑腔设计

点火黑腔内环激光通道内靠近黑腔壁的区域是内环激光受激拉曼散射(SRS)背向散射产生与发展的主要区域。根据内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡,提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。该定标关系在一定程度上统筹考虑靶丸性能、激光器指标和激光等离子体相互作用(LPI)。在此基础上,根据靶丸抑制流体不稳定的需求,提出了一个350eV点火黑腔设计,该设计可以较好地抑制内环LPI的发展,并对激光器设计提出了更高的要求。     

半腔靶辐射场研究中M带X光角分布测量

 在“神光Ⅱ”实验条件下，通过在半腔靶底部开大约200μm的小孔来模拟测量内爆靶丸附近的M带X光发射的角分布。介绍了实验中采用的诊断方法和实验方法，并给出了典型的实验结果。实验结果表明从半腔靶漏口所开200μm的小孔出射的M带X光不遵从cosθ分布。实验结果有助于对黑腔物理图像的理解，并为内爆实验设计提供实验依据。     

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.     

基于神光Ⅲ原型的背向散射实验技术研究

激光与等离子体相互作用研究是惯性约束聚变 (ICF) 研究中的重要研究内容. 为了定量研究神光III原型实验中激光与等离子体互作用产生的散射光能量和光谱, 研制了全孔径和近背向散射诊断系统, 并介绍了全孔径和近背反测量系统的光路结构. 对采用连续相位板技术后引起的激光焦斑变化进行了分析. 介绍了采用全孔径和近背向散射诊断系统在神光III原型上完成的考核束匀滑实验效果的实验, 对比了使用束匀滑前后背向散射系统获得的散射光份额和散射光谱分布. 实验发现, 在神光III原型使用800J能量 8束打靶的条件下, 使用束匀滑后背向散射光份额可以降低到5%以下, 其散射光谱也更加集中. 这些数据为黑腔能量学等研究的进一步发展起到重要的促进作用. 关键词： 激光散射 连续相位板 黑腔 光谱     

神光Ⅱ激光装置黑腔辐射温度定量研究

在2009年度神光Ⅱ装置上获得了可重复的冲击波数据,并与精密标定之后的软X射线能谱仪(SXS)给出了自洽的黑腔辐射温度.在三倍频激光能量2.1 kJ、脉宽1 ns条件下,对于神光Ⅱ输运腔(Φ0.8mm×1.7 mm,LEHΦ0.38 mm)辐射温度约为180 eV,对于原型输运腔(Φ1.0 mm×2.1 mm,LEHΦ0.6 mm)辐射温度约为150 eV.采用蒙特卡罗方法编制了数值计算程序,建立了辐射温度测量不确定度评估方法;通过精密标定和多种改进 关键词： 黑腔辐射温度 冲击波速度 蒙特卡罗方法 不确定度分析     

小孔等离子体运动实验方法

在间接驱动惯性约束聚变的黑腔中,辐射烧蚀的高Z等离子体的流体力学运动过程对激光注入黑腔的效率、辐射场均匀性和通过诊断口的黑腔辐射温度诊断都有显著影响。为研究诊断口在黑腔辐射场中的等离子体缩口过程,用激光产生X光辐射加热低Z泡沫填充的金黑腔诊断口,以激光辐照钛平面靶产生的2～5 keV高能段窄能区X光作为背光源,用X光分幅相机获得了源靶和小孔靶两种靶型的小孔等离子体运动过程图像,研究了X光烧蚀的小孔等离子体的流体力学运动过程,探索了定量测量小孔等离子体面密度的空间分布与时间演化过程的实验诊断方法,初步给出小孔等离子体的面密度。     

黑腔等离子体中SRS与SBS过程的散射光谱分析

针对惯性约束聚变中激光通过等离子体时,在光路上激发的受激Raman散射(SRS)与受激Brillouin散射(SBS)过程进行了研究。介绍了用于分析两种不稳定性过程背向散射光谱特征的程序模型,数值模拟了不同等离子体状态参数条件下的SRS与SBS过程,讨论了黑腔内等离子体参数条件对两种不稳定性过程及其散射光谱特征的影响,提出了有益于抑制两种不稳定过程的等离子体参数条件。     

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介绍了在神光Ⅱ装置上开展的长脉冲2ns三倍频激光与黑腔靶相互作用的实验。报道了采用PIN探测器阵列测量大角度受激Raman散射（SRS）角分布和采用激光卡计对背向SRS光能量积分测量的实验结果。相同实验条件下激光辐照缝靶产生的SRS光能量要强于激光与全腔靶作用产生的SRS光，小腔靶的SRS光能量要强于标准腔靶。对比长脉冲2ns及短脉冲1ns激光打靶实验结果可以看出：由于激光功率密度的下降，长脉冲激光打靶时SRS散射光能量要弱于短脉冲激光打靶。长脉冲2ns激光与标准腔靶相互作用时，等离子体堵腔比较严重。     

Application of proton radiography in experiments of relevance to inertial confinement fusion

Multi-Mev proton beams generated by target normal sheath acceleration (TNSA) during the interaction of an ultra intense laser beam (I≥10¹⁹ W/cm²) with a thin metallic foil (thickness of the order of a few tens of microns) are particularly suited as a particle probe for laser plasma experiments. The proton imaging technique employs a laser-driven proton beam in a point-projection imaging scheme as a diagnostic tool for the detection of electric fields in such experiments. The proton probing technique has been applied in experiments of relevance to inertial confinement fusion (ICF) such as laser heated gasbags and laser-hohlraum experiments. The data provides direct information on the onset of laser beam filamentation and on the plasma expansion in the hohlraum’s interior, and confirms the suitability and usefulness of this technique as an ICF diagnostic.     

腔靶X光空间特性研究

本文介绍了腔靶X光空间成像原理和方法。在国内,首次将MCP(微通道板)光电成像器件应用于激光聚变实验,将X射线测量能区扩展到亚千电子伏范围。实验中利用各种黑体腔靶,通过测量腔靶X光空间发射图象,得到了腔靶激光注入孔和腔内都存在着等离子体会聚机制,以及腔内X光发射以腔壁为主等重要信息,观察到腔靶X光输运通道存在着“堵口”现象,对测量结果进行了物理解释。     

ICF点火靶定标关系与稳定性优化设计研究

激光等离子体相互作用(LPI)和瑞利-泰勒流体不稳定性(RTI)是影响间接驱动惯性约束聚变成功的两个主要不确定性因素。点火黑腔内环激光通道在靠近黑腔壁的区域是内环激光SRS背反产生与发展的主要区域。内环通道在该区域满足通道内外压力平衡和能量平衡条件。据此提出了间接驱动惯性约束聚变点火黑腔等离子体定标关系。结合描述靶丸内爆飞行阶段物理以及内爆性能的两个定标关系,提出了描述稳定性相对性能的指标。该指标可以指导点火靶设计,为LPI和RTI提供需要的裕量空间,是点火阈值因子(ITF)的补充。     

空腔靶大变形问题的网格构造

针对ICF(Inertial Confinement Fusion)空腔靶大变形问题,发展了九点网格重构方法.拓展后的九点网格重构方法,保留了九点网格重构方法的基本特征(逼近椭圆型或抛物型方程,并具有一维球对称性),而且包含更多形式的九点网格重构方法,扩展了实际问题的使用需要.最后LARED-H程序采用ALE(ArbitraryLagrangian-Eulerian)方法,对空腔靶进行数值模拟,给出了合理的物理图像.     

神光Ⅲ原型黑腔物理实验研究

总结了在神光Ⅲ原型激光装置上开展的一系列黑腔物理实验研究,从多个方面研究了黑腔内部等离子体状态和辐射场特性。用真空黑腔能量学研究获得了散射光、辐射温度和不同能段辐射流份额的定标规律,从能量学角度梳理和分析了整个激光黑腔相互作用过程。通过对黑腔中充入低密度低Z气体抑制了腔壁等离子体运动,明显减少了可能造成靶丸预热的金M带辐射流(1.6~4.4keV)份额。针对黑腔内部不同区域等离子体,研究了光斑区等离子体的运动,分析了其与电子热传导限流因子的关系;研究了冕区等离子体的运动,分析了不同充气等离子体条件对其的影响;在同一发次实验中同时测量了光斑区与再发射区的辐射流比值。     

激光惯性约束聚变动理学效应研究进展

动理学效应的研究是近年来激光惯性约束聚变领域的研究热点,有助于理解实验结果和传统流体模拟之间的偏差。间接驱动黑腔中等离子体的温度、密度跨越多个量级且靶丸组分复杂,在局域的高温低密度区域,粒子的非平衡效应开始变得显著,可能会间接影响内爆性能。对ICF领域动理学效应的概念和部分进展做了简要综述。