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.     

聚合物泡沫结构及密度分布的相衬CT表征技术

阐述了利用X射线相衬成像技术研究高分子有机泡沫材料微观结构的原理及方法,理论分析及实验结果表明,X射线相衬成像方法可以在相当大的程度上提高低Z聚合物泡沫材料的成像衬度。将相衬成像技术与计算机层析成像技术相结合,获得了泡沫样品的3维骨架结构分布,同时,提出利用统计切片骨架“粒子”质心分布的方法来表征其密度分布均匀性。结果说明,该方法能够在微观层次上实现对泡沫样品3维密度分布的完备表征。     

ICF内爆靶丸能流分布三维数值仿真

针对惯性约束聚变(ICF)两区均匀模型中靶丸表面能流分布问题,采用三维离散视角因子方法进行模拟仿真。对辐照过程中出现腔壁自身遮挡的面元,利用四叉树结构进行快速剔除;实现了GPU上的靶丸能流分布的并行计算。基于该方法开发的三维仿真软件IRAD3D 1.0,其有效性通过与解析解的对比得到了验证。不同算例模型的仿真结果表明了软件具有通用性、高效性,给出了靶丸均匀性分析的应用实例。     

一维磁化套筒惯性聚变模拟程序的设计与校验

在调研跟踪国外磁化套筒惯性聚变(MagLIF)研究领域最新进展的基础上,以一维磁流体力学方程为基础,结合氘氚燃料能量交换方程,建立一维磁化套筒惯性聚变物理模型,并使用Fortran语言编写完成一维数值模拟程序MagLIF-1D;通过与圣地亚实验室LASNEX,HYDRA等程序计算结果对比展示,完成程序校验工作,讨论后认为程序计算结果存在差异的主要原因可能来自不同程序对于材料状态方程库的选择;通过计算,MagLIF-1D程序可以直接获得内爆速度、燃料压力、燃料密度、聚变产额等关键物理量,这为后续更好地开展磁化套筒惯性聚变实验设计提供了有力工具。     

基于14 MeV中子的烧氚历史诊断模拟研究

针对直接测量16.7 MeV进行烧氚历史诊断所需聚变产额高的情况,模拟研究了利用14 MeV中子与副靶作用产生的非弹伽马进行烧氚历史诊断的情况,计算了几种材料14 MeV中子作用产生的次级伽马能谱以及切伦科夫辐射阈能之上的非弹伽马数目,对副靶材料和厚度进行了选择。计算了14 MeV中子产生的切伦科夫光子时间谱,分析了光电转换器件处伽马、电子以及正电子等噪声信号,分析了气体切伦科夫系统测量统计涨落与聚变中子产额之间的关系,确定了气体切伦科夫系统所适用的最低聚变中子产额,通过测量14 MeV中子与副靶产生的非弹伽马进行烧氚历史诊断较直接测量16.7 MeV伽马可将测量所需聚变中子产额降低2个量级。     

掺钛空心玻璃微球制备技术

为实现惯性约束聚变靶用空心玻璃微球的均匀掺杂,采用溶胶-凝胶技术结合炉内成球法,以钛酸四丁酯为掺杂剂,对钛掺杂玻璃溶胶-钛掺杂玻璃凝胶-钛掺杂干凝胶粒子-钛掺杂空心玻璃微球（Ti-HGM）这一掺钛空心玻璃微球的制备方法进行了探索。实验结果表明：掺钛效应使空心玻璃微球壁厚均匀性、同心度有所降低,但对壁厚、直径控制基本无影响;Ti与Si原子分数比为2.23%的Ti-HGM掺杂基本均匀,近70%微球的保气半寿命在一个月以上。     

大口径KDP晶体角度相位匹配离线测量精度研究

为满足惯性约束聚变(ICF)实验对激光驱动器高效三倍频能力的要求, 对离线测量晶体角度相位匹配方案进行了优化。采取的主要优化措施是：提高晶体准直技术能力;降低模拟小口径激光输出变化对测量不稳定性的影响。通过理论分析和对实际测量结果的系统分析,得到了晶体离线测量的不确定度：其中二倍频相位匹配角测量扩展不确定度为15.94 rad,三倍频相位匹配角测量扩展不确定度为27.8 rad,达到了较高的晶体离线测量精度要求。     

实验靶对半黑腔辐射源辐射温度的影响

间接驱动惯性约束聚变和高能量密度物理实验中使用黑腔作为强X射线辐射源,黑腔源靶的等效辐射温度受安装在辐射出口的实验用靶的影响而与单独进行辐射源特性研究时有所不同。通过对几种不同辐射输运靶对半黑腔辐射源的影响进行的实验研究发现,添加不同填充材料的输运管能够使测量到的黑腔辐射源的辐射温度升高3~8 eV。实验结果的统计显示,输运管越长,填充材料密度越大,辐射温度越高。     

4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez显微镜

基于CH柱形靶压缩实验的时间分幅诊断需求,研制了4.75 keV能点四通道Kirkpatrick-Baez(KB)显微镜。进行了四通道KB系统的光学设计、像质模拟和分析。采用支撑锥芯的方式解决了四通道KB物镜的集成装配问题,并通过4.75 keV+8 keV双能点多层膜完成了实验室内的KB系统装调。该套系统在神光Ⅱ装置成功进行了像质考核实验,获得了高分辨的四象限网格图像,成像间距符合设计要求,具备了开展时间分幅惯性约束聚变物理实验的条件。     

激光惯性约束聚变靶制备技术研究进展

在实验室实现聚变反应释放的能量大于点燃聚变反应所需能量的阈值是当今世界ICF研究的主要目标,实现这一目标仍需要深入研究一系列的关键物理问题。在ICF研究中,制靶能力的发展与提升至关重要,靶的质量是实验成功的核心要素之一。本文介绍了国际ICF靶制备工作近年来在新型烧蚀层材料靶丸、新型靶丸支撑技术、优化黑腔材料与构型以及减小燃料填充管直径等方面取得的一系列进展,并结合ICF物理需求,简要阐述了ICF靶的发展趋势。