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《中国科学技术大学》 2011年
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大尺度激光等离子体相互作用的实验研究

李志超  
【摘要】:在间接驱动激光聚变实验中,由于腔内需要充一定压强的气体阻止高Z等离子体过早聚心,因此激光将与数毫米的大尺度等离子体发生相互作用(大尺度LPI),这一过程是激光聚变研究中的关键环节,其对激光腔靶耦合效率和靶丸内爆均存在重要影响。一方面,激光等离子体的非线性相互作用如受激拉曼(SRS)和受激布里渊(SBS)散射会散射入射激光,降低激光与腔靶的耦合效率;另一方面,SRS产生的超热电子具有很强的穿透能力,会预热靶丸燃料,降低聚变增益;此外,SRS和SBS的散射光将会改变预定的辐射场分布,影响内爆对称性。基于上述种种不利因素,如何抑制大尺度LPI中的参量不稳定性过程一直以来都是激光聚变研究的重点。然而,大尺度LPI的物理过程错综复杂且相互关联,对激光状态及各种等离子体参数都非常敏感,这使得大尺度LPI的研究具有很大难度,被列为激光聚变点火中最不确定的两个关键因素之一。 大尺度LPI的研究需要针对其特点,开展等离子体参数及相互作用物理过程两方面的精密诊断,为程序校核提供重要依据。实验研究上,需要利用特殊靶型产生接近点火条件的大尺度等离子体环境,并采用各种精密诊断技术表征其温度,密度等各种状态参数的时空信息,建立相互作用研究的平台;需要发展各种相互作用物理过程的精密诊断设备,给出各种实验条件下的参量不稳定性过程的高精度表征,如散射光份额,超热电子份额和穿透束份额等,从而进行其物理过程的细致分析。本论文中,作者在SG-Ⅱ激光装置上利用气袋靶成功建立并表征了激光大尺度等离子体LPI的研究平台,开展了大尺度LPI的相关物理研究,并为即将开展的充气腔靶实验综合效果的考核自行设计研发了一种新型平响应XRD。 本论文的主要工作有: 一自行研制了一套针对SG-Ⅱ装置第九路激光的全口径背反系统,为大尺度LPI实验提供诊断基础。该背反系统能够进行全口径散射光背反能量份额诊断,当前诊断精度为SRS 60%,SBS 70%;能够进行散射光时间波形的诊断,时间分辨约在100ps;能够进行散射光条纹谱测量,测谱宽度可达500nm,可将SRS和SBS在一幅条纹图样中表征出来,为SRS和SBS的关联比对提供直接证据。 二提出和发展了背反系统的精密化标定和诊断的技术路线。根据大尺度LPI高精度诊断的需求,提出了一种针对全口径背反系统和近背反系统的脉冲扫描标定方案,并在XG-Ⅲ装置上对技术路线进行了实验验证。同时,在SG-Ⅱ装置第九路背反系统上发展了背反能量份额的细致分辨测量技术。这两部分工作对提高背反系统诊断精度有重要指导意义。 三在SG-Ⅱ装置上利用气袋靶,成功建立并表征了激光大尺度等离子体LPI研究平台。利用X光针孔相机和分幅相机获得了Xe和CH两种大尺度等离子体的热化图样,由此推断产生的激光等离子体尺度约为1mm。利用热相干Thomson散射技术获得了时间分辨的等离子体电子温度,等离子体流速和离子温度的相关信息。利用SRS条纹谱获得了时间分辨的电子密度信息。通过上述具有时间分辨的诊断手段,推断大尺度等离子体存在的时间窗口约为600-1100ps。 四利用气袋靶大尺度平台,在SG-Ⅱ装置上开展了大尺度LPI的相关物理研究,获得了相互作用束背反SRS条纹谱及背反能量份额的相关信息。通过线性理论程序,较好的模拟再现了实验SRS条纹谱结果,证实了实验Thomson散射和SRS条纹谱诊断的等离子体状态参数的可靠性;同时通过实验和模拟分裂谱再现,对SRS发生区域的局域性有了进一步的认识。实验获得的时间积分背反份额整体较低;通过一维线性理论简化模型及已有的NIF装置实验结果,分析认为SG-Ⅱ装置上1mm等离子体尺度可能是份额偏低的主要原因。 五在SG-Ⅱ装置上开展了各种类型腔靶的LPI实验研究。通过SG-Ⅱ装置8套全孔径背反系统的大量发次统计,发现SG-Ⅱ装置的腔靶总体背反份额处在较低水平。通过比对,发现采用腔内衬CH的方式确实能够有效抑制Au等离子体的喷射,改善辐射场的干净性;但同时会对腔靶耦合效率产生严重影响,辐射温度降低幅度可达14%。 六为对即将开展的充气腔靶实验开展综合效果考核,自行设计研发了一种新型的平响应XRD,用于辐射流和辐射温度的精密诊断。这种新型平响应XRD结构简单,小巧,便于实验排布和诊断安装;同时,通过复合滤片的全新设计,克服了传统平响应XRD标定困难且难以应用的缺陷;此外,通过全Au结构设计,使得平响应区间从传统的100-1500eV扩展到100-4000eV,囊括了Au-M带辐射,有效提高了测量精度;最后,通过组合滤片一体化的新工艺,将厚薄Au滤片合二为一,大幅提高了组合滤片的支撑强度,和抗冲击能力。新型平响应XRD在北京同步辐射装置上标定的平响应度为12%(100-4000eV区间);其未回校的辐射流测量的普适不确定度为14%,辐射温度不确定度为3.5%。 七利用新型平响应XRD,在SG-Ⅱ装置上开展了多种黑腔的辐射流角分布细致测量研究。发现腔靶辐射流与cosθ并不呈线性关系,而是在θ=25°时极大;当角度增大或减小时辐射流单调减。实验还发现即使在同一θ角,辐射流也会因为ψ角不同而产生显著差异。通过分析,发现视场中激光第一打击点对辐射流角分布的峰值和时间行为都存在重大影响。
【学位授予单位】:中国科学技术大学
【学位级别】:博士
【学位授予年份】:2011
【分类号】:O53

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