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《中国科学技术大学》 2019年
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黑腔等离子体填充对辐射场性质影响的实验研究

黎航  
【摘要】:在激光间接驱动惯性约束聚变研究中,激光注入一个高Z材料黑腔转换成X光辐射,然后X光辐射烧蚀黑腔中心的靶丸使之内爆。腔壁烧蚀出的高Z等离子体运动聚心会填充黑腔内部,该过程将强烈影响激光注入效率、辐射场均匀性和辐射场诊断等,是间接驱动惯性约束聚变的重要物理过程之一。而这些复杂的流体力学运动过程单纯依靠目前的模拟程序难以精确计算,因而开展黑腔等离子体填充对辐射场性质影响的实验研究具有重要意义。本论文通过注入孔、诊断孔等观测了多种等离子体的流体力学运动过程,研究了衬CH、充气、泡沫金、强磁场等多种抑制腔壁等离子体填充的方法,研究了等离子体填充及多种抑制方法对辐射场均匀性和辐射能流等辐射场性质的影响。开展内爆实验,利用X光分幅相机观测了靶丸燃料区自发光,获得了压缩变形过程和椭圆度变化规律,确定了接近内爆对称性要求的最佳黑腔尺寸:无束匀滑条件下为Φ1.0 mm × 1.7 mm,有束匀滑条件下为Φ1.1 mm ×(1.8~1.9)mm。作者提出一个简化的解析模型,利用该模型,结合视角因子程序计算得到的时变辐射场不均匀性,可预测内爆不对称性随时间的变化过程,且预测结果与实验结果基本符合。在黑腔尺寸、腔球比例、腔壁开孔、激光光斑排布和功率分配、腔壁反照率、激光等离子体相互作用和腔壁等离子体填充等多种因素作用下,黑腔辐射场不均匀性的复杂演化导致时变的内爆不对称性,分析了这些物理机制及其时变影响。其中,等离子体填充在中后期对内爆不对称性起主导作用,因而开展抑制等离子体填充的研究具有重要意义。开展从注入孔观测黑腔等离子体填充的实验,主要利用时空分辨X光成像观测和时间分辨X光辐射能流测量等方法从注入孔诊断,观测激光烧蚀的光斑、激光烧蚀冕区、纯辐射烧蚀区、射流等多种等离子体的不同运动规律,研究多种抑制等离子体填充的方法:1.腔内壁衬CH等低Z物质制作简易,能消除高Z等离子体射流,有效抑制高Z等离子体填充,但这些低Z物质被烧蚀离化后仍有一些处于较高的密度,低Z物质自身仍有可能形成X光相机难以观测到的射流,仍然会聚心运动甚至撞击靶丸,还可能在物质界面出现流体力学不稳定性,因而不推荐采用。2.腔内填充低Z气体是目前的主流方法,能消除高Z等离子体射流,有效抑制高Z等离子体填充,且密度分布较均匀,不会以高密度高速撞击靶丸,但也被观测到可能出现了界面不稳定性,更为重要的是较高密度的气体会激发激光等离子体不稳定性,引起较强的激光散射,降低能量耦合效率。3.腔内壁高Z辐射物质泡沫化是近年来国内外主推的一种新方法,可降低等离子体运动速度,提升X光转换效率和黑腔辐射温度。利用约0.4 g/cc泡沫金平面样品,在神光Ⅲ原型上开展实验验证了泡沫金减缓黑腔发光区运动和提升腔壁再发射率的良好特性:发光区运动实验结果表明泡沫金具有较低的冕区等离子体填充密度,其高能、低能发光区运动速度均低于固体金,与模拟结果定性符合;泡沫金提高再发射率实验中,透射光栅和分幅相机的实验结果表明泡沫金可提高再发射率约10-20%。下一步拟利用泡沫金制备完整柱腔,并进一步降低泡沫金密度,开展更加全面和精确的实验,确认泡沫金应用于黑腔的价值。4.强磁场抑制等离子体填充是本团队最近提出的一种原创性方法,优点较多但也存在一些潜在风险。为开展实验,进行了高功率激光实验室中产生兆高斯量级强磁场的方法研究,主要研究了高功率激光与电容-线圈靶相互作用产生强磁场和脉冲放电装置产生强磁场两种方法。开展利用小孔等离子体填充研究诊断孔缩孔的实验,用X光辐射烧蚀腔壁上的一个小孔,得到小孔中等离子体的流体力学演化过程,给出了碰撞反弹等物理现象的解释,并计算得小孔等离子体面密度的空间分布和增长过程,用其评估诊断孔缩孔过程对黑腔辐射场诊断的影响,指导诊断孔的设计,结果表明直径300 μm孔深25 μm的诊断孔适用于神光Ⅱ通常的1 ns以内的黑腔辐射场诊断。
【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】:2019
【分类号】:O536

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