用大阵列诊断燃料面密度的方法研究

【摘要】： ICF的最终目标是要实现高温高密度热核点火。根据Lawson判据,燃料面密度ρR必须大于0.4g/cm~2时才有可能达到这个目标。ρR直接关系到燃料的自持燃烧、燃烧分额和增益,是影响点火成功与否的关键物理量,所以ρR的实验诊断非常重要。诊断ρR的方法很多,由于中子可以从目前即使是最大、最密的靶芯中逃出,所以测量面密度主要是基于中子信息。在低密度情况下,次级中子与初级中子的产额比值法是可靠的燃料面密度诊断方法。 神光Ⅲ原型的建立为我们研究高ρR诊断技术提供了实验平台。本文参考国际上探测高ρR的经验,在神光Ⅲ原型上建立大面积中子闪烁探测器阵列(大阵列)。大阵列具有灵敏度高、能量分辨率好的特点,可以用来诊断次级中子能谱,通过次级中子能谱可以推导出高密度条件下燃料的面密度ρR。 本文从中子诊断的应用出发,围绕ICF高密度条件下燃料面密度的诊断问题,采用中心热斑点火模型,推导了燃料的面密度与次级中子能谱的定量关系。在推导过程中,对涉及的一些物理量如反应截面和燃料的阻止本领也进行了分析;紧接着介绍了国际上探测次级中子的大阵列装置,详细阐述了神光Ⅲ原型上的大阵列装置的结构、组成、实验过程以及影响因素。在实验分析阶段,作为过渡,首先给出了低密度条件下的实验结果,同时对实验结果进行了分析和不确定度的讨论,然后根据低密度条件下诊断的结果,分析了探测器实际探测到的飞行时间谱,以飞行时间谱为基础,根据飞行时间与中子能量的关系,把实验获得的飞行时间谱转换为次级中子能谱,然后依据DT反应动力学,由次级中子能谱导出了氚的慢化能谱,再根据氚的慢化能谱反映的信息推出了燃料的面密度。作为对理论公式的验证,论文又从数值计算中子能谱的思路出发,已知靶球燃料的某些物理量(电子温度、电子密度或燃料面密度),计算出了不同条件下次级中子的能谱形状、氚的慢化能谱和燃料面密度的变化曲线,最后的计算结果表明理论推出的公式具有一定的适用性,与实际的物理结果比较符合。