（等离子体物理专业论文）间接驱动icf辐射驱动对称性研究.pdf

摘要 摘要 良好的辐射驱动对称性是实现间接驱动惯性约束聚变( i c f ) 实验室点火的一 个重要条件。它对于实现点火和高增益是至关重要的，为了精确调节实验对称性 环境，我们需要相应的手段对其进行分析和测量。本文的主要研究内容如下： 1 采用视角因子方法，对间接驱动i c f 过程中从腔内壁辐射到靶丸表面的辐 射进行了计算，并分析了神光i i i 原型系统上的一个实验的对称性环境。间接驱动 i c f 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， 我们可以计算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，采用这个方法的程序模拟能够评 估腔靶设计的主要参数，并对实验设计提供参考。 2 在“神光i i ”实验条件下，通过在半腔靶底部的漏口来测量内爆靶丸附近 的m 带x 光发射的角分布。介绍了试验中采用的诊断方法和试验方法，并给出了 典型的实验结果。此外，我们利用视角因子程序，对该实验的x 光角分布进行了 模拟。经过对比，发现实验结果与视角因子程序模拟结果相符，从半腔靶底部漏 口出射的m 带x 光不遵从c o s 椤分布。实验结果和模拟结果的比较有助于提高对 黑腔物理图像的理解，并为内爆实验设计提供实验依据。 3 为了满足惯性约束聚变( i c f ) 驱动对称性调节和测量的需要，采用勒让德多 项式拟合方法处理实验图像数据。该方法结合了辐射驱动对称性的相关理论，用 于分析内爆实验中获得的靶芯压缩图像。通过对一系列实验数据进行处理，详细 对比了新旧两种实验图像处理过程。结果表明，与目前使用的图像处理方法相比， 新的方法降低了误差，并获得了以往忽略的不对称性高阶部分信息。 关键词：间接驱动i c f ，驱动对称性，靶芯压缩图像，勒让德拟合，黑腔 a b s t r a c t a b s t r a c t ag o o dr a d i a t i o n d r i v e n s y m m e t r yi si m p o r t a n tf o ri n d i r e c t l yd r i v e ni n e r t i a l c o n f i n e m e n tf u s i o no c f ) l a b o r a t o r y i ta c h i e v e i g n i t i o na n dh i g hg a i nw h i c hi se s s e n t i a l f o rp r e c i s er e g u l a t i o no ft h es y m m e t r yo ft h ee x p e r i m e n t a le n v i r o n m e n t t h em a i n r e s e a r c hc o n t e n to ft h i sa r t i c l ea r ea sf o l l o w s 1 av i e w - f a c t o rm e t h o df o rc a l c u l a t i n gr a d i a t i o nd r i v ef r o mh o h l r a u mw a l l st ot h e c a p s u l ei ni n d i r e c ti c fi sp r e s e n t e d ，w i t hw h i c ha s y m m e t r yc o n d i t i o n sf o ri m p l o s i o n e x p e r i m e n t so ns g i i ip r o t o t y p ew e r ee v a l u a t e d w ec a l c u l a t e d x r a yi n t e n s i t v d i s t r i b u t i o no nt h eh o h l r a u mw a l l sa n dr a d i a t i o nd r i v eo nt h e c a p s u l el o c a t e di nt h e c e n t e ro fc y l i n d r i c a lg o l dt a r g e t t h ed r i v e nn o n t m i f o r m i t yv a r y i n gw i t ht h el a s e r s p o t l o c u sa n dt h eh o h l r a u mg e o m e t r yw e r ea l s og i v e n t h er e s u l t ss h o w e dt h a tt h i sm e t l l o d h e l p st oa s s e s st h em a i np a r a m e t e r so fi n d i r e c ti c ft a r g e t sa n dp r o v i d e su s e f u l i n f o r m a t i o nf o re x p e r i m e n td e s i g n 2 。m e a s u r e m e n to fr a d i a t i o nf i e l dn e a rai m p l o s i o np e l l e tm b a n dx - r a yi sa i m p o r t a n ta r e ai ni c fr e s e a r c h o nt h e s gi i ”l a s e rf a c i l i t y ，mb a n dx r a yf r o ma u p l a s m aw a sm e a s u r e di nh a l fh o h l r a u mr a d i a t i o nf r o mt h ee n d t h ee x p e r i m e n ts e t u p a n dt y p i c a lr e s u l tw e r eg i v e n a n dw e v ea l s ou s e dv i e w f a c t o rp r o g r a mt os i m u l a t e t h i se x p e r i m e n t t h er e s u l t si n d i c a t et h a ta n g u l a rd i s t r i b u t i o no fm b a n dx r a yf r o mt h e e n do fh a l fh o h l r a u md o e s n ta s s u m el i n e a rr e l a t i o n s h i pw i t ht h ec o s i n eo fe r a d i a t i n g a n g l e t h er e s u l t sa r eu s e f u lf o rt h er e s e a r c ho fi m p l o s i o ne x p e r i m e n ta n dt a r g e td e s i g n 3 i no r d e rt om e e tt h e r e q u i r e m e n to fs y m m e t r yt u n i n ga n dm e a s u r e m e n ti n i m p l o s i o ne x p e r i m e n t ，ai m a g ep r o c e s s i n gm e t h o dh a sb e e na d o p t e d t h i sm e t h o di s b a s e do nl e g e n d r ef i t ，w i t ht h et h e o r yo fr a d i a t i o n d r i v es y m m e t r y ，w h i c hh e l pt h e a n a l y s i so fc o m p r e s s e dc o r ei m a g e t h r o u g has e r i e so fd a t aa n a l y s i s ，ad e t a i l e d c o m p a r i s o no ft w om e t h o d sh a sb e e np r o c e s s e d t h er e s u l ts h o w e dt h ee n 0 ro fm en e w m e t h o di ss m a l l e rt h a nt h a to ft h ec u r r e n ta p p l i e di m a g ep r o c e s s i n gm e t h o d ，a n dt h e n e wm e t h o dg e t sm o r e h i g hm o d e sd e t a i l s ( n e g l e c t e di nt h ep a s t ) k e y w o r d s ：i n d i r e c t - d r i v e ，d r i v es y m m e t r y , c o m p r e s s e dc o r ei m a g e ，l e g e n d r ef i t t i n g ，h o h l r a u m i l 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。据我所知，除了文中特i t , 力i l 以标注和致谢的地 方外，论文中不包含其他人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含 为获得电子科技大学或其它教育机构的学位或证书而使用过的材料。 与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均已在论文中作了明 确的说明并表示谢意。 答名：玛牛uj 吼加7 年多月蜘 关于论文使用授权的说明 本学位论文作者完全了解电子科技大学有关保留、使用学位论文 的规定，有权保留并向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁 盘，允许论文被查阅和借阅。本人授权电子科技大学可以将学位论文 的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或 扫描等复制手段保存、汇编学位论文。 ( 保密的学位论文在解密后应遵守此规定) 签名：蜱靳签名：丝啦 日期：。中歹月西日 第一章绪论 第一章绪论帚一早 三百。下匕 长期以来，人类对依赖煤、石油和天然气等化石能源。它们是千百万年前古 生物由于地壳变化埋藏地下形成的，其贮量相当有限。据勘测研究表明，以人类 现在消耗能源的速度估算，煤在5 0 0 年内，石油、天然气在1 0 0 年内将被耗尽。 目前全世界7 0 的电力生产是依靠燃烧煤炭，仅3 0 左右的电力生产依靠水力、 风力和核裂变能源。虽然，水力、风力和太阳能等都属可再生能源，但可开发的 有限。由此看来，为保证持续高速发展，寻求廉价、丰富的能源迫在眉睫。 解决能源问题最理想的途径将是实现可控核聚变【l 捌。在聚变反应中，两个轻 核结合形成新核，并释放大量能量。典型的聚变燃料是氢( h 1 ) 的同位素氘( d ) 和氚( t ) 。下面列出几种常用的聚变反应方程式： d + t = h e 4 + n + 1 7 5 8 m e v d + d = h e 3 + n + 3 2 7 m e v d + d = t + p + 4 0 4 m e v d + h e 3 = h e 4 + p + 1 8 3 4 m e v 聚变产物中，由于中子1 1 的穿透本领强，它携带的能量不易被利用。而带电 粒子如质子p 和粒子h e 4 ，由于在物质中射程短，能量可以利用。可以看出，这 种方法基本不产生放射性核废料。天然的d 贮量极其富，1 公斤海水约含0 0 3 4 克 d ，通过热核反应产生的热量相当于3 0 0 升汽油的热当量。据科学家估计，全球海 洋中拥有2 3 4 万亿吨d ，只要实现可控聚变，人类将获得一种用之不竭的干净能 源。 原子核必须具备足够的动能克服核与核之间的库仑势垒，才能产生核聚变反 2 r r 应。实现热核聚变的条件可用l a w s o n 判据【3 1 表示：玎f 一二，其中n 为单 行 g 位体积燃料核子数，f 为燃料等离子体的约束时间，t 为燃料温度， 为热 核反应率，仃和q 为常数。热核反应率 与t 3 9 成正比。因此，除了提高燃 料温度外，有两种途径满足l a w s o n 判据实现热核聚变：一种是通过磁约束延长约 束时间【4 】，另一种是通过惯性约束提高核燃料的密度。由于核聚变要求的离子温度 一般在1 0 8 k 以上，任何容器都无法封装这种高温离子体。人们是先想到利用磁场 约束燃料等离子体，达到一定的维持时间并加热到极高温度。从5 0 年代就开始研 电子科技大学硕士学位论文 究，尽管已取得巨大进展，人们仍须克服一些关键性的技术障碍。因为与本文联 系较少，不再引述。6 0 年代初，科学家开始设想采用粒子柬或激光束辐照装有d t 燃料的微球，引发核聚变。当微球外层在极短的时间内沉积大量的能量时，一部 分物质受热迅速向外膨胀，根据动量守恒原理，产生巨大烧蚀压，在靶丸内形成 聚心冲击波，压缩d t 燃料，形成高温高密等离子体。由于惯性，该等离子体会维 持一定时间，从而满足劳森判据，发生聚变反应。这种方法就称为惯性约束聚变 ( i n e r t i a lc o n f i n e m e n tf u s i o n ，简称i c f ) ，并很快成为研究聚变的新热点。 1 1 惯性约束核聚变简介 1 9 6 0 年世界上第一台红宝石激光器问世。激光具有的极高能量密度立即给全 世界科学家留下了深刻印象。1 9 6 3 年，以b a s o v 为首的前苏联科学家首先提出【5 】 用高功率激光辐照聚变燃料产生高温高密度等离子体，达到核聚变点火条件。这 个想法立即引起全世界广泛关注。1 9 7 2 年，美国l l n l 实验室( l a w r e n c el i v e r m o r e n a t i o n a ll a b o r a t o r y ，简称l l n l ) 的n u c k o l l s 在n a t u r e 期刊上发表论文1 6 j ，揭示 了用多路激光均匀地直接辐照靶丸( 称为直接驱动) ，产生内爆压缩的一些研究结 果。当时的估算极为粗略，认为l k j 能量，l n s 脉宽的紫外激光即可使激光聚变达 到能量的“得失相当”。此后，激光惯性约束聚变的理论和实验物理研究得到迅速 发展。美、英、法、俄、日、中等国对此都极为重视，在驱动器、数值模拟、实 验诊断、诊断技术和制靶技术等几个方面投入巨资和人力，经过二十几年努力， 取得了长足进步 吲。 1 9 7 5 年美国l l n l 实验室提出了间接驱动概念1 9 ，即通过辐照高z 元素材料， 使激光能量转换为干净和均匀的高温x 光辐射场，再利用x 光辐射场与d t 靶丸 相互作用，对称压缩聚变材料，实现内爆。1 9 8 1 年，l l n l 实验室在s h i v a 激光器 ( 2 4 k j ，9 5 p s ) 上通过直接驱动产生了3 0 3 0 个中子发，并达到1 0 0 倍液d 密度。 随后又在n o v a 激光器上的间接驱动实验方面取得实质性进展，使d t 燃料的密度 达到6 0 0 倍液d 密度。1 9 8 8 年，l l n l 实验室结合地下核试验的结果，分析了高 增益内爆的物理问题和条件，估计能量( 5 1 0 ) m j ，脉宽1 0 n s ，波长0 3 5 1um 的激 光可使( 5 - 1 0 ) m g 的d t 燃料产生热核聚变，并实现1 0 0 倍的能量增益。而这正是 建立商用聚变反应堆的条件。此后，科学家们一方面利用现有激光器发展精密物 理实验，另一方面则致力于发展m j 级的激光装置。美国l l n l 实验室，正在建造 ( 1 - 2 ) m j 的n i f 激光装置，就是希望利用它研究聚变点火条件，加快研究进程。法 2 第一章绪论 国的里美尔实验室也有类似计划。 如上所述，实现激光聚变主要有两种途径：直接驱动和间接驱动( 又称辐射 驱动) 。两种途径各有优缺点，并且都在继续发展和竞争。一直以来，美国以l l n l 实验室牵头的i c f 计划把研究重心放在间接驱动方式上，其理由是：一方面，该 方法有些较为明显的优点，可利用黑腔约束x 光辐射场，易于实现对d t 燃料 靶丸的均匀辐照和对称压缩。另一方面，则是因为在这种聚变方式下的一些环节 与核武器物理的过程相似。在核禁试条件下，利用高功率激光进行实验室核聚变 研究，结合大型计算机( 最高己达每秒千万亿次浮点运算) 开展数值模拟计算， 对于发展核武器物理，校验核武器设计程序，是一个不可缺少的替代方法。基于 同样理由，我国也与其它国家一样，非常重视间接驱动研究在核爆模拟方面的应 用前景。 1 2 间接驱动与黑腔x 光辐射 间接驱动惯性约束聚变的基本思路是：首先通过激光与高z 材料相互作用， 把激光能量转化为x 光能量；然后在黑腔靶壁的约束下，形成高温、干净和均匀 的热辐射场；最后利用x 光辐射与装有燃料的球形靶丸相互作用，压缩聚变燃料 产生内爆，实现可控核聚变【1 0 1 1 】。由于x 光在黑腔内经过多次吸收和再辐射过程， 可以使腔内的辐射场渐近达到平衡能谱和空间均匀。在直接驱动方案中，多束激 光必须满足一定均匀性要求才能有效驱动靶丸实现内爆。而在间接驱动方案中， 由腔壁发射的x 光从根本上就能够比有限束激光更均匀地辐照燃料靶丸。而且， 间接驱动对激光束的光学质量、时间同步和空间排布的要求较低。因此，与激光 直接驱动内爆相比，间接驱动内爆相对较易实现对称内爆压缩。由于间接驱动相 对直接驱动的优点，以及其物理过程与核武器物理过程的相似性，间接驱动惯性 约束聚变的研究受到广泛的关注【1 2 。2 引。 间接驱动研究的首要任务是提高激光的吸收和x 光的转换效率【2 7 删j ，建立高 温辐射场。通过改变腔的结构和控制激光打击腔内壁的位置和采用较长的脉冲可 以建立较为均匀的辐射场【3 m 3 2 】，改善内爆压缩的对称性和均匀性。为避免燃料预 热，影响内爆压缩效率，要求进入内爆区的散射激光、快离子和超热电子份额尽 量少。采用短波长激光和其它一些措施可以有效的抑制超热电子和快离子的影响 3 3 - 3 4 1 建立较为干净的辐射场。 间接驱动黑腔靶用高z 元素的物质制作腔体，通常是金( a u ) 。黑腔靶内x 光 3 电子科技大学硕士学位论文 辐射场是这样形成的1 3 5 】：首先通过激光等离子体相互作用，大部分激光能量被转 换为x 光辐射成为初级光源；然后x 光辐射加热腔壁，被加热物质成为次级光源， 向腔内所有方向再发射x 光辐射。这样经过多次吸收和再发射后，x 光辐射不但 在空间扩散，渐趋各向同性，也使腔内辐射场得到热化，即逼近普朗克谱( p l a n c k i a n s p e c t r u m ) 。同时，腔壁面元( 简称壁元) 可以近似为朗伯发射体。因此，黑腔靶壁有 两种作用：一方面把激光转换为x 光；另一方面把x 光约束在腔内。黑腔约束还 有助于改善辐照均匀性和能量传输效率【3 6 。 显然间接驱动方案比直接驱动方案要求更多的能量。首先在激光转换为x 光 的过程中会损失一部分能量，由腔壁开口泄漏一部分，并以大部分能量维持腔壁 再发射，从而很少一部分能量能够用于直接驱动燃料靶丸内爆。而且，壁的再发 射率越高，就需要更多的能量来加热靶壁内部。为此，对腔靶的结构和激光打靶 条件需要专门设计和安排，才能在靶丸上实现具有足够强度的x 光均匀辐照。 对内部不存在吸收体的绝热黑腔靶进行持续加热，总会达到一个渐近的平衡 状态，使得腔内所有壁元的温度一样，即使初级源对腔内部的辐照并不均匀。但 人们感兴趣的是不同壁元具有不同温度时的过渡状态。尤其是在间接驱动方案中， 重要的是了解怎样或什么时候达到平衡，及其对黑腔几何结构、靶壁材料和激光 打靶条件的依赖关系【3 。7 。3 引。 在惯性约束聚变黑腔靶实验中，吸收体总是存在的，如壁上开口泄漏或腔内 靶丸吸收。壁上开口包括激光注入口( 1 a s e re n t r a n c eh o l e ，简称l e h ) 和内爆区诊 断口( d i a g n o s t i ch o l e ，简称d h ) 。当然，要建立均匀辐照环境，并不一定非要要 达到平衡状态。一般情况下，黑腔靶壁的不同位置具有不同温度。因而在进行i c f 腔靶实验设计时，需要仔细研究给定几何结构黑腔靶内的辐射场分布的变化行为。 前人做了大量工作，对黑腔x 光辐射定量计算。实验证明【3 0 1 ，当高z 物质 ( 如a u ) 被x 光加热时，辐射会向冷的致密区扩散并烧蚀物质，形成一个辐射热 波。这种的热波又被称为烧蚀热波【4 1 4 5 1 ( a b l a t i v eh e a tw a v e ，简称a h w ) 。1 9 8 8 年，s i g e l 等人利用烧蚀热波的自相似解与等离子体真空界面的功率平衡相结合， 对黑腔内x 光约束问题进行了讨论，并对黑腔辐射增强因子进行了定量计算。由 于被烧蚀物质的光性厚，被x 光加热区域会再发射x 光，又继续加热其它腔壁单 元。这个光子循环的过程将持续直到被约束光子消失：或从腔壁开口逃逸，或被 燃料靶丸吸收、或以烧蚀热波形式进入腔壁。 t s a k i r i s 和m u r a k a m i 等人取消了初级光源和吸收体均匀分布的假设，给出了 在任意几何结构下黑腔靶内温度分布的计算方法。假定激光辐照在等离子体上产 4 第一章绪论 生的初级x 光源已知，可以把计算分为两个部分进行：第一部分是处理腔壁不同 单元之间的辐射能交换。使用了比较成熟的视角因子的方法，分析和计算给定壁 元等离子体真空界面的辐射功率平衡。第二部分是壁元的x 光吸收和再发射问题， 他们直接使用自相似解给出定标律，来近似计算黑腔壁的x 光再发射能流。印度 s c r i v a s t a v a ( 2 0 0 0 ) 等人沿用了t s a k i r i s 的方法，给出单端加热管靶的视角因子函 数的解析式。另外，c a r u s o 等人估算了含有d t 燃料靶丸腔靶的能量耦合效率及靶 丸辐照均匀性。n a k a m u r a 等人在计算辐照对成性问题时也采用了与t s a k i r i s 类似 的方法。 通过实验，我们可以测量x 光辐射在腔内壁上的空间分布，进而检验上述计 算模型的有效性。前人曾经利用柱管靶和腔靶实验研究x 光沿轴向的分布情况， 其测量结果与计算结果基本一致。 为了推导x 光辐射总能量，需要对整个空间的x 光能量角分布进行积分，而 角分布与激光焦斑和等离子体的大小有关。当等离子体膨胀小于激光辐照焦斑时， 可以近似的视为朗伯体( l a m b e r t i a ne m i t t e r ) ，x 光角分布c o s 0 ，其中，0 为发射 方向与靶壁元法线方向的夹角。另一个极限是，等离子体膨胀远大于激光辐照焦 斑时，等离子体形状接近于球体，角分布近似为各向同性。利用二维等离子体模 型可以很好地解释等离子体膨胀与x 光角分布，并对其进行计算。x 光能谱也与 角度有关，大0 角的谱发射会穿越横向热输运产生的较冷等离子体。特别是低能x 光会被较冷的等离子体吸收，偏离热等离子体发射谱。 事实上，在现有打靶条件下，特别是对于柱腔靶结构，黑腔内部x 光辐射场 不可能也没有必要达到最终平衡状态。因此，在黑腔靶壁不同位置具有不同温度。 尽管如此，我们通过优化靶型结构和靶丸放置，可以在靶丸上获得具有足够强度 的辐照均匀条件。为此必须对给定几何结构下黑腔辐射场的时间行为和空间分布 进行定量计算。 为了对黑腔x 光辐射进行模型分析，还需要对黑腔作进一步简化。激光等离 子体和辐射烧蚀产生的等离子体会向真空膨胀，导致等离子体堵口和填腔现象。 假定黑腔体和开口尺寸足够大，在我们关注的x 光脉冲上升期间内，与之相比的 等离子体运动距离可以忽略。这样，初次级光源的发光区就可以认为固定在了靶 壁上，x 光在腔内的传输也可以认为是在真空里进行的瞬时行为，无须考虑几何 自由程的问题。 利用上述研究结果，作者计算了导热管x 光能量传输效率和黑腔辐射增强因 子对物理和几何相似变量的依赖关系，进而分析了影响传输效率和辐射增强的主 电子科技大学硕士学位论文 要因素。另外，作者还对黑腔靶内x 光能量辐射再分配进行了计算，给出了x 光 辐射的时间行为和空间分布的图象，分析了影响辐射场均匀性的主要因素。 1 3 驱动对称性与内爆成像 良好的辐射驱动对称性是实现i c f 实验室点火的一个重要条件。为了满足这 个条件，要求根据实验精确调节对称性环境。在相关的实验中，我们利用x 光照 相技术对图像的对称性进行测量。分析这些图像数据可以为实验对称性调节提供 大量的信息，并为建立辐射驱动相关的理论模型提供依据。已经发展出的测量对 称性时间函数的以下方法： 将个靶球置于腔内使其发生内爆，然后用x 光成像技术观察被压缩靶芯的 自发光情况。 在靶球位置放一个替代靶，当它被黑腔辐射场加热时观察其表面的再辐射。 在靶球位置放一个低密( 通常是发泡) 替代靶，( 用x 光背光照相) 观察软x 光驱 动的冲击。 通过成像在腔靶诊断孔直接观察腔内“源”一软x 光亮斑运动研究；硬x 光 发射一薄壁黑腔。 现有的工作做的撮多的是内爆方法，其基本概念是：被压缩靶芯的变形特征 将反映球表面通量分布的扰动。靶丸通常充高压气体，压缩气体的靶壳停滞时产 生鲇r i k e v 的温度。靶芯内的等离子体强烈发出2 - 4 k e v 的辐射，这可用于成像诊 断。 厂 ，一， f ：苒、 l_ j 图l - l 诊断对称性的内爆方法典型图( 黑体箭头代表内爆靶丸沿着所指直线被观察) 图l 1 给出了典型的诊断对称性的内爆方法图：利用小孔成像将内爆图像投影 6 第章绪论 到x 光分幅相机o c r c ) 上。 1 4 本文研究的内容和方法 间接驱动i c f 对聚变靶丸表面的驱动能量对称性要求极高，因此研究辐射驱 动对称性是一个重要课题。由于实际的间接驱动实验涉及到非常复杂的物理过程， 因此我们需从计算机模拟和实验诊断两方面入手，对其进行研究。本文的工作主 要是建立一套基于视角因子方法的数值模拟系统，并通过数值模拟得到腔靶的主 要性能参数，提出腔靶优化的丁玲化设计依据。然后，利用腔靶实验中的一些诊 断技术，验证该数值模拟系统的可靠性。最后，研究图像处理方法，对内爆实验 的图像数据进行处理，并通过分析内爆压缩靶芯的不对称性，对驱动不对称性进 行评估。论文的主要内容如下： 第一章：引言。简单介绍了惯性约束聚变点火的目标和原理，并讨论了其中 的驱动对称性问题。然后，介绍了现有驱动对称性研究的现状，给出了数值模拟 和实验诊断方法。最后介绍本文结构。 第二章：黑腔x 光辐射加热与x 光约束。介绍了间接驱动中黑腔x 光辐射加 热的物理过程和一个平均相似模型。 第三章：黑腔x 光能量的再分配研究。介绍了国内外对黑腔内辐射场研究的 现状。利用视角因子方法建立了一个对黑腔内能量再分配进行计算的模型，验证 了该模型的自洽性。通过分析腔靶的主要性能参数，对腔靶优化提出了定量的设 计依据。 第四章：黑腔靶x 光角分布研究。介绍了一个用于诊断x 光黑腔内分布的实 验。通过对比实验和模拟结果，验证了数值模拟的正确性，为建立黑枪内辐射场 图像提供了依据。 第五章：驱动对称性与内爆成像。介绍了国内外通过内爆实验研究驱动对称 性的现状。研究了实验，处理了实验数据，并提出了一个图像处理的新方法，对 新旧两种方法进行了对比。 第六章：总结。对全文工作进行中介，归纳主要结论。对本想研究的未尽事 宜，作以补充说明。 7 电子科技大学硕士学位论文 2 1 引言 第二章黑腔x 光辐射加热与x 光约束 辐射驱动对称性是惯性约束聚变最重要的课题之一【4 6 - 4 9 ，在直接驱动方案中， 多束激光必须满足很高的均匀性要求才能使含燃料的靶丸实现内爆。而在间接驱 动方案中，激光能量首先转换为x 光，后者在黑腔靶约束下，被用来驱动靶丸内 爆。间接方案的主要优点是，由腔壁发射的x 光从根本上比有限束激光更加均匀。 并且，间接驱动对激光束的光学质量、空间排布和时间同步的要求相对低得多。 间接驱动黑腔靶采用高z 元素的物质制作腔体，一般是金( a u ) 。x 光辐射场 在黑腔靶内是这样形成的【5 0 。5 1 】：首先，通过激光等离子体相互作用，大部分激光 能量被转换为x 光能量形成初级光源；然后x 光辐射又加热腔内壁的其他部分， 被加热腔壁成为次级光源，向腔内再发射x 光辐射。这样，经过多次吸收和再发 射后，x 光辐射充满腔内空间，逐渐趋于各向同性，并使腔内辐射场加热，趋近 于普朗克( p l a n c l d a n ) 谱分布。这时，腔壁面元( 简称壁元) 可以近似为朗 f l ( l a m b e r t i a n ) 发射体。无论是初级光源还是次级光源，x 光的空间角分布函数都可以表示为， 如) = 巡，角分布函数厂如) 满足归一化条件2 万 s o c ) s i n z d z ：l 。这里z 为 刀 “ x 光发射方向与壁元法线方向夹角。 容易看出间接驱动比直接驱动方案要求多得多的能量。首先，在激光能量转 换为x 光能量的过程中会损失一部分，再由腔壁的开口漏失一部分，并且还要以 大量能量用于维持腔壁再发射，因此很少一部分能量能够用真正于驱动d t 燃料靶 丸内爆。并且，随着壁的再发射率越高，就需要越多的能量来加热腔靶壁内部。 必须对激光打靶条件和腔靶的结构进行专门设计，靶丸上才能获得有足够强度的x 光均匀辐照。 对内部不存在吸收体的绝热黑腔靶进行持续加热，总会达到一个渐近的平衡 状态，使得腔内所有壁元的温度一样，即使初级源对腔内部的辐照并不均匀。但 人们感兴趣的是不同壁元具有不同温度时的过渡状态。尤其是在间接驱动方案中， 重要的是了解怎样或什么时候达到平衡，及其对黑腔几何结构、靶壁材料和激光 打靶条件的依赖关系。 第二章黑腔x 光辐射加热与x 光约束 在实际情形中，吸收体总是存在的，如壁上开口泄漏或腔内靶丸吸收。壁上 开口包括激光注入口( 1 a s e re n t r a n c eh o l e ，简称l e h ) 和内爆区诊断口( d i a g n o s t i c h o l e ，简称d h ) 。当然，要建立均匀的辐照条件，达到平衡状态并非必要。一般地， 黑腔壁不同位置具有不同温度。因而在设计i c f 用腔靶时，必须仔细计算给定几 何结构的黑腔靶内辐射温度分布的过渡行为。 在惯性约束聚变黑腔靶实验中，吸收体总是存在的，如壁上开口泄漏或腔内 靶丸吸收。壁上开口包括激光注入口( 1 a s e re n t r a n c eh o l e ，简称l e h ) 和内爆区诊 断口( d i a g n o s t i ch o l e ，简称d h ) 。当然，要建立均匀辐照环境，并不一定非要要 达到平衡状态。一般情况下，黑腔靶壁的不同位置具有不同温度。因而在进行i c f 腔靶实验设计时，需要仔细研究给定几何结构黑腔靶内的辐射场分布的变化行为。 前人做了大量工作，对黑腔x 光辐射定量计算。实验证明【3 9 瑚】，当高z 物质 ( 如a u ) 被x 光加热时，辐射会向冷的致密区扩散并烧蚀物质，形成一个辐射热 波。这种的热波又被称为烧蚀热波【4 1 4 5 1 ( a b l a t i v eh e a tw a v e ，简称a h w ) 。1 9 8 8 年，s i g e l 等人利用烧蚀热波的自相似解与等离子体真空界面的功率平衡相结合， 对黑腔内x 光约束问题进行了讨论，并对黑腔辐射增强因子进行了定量计算。由 于被烧蚀物质的光性厚，被x 光加热区域会再发射x 光，又继续加热其它腔壁单 元。这个光子循环的过程将持续直到被约束光子消失：或从腔壁开口逃逸，或被 燃料靶丸吸收、或以烧蚀热波形式进入腔壁。 t s a k i r i s 和m u r a k a m i 等人取消了初级光源和吸收体均匀分布的假设，给出了 在任意几何结构下黑腔靶内温度分布的计算方法。假定激光辐照在等离子体上产 生的初级x 光源已知，可以把计算分为两个部分进行：第一部分是处理腔壁不同 单元之间的辐射能交换。使用了比较成熟的视角因子的方法，分析和计算给定壁 元等离子体真空界面的辐射功率平衡。第二部分是壁元的x 光吸收和再发射问题， 他们直接使用自相似解给出定标律，来近似计算黑腔壁的x 光再发射能流。印度 s c r i v a s t a v a ( 2 0 0 0 ) 等人沿用了t s a k i r i s 的方法，给出单端加热管靶的视角因子函 数的解析式。另外，c a r u s o 等人估算了含有d t 燃料靶丸腔靶的能量耦合效率及靶 丸辐照均匀性。n a k a m u r a 等人在计算辐照对成性问题时也采用了与t s a k i r i s 类似 的方法。 通过实验，我们可以测量x 光辐射在腔内壁上的空间分布，、进而检验上述计 算模型的有效性。前人曾经利用柱管靶和腔靶实验研究x 光沿轴向的分布情况， 其测量结果与计算结果基本一致。 为了推导x 光辐射总能量，需要对整个空间的x 光能量角分布进行积分，而 9 电子科技大学硕士学位论文 角分布与激光焦斑和等离子体的大小有关。当等离子体膨胀小于激光辐照焦斑时， 可以近似的视为朗伯体( l a m b e r t i a ne m i t t e r ) ，x 光角分布c o s 0 ，其中，0 为发射 方向与靶壁元法线方向的夹角。另一个极限是，等离子体膨胀远大于激光辐照焦 斑时，等离子体形状接近于球体，角分布近似为各向同性。利用二维等离子体模 型可以很好地解释等离子体膨胀与x 光角分布，并对其进行计算。x 光能谱也与 角度有关，大0 角的谱发射会穿越横向热输运产生的较冷等离子体。特别是低能x 光会被较冷的等离子体吸收，偏离热等离子体发射谱。 事实上，在现有打靶条件下，特别是对于柱腔靶结构，黑腔内部x 光辐射场 不可能也没有必要达到最终平衡状态。因此，在黑腔靶壁不同位置具有不同温度。 尽管如此，我们通过优化靶型结构和靶丸放置，可以在靶丸上获得具有足够强度 的辐照均匀条件。为此必须对给定几何结构下黑腔辐射场的时间行为和空间分布 进行定量计算。 为了对黑腔x 光辐射进行模型分析，还需要对黑腔作进一步简化。激光等离 子体和辐射烧蚀产生的等离子体会向真空膨胀，导致等离子体堵口和填腔现象。 假定黑腔体和开口尺寸足够大，在我们关注的x 光脉冲上升期间内，与之相比的 等离子体运动距离可以忽略。这样，初次级光源的发光区就可以认为固定在了靶 壁上，x 光在腔内的传输也可以认为是在真空里进行的瞬时行为，无须考虑几何 自由程的问题。 利用上述研究结果，作者计算了导热管x 光能量传输效率和黑腔辐射增强因 子对物理和几何相似变量的依赖关系，进而分析了影响传输效率和辐射增强的主 要因素。另外，作者还对黑腔靶内x 光能量辐射再分配进行了计算，给出了x 光 辐射的时间行为和空间分布的图象，分析了影响辐射场均匀性的主要因素。 2 2x 光辐射加热黑腔的能量平衡 在高功率激光注入的i c f 黑腔靶内，在- - d , 部分腔壁内表面上被激光能量被 转换为x 光辐射，成为黑腔内的初级光源。假设初级光源给定，关于激光与x 光 之间转换的物理过程，本文不进行讨论。 为了进一步简化x 光加热黑腔并再发射的计算过程，本模型将用到以下基本 假设： 1 ，x 光加热腔壁的物理过程可用辐射烧蚀热波描述。 2 在每个壁元上，物质和黑腔辐射达到平衡，因此可用s t e f a n b o l t z m a n n 关系对x 1 0 第二章黑腔x 光辐射加热与x 光约束 光再发射与壁元温度进行关联。 3 初级源和次级源都可以视为l a m b e r t i a n 发射体。 4 等离子体膨胀和它引起的腔填充的干扰被忽略。假设等离子体膨胀只占腔特征尺 度的很小一部分。 5 此外，当需要时，可以把激光直接辐照产生的等离子体的光源分离为紧邻的转换 层和再发射层，视转换层作为初级源，向内外两个方向发射等量的x 光。而把再 发射层作为次级源处理。 现考虑一个带有开口的腔靶，其中包括激光注入i s i ( l e h ) 和诊断i s i ( d h ) 。黑腔 内表面总面积a c 为腔壁内表面积a w 与开口面积a h 之和，即a 。= 4 + 以。初级 源占据黑腔部分的面积为a s ，其辐射强度为氐扩，f ) 。开口因子定义为： 厂= 妻 ( 2 - 1 ) 由于腔内空间中充填的辐射能量所占的分额很小，并且光子在腔内渡越时间 也非常的短，因此这些因素都忽略掉。最后，点尸扩) 处壁元的等离子体与真空界 面处建立了瞬时功率平衡： s ，f ) + s ，g ，f ) = s ，c ，f ) + 咒，f )( 2 2 ) 其中s ，9 ，f ) 是从所有初级源& p ，f ) 入射到点尸扩) 处壁元的贡献总和： s ，f ) = 点氐p ，f 少g ，芦脚 ( 2 3 ) s ，扩，f ) 代表所有腔壁上再发射x 光能流s ，f ) 对该处入射x 光能流贡献的总 和： s ，f ) = s ，g ，f 沙g ，尹协 ( 2 - 4 ) s 。扩，f ) 是进入该壁元的净能流，等于物质边界拉格朗日第一格点的热流。公 式中的权重函数矿妒，尹) 就是所谓的为视角因子。 视角因子的值取决于黑腔的几何条件，定义如下【5 1 】 吩，) _ 筹并 ( 2 - 5 ) 其中，z 和z 分别对应照射方向万与对应点尸p ) 和尸g ) 处壁元的法线方向 夹角。这里用到了壁元是l a m b e r t i a n 发射体的假设，即所有壁元发射出的x 光角 分布都满足厂) = 业。 当对整个腔内表面积进行分时，正好是对2 丌的立体角积分，因而视角因子总 是满足归一化关系： 电子科技大学硕士学位论文 e 矿p ，尹妞，_ 1 ( 2 6 ) 注意到这套方程组并不是封闭的，还需要考虑黑腔内壁的加热和再发射过程。 只有建立起再发射x 光能流s ，伊，f ) 与腔壁的净入射x 能流s 。胪，f ) 之间的关系后， 黑腔加热问题才可解的。为此t s a k i r i s 和s i g e l 等人使用了以下形式的烧蚀热波自 相似解： s ，= c t 口s o ( 2 - 7 ) 将公式代入，可以得到a = 面瓦再硼8、口= 万鲁和c ：c r k 8 a - a 瓦一声。 的数值结果可在表2 5 中查到。 式( 2 4 ) 和式( 2 7 ) 决定了腔内x 光辐射场的时间行为。当腔靶几何结构和 初级光源氐g ，) 都给定后，通过迭代法求解这套方程组，四个物理量s ，g ，) ， s s g ，f ) ，s r e ，) 和s o g ，f ) 都可以获得。 由于该方法直接引用了自相似解的解析定标律，我们称其为直接法。在本文 中，我们将利用第二章得到的守恒形式的自相似解代替式( 2 7 ) ，建立封闭的加热 方程组： 占f a + 竺兰1 m ：cs 一m i 1 衍( 2 - 8 ) h e s ? m = s o d t ( 2 - 9 ) 在这里，由于s 与& 的关系是间接通过质能守恒方程决定，我们称之为间接 法。由间接法获得的加热方程式( 2 4 ) 和式( 2 9 ) 可以通过递推方法求解。 经过分析，直接法对于时刻t 之前辐射场的行为没有“记忆”，参与计算的只 有时间t 和瞬时初级源强s o 。而在间接法中，方程式( 2 - 9 ) 分别代表了壁元被烧 蚀物质的能量和质量守恒关系。实际上，间接法比较恰当地描述了辐射能储存于 物质中这一事实，又兼顾了辐射与物质两方面的能量平衡，因此在物理上更为自 恰。 2 3 黑腔x 光约束的平均相似模型 为重点讨论黑腔x 光的辐射约束作用，在本节中使用简化的球形黑腔模型。 从平均意义上，假定初级x 光源均匀的辐照在腔壁内表面上( 包括开口) ，开i = 1 也人 为的均匀细分到腔壁上。因此，腔内辐射场始终保持着各向同性。该模型由s i g e l 1 2 第二章黑腔x 光辐射加热与x 光约束 ( 1 9 8 8 ) 最早使用。 黑腔开口面积4 占总面积彳。( 包括开口) 的比例为厂= a 。a 。对腔壁物质部分 和开口部分取平均，能量守恒关系式( 2 2 ) 可以表示成 鼠+ s 。= ，+ s vx 1 一厂) + 。+ s i ) 旷( 2 1 0 ) 其物理意义是，在平均入射能流墨+ 墨总量中，占( 1 一厂) 的部分被腔壁接收， 或者再发射，或者损失在腔壁物质中。余下占厂的部分则穿过开口离开黑腔，且 不再返回。由于我们在前面假设过，腔内空间中不考虑能量输运问题，所以有 s = ( 1 一f 坶，代入方程( 2 1 0 ) 得 s s = s 。+ 砖( 2 1 1 ) 这个关系式所表达的意义更明确：平均来自初级源的能流墨分为两部分，一 部分由开口泄漏，另一部分被腔壁吸收。需要注意的是，当黑腔完全封闭时，有 f = 0 ，s v = 墨。当f = 1 时，等价于平面辐射加热情况，不存在再发射流对加热 的贡献。 本文中，定义腔壁再发射因子，基i 季i ，和黑腔辐射增强因子吩三酉s t , 。两 o ；十6 6 者间满足以下关系式： 吩2 f 同7 ( 2 1 2 ) 1 一l l 一厂矿 、7 当腔壁物质与辐射场达到平衡时，专1 时，有口，一。这说明开口比例决 定了黑腔辐射增强的极限值。黑腔约束对腔壁再发射x 光能流的增强因子影响相 当明显，对于完全封闭的黑腔，当，哼1 时，有口r 卸= 一哼0 0 。显而易见，对于 完全开放情形，有a f ：。= ，。 当口= 1 时，得