（机械电子工程专业论文）高功率激光驱动器的仿真模拟研究.pdf

武汉理工大学硕士学位论文 摘要 ? 【激光聚变研究是国际性的大科学项目之一，关系到一个国家的国防和能源战 略。、世界各主要国家都在这一项目上投入了大量的资金和人力。以美国为例， 在进行这一课题研究的三十多年的时间里，已投入几百亿美元的资金，人力资 源更是庞大。美国计划花1 l 亿美元建造一个名为国家点火装置( n i f ) 的1 9 2 路大型高功率激光装置。 激光聚变的基本理论原理是由中国的王淦昌院士于1 9 6 4 年最先提出的，中 国在这一领域的研究水平也是国际领先的。目前我国正在投资3 0 亿元人民币实 施“神光i i i ”计划，同时也开展了对高功率激光驱动器的仿真模拟的研究。本课 题就是在这一课题上的研究成果之一。 对于这一课题的重要性，我们可以看看美国专家的态度。美国对高功率激光 驱动器的研究已经进行了十几年，平均每年投入的资金达八百多万美元，在2 0 0 0 年对这一课题进行总结时，得出一个结论：投入的钱太少。 一 、1 厂 本课题是国家8 6 3 课题子课题，编号为8 6 3 4 1 6 12 。， 。 ， 本课题的研究目的就是要运用科学可视化技术、仿真技术和虚拟现实技术在 在计算机平台上验证和修正理论原型，并且可以在计算机平台上进行人员培训， 进行部分替代行试验，从而可以节省大量资金和时间。 本课题的研究分为三个步骤：科学可视化、系统总体设计的动态模拟和虚拟 现实。科学可视化运用可视化技术在三维数据场上显示科学计算结果，包括逻 辑布局的仿真模拟、计算结果数据的后处理和交互处理。这一过程是进行总体 设计的重要依据；动态模拟运用图形图像技术模拟系统运行现场，主要用于演 示和培训；虚拟现实则运用虚拟现实技术，在设计时演练激光器元件布局、装 卸，以便为激光器元件的设计、系统的设计提供依据，在运行时通过模拟的真 实现场为培训和替代试验提供手段。 ， f 2 0 0 0 年6 月，武汉理工大学智能制造与控制研究所和华南师范大学传输光 学羹验室就高功率激光驱动器的仿真模拟这一课题进行合作，先后投入了大量 科研资源对这一课题进行研究，并取得了一定的成果。本课题的研究成果主要 武汉理工大学硕士学位论文 有三个：一是完成了高功率激光驱动器的仿真模拟系统的系统设计；二是基本 完成了逻辑布局仿真和科学可视化系统的设计和开发，完成了大部分激光器元 件的数学建模和组件化；三是对分布式交互仿真和虚拟布局进行了初步的探索， 建立了基本的模型，并实现了部分模型。 本质上，本课题的目的是要开发一个满足高功率激光驱动器特定需求的软件 系统。而要开发出具有良好鲁棒性和可维护性的软件系统，在软件系统的开发 过程中必须遵循软件工程的规律。在本系统的开发过程中，作者遵循软件开发 的规律，根据系统的特点和用户需求，对系统进行了总体设计和基于r o s e i m 的软件建模。r a t i o n a l 公司推出的r a t i o n a lr o s e 是目前较好的基于i m l 的c a s e ( c o m p u t e r a i d e ds o f 【w a r e e n g i n e e r i n g ) 工具。它把i m l 和谐地集成 进面向对象的软件开发过程中。不论是在系统需求阶段，还是在对象的分析与 设计、软件的实现与测试阶段，它都提供了清晰的i 表达方法和完善的工具， 方便建立起相应的软件模型。作者运用r a t i o n a lr d s e 进行软件建模的过程在论 文中会有比较详细的论述。 激光器元件逻辑布局的仿真模拟模拟了激光从光源通过各种激光元件到达 靶丸的全部逻辑过程，包括激光器元件的添加、删除、移动、属性修改、次序 修改等操作。高功率激光驱动器元件的逻辑布局仿真的实现主要有五个要点： 一是激光驱动器元件属性的可视化获取；二激光驱动器元件的数学建模；三是 是逻辑布局仿真过程和操作的实现；四是数据串行化；五就是基于c o m 的高 功率激光驱动器元件组件化应用。高功率激光驱动器元件的逻辑布局仿真系统 是整个系统最复杂的部分之一，涉及到的激光元件主要有：光源、自由空间、 空间滤波器、掩模光圈、透镜、棒状放大器、盘状放大器、惰性介质、靶丸等。 所涉及到的算法很多，这一部分的工作量非常庞大。为了增加程序代码的可复 用性，我完成了激光元件的组件化的工作。 三维数据场的可视化是本课题要研究的主要问题之一。三维数据场的可视化 包括生成数据的前处理，数据的显示，数据场的操作( 旋转、缩放、移动、动 画、保存、选择与反馈、图象保存等) 。这涉及三维数据场等值面的构造和o p e n g l 特性的应用。例如o p e n g l 颜色特性应用、光照处理、消隐处理、空间变换应 用、帧缓冲应用、选择与反馈应用、打印应用等。厂矿 论文还对基于网络的分布式交互仿真( d i s ) 和虚拟布局做了初步的探索， 并设计了相应的技术模型。作者认为，在基于网络的d i s 应用中，) 。v 几技术的 武汉理工大学硕士学位论文 引入引人注目，因为删l 技术的引入大大改善了w 曲数据的结构化特性、可 操作性和链接速度，这对于视景的快速显示和交互性至关重要。而且，在基于 w e b 的虚拟布局中，l 技术作为一种新的构建虚拟场景的工具，其应用也是 至关重要的。 本课题基本完成了高功率激光驱动器的仿真模拟系统的整体设计，完成了高 功率激光驱动器的仿真模拟系统的第一步，即科学可视化部分的设计和开发工 作。唯一不足的就是由于我们以及华南师范大学传输光学实验室对核物理知识 的欠缺，在对靶丸的建模上有所不足，这也是下一步要做的工作。 【关键字】“激光核聚变”“激光驱动器”“科学可视化”“仿真”“虚拟 现实” “d i s ”“i n v ，”“等值线” 武汉理工大学硕士学位论文 a b s t r a c t l h er e s e a r c ho fl a s e r 缸s i o nl so n eo ft h ei n t e r n a t l o n a lg r e a t 、s c i e n c e1 t e m s i h l s r e s e a r c hi si n t e r r e l a t e dw i t bt h ed e f e n c ea n de n e 唱ys t r a t a g e mo fac o u n t 珥t h em a i n c o u n t r i e so ft h ew o r l ds p e n dam a s so fr e s o u r c e ( m o n e ya n dm a n p o w e r ) o nt h i s r e s e a r c ht a k eu s af o re x a m p l e ，h u n d r e d so fd o l j a f sa n de v e nm o r ca b u n d a n to f m a n p o w e rr e s o u r c eh a sb e e ns p e n t o nt h i sr e s e a r c hd u r i n gt h ep a s tt h i r t y y e a r s usah a sp l a nt os p e n de l e v e nh u n d r e dm i l l i o nd o l l a r st ob u i l dag f e a th i g h - p o w e r l a s e rs e t t i n go f1 9 2r o u t e so f l a s e rw m c hi sn a m e dn i f t h eb a s i ct h e o r yo f1 a s e r f h s i o ni sf i r s t l yb r o u g h tf o 九v a r db y w a n gg a n c h a n g a c a d e m i c i a ni n19 6 4t h er e s e a r c hl e v e lo fc h i n ai nt h i sf l e i di so n e u pi nt h ew o r l d n o 、v ，t h i r t yh u n d r e d sm i l l i o n1 a nh a sb e e ns p e n tt oa c t u a l i z et h e “s u p e r n a t u r a l l i g h t u i ”p r o j e c ti no u rc o u m r y ，a n da tt h es a m et i m ep u tu p t h er e s e a r c ho f t h es i m u l a t i o n o f h i 曲- p o w e r l a s e rd r i v e r st “sr e s e a r c hi t e mi st h eo n eo f t h er e s u l t so nt h i si t e m w ec a ns e et h ei m p o n a n c eo ft h i sr e s e a r c hi t e m 疔o mt 1 1 e a 廿i t u d eo ft h e a m e r i c a ne x p e r t st 0i ta m e r i c a nh a v er e s e a r c hi tf o ra b o u tt e n so fy e a r sa n d a v e r a g e i ys p e n ta b o u te i 曲tm i i j i o nd o l i a r se v e r yy e a rw h e ns u mu pt h i sr e s e a r c h i t e mi n2 0 0 0 ，ac o n c l u s i o ni sd r a w n ：t h em o n e y s p e n to n i ti st o of e w t h i sr e s e a r c hi t e mi st h es u b t a s ko fn a t i o n a l8 6 3t a s k s a n dt h es e r i a ln u m b e ri s 8 6 3 4 1 6 12 t h ep u r p o s eo ft h i sr e s e a r c hj t e mi st ou s es c i e n c ev i s u a l i z a t j o n t e c h n o l o gy s i m u l a t j o n t e c h n o l o g y ，a n d v rt e c h n o j o g yt ov a l i d a t ea n dc o r r e c tt h e t h e o r y p r o t o t y p eo n t h en a tr o o f o f c o m p u t e r s ，t r a i nt e c h n o l o g y p e r s o n n e lo n t h i sf l a ta n dd o s o m ep a r t so fs u b s t i t u t ee x p e r i m e n tt h i sc a nc o n s e q u e n t l ys a v ea g r e a tl o to fm o n e y a n d t i m e t h er e s e a r c ho ft h i si t e mc a nb es e p a r a t e di n t ot 1 1 r e e s t e p s ：s c i e n c ev i s u a l i z i n g ， t h e d y n a m i c a ls i 咖l a t i o no ft h ec 0 1 l e c t i v i t yd e s i g no fs y s t e ma n dv rs c i e n c e v i s u a l i z i n g i st o d i s p l a yr e s u l t o n3 一dd a t af i e l du s i n gv i s u a l l z i n gt e c h n o l o g yi t c o n s i s to fs i m u l a t i o no fl o g i c j a y o u t ，t h ea 最e r t r e a ta n da n e m a t i o n t r e a to f r e s u | t 武汉理工大学硕士学位论文 t h i sp r o c e s si sa ni m p o ng i s to fc o l l e c t i v i t yd e s i g nd y n a m i c a ls i m u l a t i o ns i m u l a t e t h er u n n i n gs c e n eo fs y s t e mu s i n gg f a p ha n di m a g et e c h n o i o gy ，a n dm a i n l yu s e dt o d e m oa n d “a i n i n gv r i st od r i l lt h el a y o u to fl a s e rc o m p o n e md u r i n gt h ed e s 培n i n g p e r i o dt oo f f 色rg i s tf b rt h ed e s i g n i n go f l a s e rc o n l p o n e n t sa n dt h es y s t e m ，a n dd u r i n g t h em n n i n gt i m e ，t op r o v i d em e a n sf o rt r a i n i n ga n ds u b s t i t u t i v ee x p e r i m e n t st h r o u g h v rs c e n e i n2 0 0 0j u n ，w h u t i m c r j ( w u h a nu n i v e r s i t yo f7 r 色c h o n o l o g y i n t e l l i g e n t m a n u f a c t u r ea n dc o n t r o lr e s e a r c hi n s t i t u t e ) s e tu pc o o p e r a t l v er e l a t l o n s h i pw l t h h n n u t o l ( h u a n a nn o 眦a lu n i v e r s i t vt r a n s m i s s i o no p t i c sl a b o r a t o r y ) ，s p e n d a b u n d a n c es c i e n t 讯cr e s e a r c h i n gr e s o u r c ea n dg a i ns o m ep r o d u c t i o n t h er e s e a r c h f m i to ft h i si t e mr e s tw i t ht h r e ep o i n t s o n ei st h a th a v i n gc o m p l e t et h es y s t e md e s l g n o ft h es i m u l a t i o ns y s t e mo fh i g h p o w e rl a s e rd r i v e r ；t h es e c o n di s t h a t h a v i n g c o m p l e t et h ed e s i g na n dd e v e i o p m e n to fl o g i cl a y o u t s i m u l a t i o na n ds c i e n c e v i s u a l i z i n gs y s t e m ， a 1 1 d c o m p l e t e t h em a t h e m a t i c s m o d e l i n g a n d c o m p o n e n t m o d e l i n go fi a s e rc o m p o n e n t s a n dt h el a s t i st h a th a v i n gc o m p l e t em ep r i m a r y r e s e a r c ho fd i s t r i b u t ei m e r a c t i v es i m u l a t i o n ( d i s ) a n dv i r t u a ir e a l i t y ( v r ) ，s e tu pt h e b a s i cm o d e la n dr e a l i z es o m eo f t h e s em o d l 丑s e s s e n t i a l ly t h ep u r p o s eo ft h i si t e mi st od e v e l o pas o f t w a r es y s t e mt h a ts e r v e r t h es p e c i a lr e q u i r e m e n t so fh i g h p o w e rl a s e rd r i v e ft bd e v e l o pas o f t w a r es y s t e m w i t hg o o dr o b u s ta 1 1 dm a i n t a i n a b i l i t y ，t h er u l e o fs o r w a r ee n g i n e e r i n gm u s tb e f o i l o w e dd u r i n gt h ep r o c e s so ft h ed e v e l o p m e n to fs o f t w a r es y s t e md u r i n gt h e d e v e l o p m e n to ft h i ss v s t e m ，t h ea u t h o rf o l l o wt h er u l eo fs o f t w a r ed e v e l o p m e n t ， f i n i s h e dt h ec o l l e c t i v i t yd e s i g na 1 1 dt h es o r w a r em o d e l i n gb a s e do nr o s e u 匝 r a t i o n a lr d s ew h i c hi s d e v e l o p e db y r a t i o n a l c o m p a n y i sa g o o d c a s e ( c o m p u t e ra i d e ds o n w a r ee n g i n e e r i n g ) t o o lb a s e do nu m 儿a tp r e s e n t n h a r m o n i o u s l yi n t e g r a t eu m l i n t o0 0s o f t w a r ed e v e i o p m e mp m c e s snp m v i d ea c l e a rim l e x p r e s s i o nw a ya n dap e r f e c tt o o lt os e tu pt h ec o r r e s p o n d i n gs o r w a r e m o d e ld u r i n gt h ep r o c e s so fe i t h e rs y s t e mr e q u i r e m e n to rt h ea n a l y s i sa n dd e s i g no f o b i e c ta n dt h er e a l i z a t i o na n dt e s t i n go fs o f t w a r e t h ep r o c e s st os e tu ps o r w a r e m o d e lw i t hr a t i o n a lr o s ew i l lb ed e t a i l e d l yi n t r o d u c e di nt h i sp a p e r t h es i m u l a t i o no f l o g i c a i l a y o u to f l a s e rd r i v e rc o m p o n e n t ss i m u l a t e st h ew h o l e l o g i c a lp r o c e s si n c l u d i n g t h e a d d i n g ，d e l e t i n g ，m o v i n g ， a m e n d i n g o fp r o p e r t y ， a m e n d i n g o fs e q u e n c eo fl a s e rd r i v e rc o m p o n e n t st h er e a l i z a t i o no ft h el o g i c a i 1 a y o u ts i m u l a t i o no fh i g h p o w e r1 a s e rd r i v e rc o m p o n e n t sr e s to n f i v ep o i n t s ：o n ei s v 武汉理工大学硕士学位论文 t h ev i s u a i i z i n gc a p t u r eo ft h ep r o p e n yo fl a s e rd r i v e rc o m p o n e n t s ；t h es e c o n di st h e m a t h e m a t i c sm o d e l i n go fl a s e rd r i v e rc o m p o n e n t s t h e ；t h et h i r di st h er e a l i z a t i o no f l o g i c a l l a y o u ts i m u l a t i o np r o c e s sa n do p e r a t i o n ；t h ef o n hi s d a t as e r i a l i z a t i o n ；a n d t h i sl a s ti st h ec o m - b a s e d c o n l p o n e n ta p p l i c a t i o n o fh i g h p o w e 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，t h ed i s p l a yo f d a t aa n dt h eo p e r a t i o no fd a t af l e l d ( s u c ha sr o t a t i n g ， z o o m ，m o v e ，m o v i n gp i c t u r e ，s a v i n g ，s e l e c t i n g a n df e e d b a c k ，i m a g e s a v i n ge t c ) t h i s i n v 0 1 v e d w i t ht h ec o n s t m c to f3 dd a t af i e l d e q u i v a l e n c ep l a n e a n dt h e a p p l i c a t i o no f0 p e n g lc h a r a c t e r i s t i c s ，f o re x a m p l e ，t h ea p p l i c a t i o no fo p e n g l c o l o r c h a r a c t e r i s t i c s ，i l l u m i n a t i o nt r e a t i n g ，h i d et r e a t i n g ，t r a n s f o r mo fs p a c e ，f r a m eb u f f ；巩 s e l e c t i n ga n df 色e d b a c k ，p r i n t i n ge t c i nt h i s p a p e l t h ea u t h o rh a sa l s or e s e a r c ht 1 1 e a p p l i c a t i o n o fw e b _ b a s e d d i s ( d i s t r i b u t e d i m e r a c t i v e s i m u l a t i o n ) a n dv r ( v i r t u a lr e a l i t y ) p r i m a r i ly ，a n d d e s i g nt h ec o r r e s p o n d i n gt e c h n o l o g 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ed o n ei nn e x ts t e p k e y w o r d ：“l a s c r 一如s i o n l a s e r d r i v e r s ”“s c i e n c ev i s u a l i z i n g ”“s i m u j a t i o n ” 武汉理工大学硕士学位论文 “v i r t u a lr e a l i t y ”“d i s ”“im ，”“c o n t o ur l i n e ” 武汉理工大学硕士学位论文 1 1 研究现状 第1 章绪论 可约束惯性聚变是二十世纪以及本世纪的大科学项目之一。可约束惯性聚变 的研究对一个国家的国防、能源等方面的发展战略有着决定性的影响。下面介 绍了可约束惯性聚变的基本理论和研究现状。 将仿真技术和虚拟现实技术应用于可约束惯性聚变的研究将极大地推动可 约束惯性聚变的研究，也是本课题要研究的问题。本章中也介绍了仿真技术、 科学可视化技术和虚拟现实技术的发展和应用。 1 1 1可约束惯性聚变的基本理论和研究现状 人类社会的发展是建立在消耗能源的基础上，和能源技术的进步密不可分。 能源技术的发展和消费水平反映着人类社会的生产和生活水平。在二十一世纪 除了要求能源的生产发展能满足经济发展和人民生活水平提高的要求外，还必 须发展清洁的能源体系，保持生态环境。目前人类的主要能源来自煤、石油、 天然气和用于核裂变的铀。聚变能是一种清洁、安全和资源蕴藏极其巨大的能 源。它不产生二氧化碳、二氧化硫及其它有害的气体和颗粒。它与太阳能、水 能、风能和地热能相比具有不受时间和地域限制的优点，与核裂变能相比，由 于不存在裂变反应堆中的后备反应性，因此不存在临界事故的危险。核聚变的 燃料是氢的同位素氘和氚。在海水中每6 5 0 0 个氢原子中就有一个氘原子，在地 球上含有1 0 1 3 吨左右的氘，可以说氘的蕴藏是极其巨大的。氚是放射性同位素， 在自然界中天然的氚极其稀少。可以通过中子与锂一6 原子核的作用或氘吸收中 子而产生。聚变燃料的释能本领比裂变燃料要大好几倍，比化石燃料则大上百 万倍。一公斤的煤燃烧可放出3 3 l o7 焦耳的能量，一公斤铀完全裂变放出8 2 1 0 ”口焦耳，而一公斤的氘聚变则放出3 5 1 0 “焦。 聚变固然具有很多优点，然而要实现聚变“点火”的条件是很高的，而且实现 它的难度是相当之大。1 9 9 1 年欧洲共同体、美国、日本、俄国协议联合设计建 造一个国际聚变实验堆( i t e r ) ，计划在1 9 9 8 年开始建造，2 0 0 8 年投入运行， 耗资约1 0 0 亿美元。它的建成无疑对于开展全规模的聚变堆的技术及有关的材 武汉理工大学硕士学位论文 料研究具有重要的意义。然而l t e r 并不是未来商用聚变堆和原型，在它上面并 不能有把握的实现连续运行。面对巨额的投资和复杂的技术，迫切要求缩小规 模和寻找比较经济的替代方案，这种意向在美国表现的最为突出。 核聚变的另一重要途径是惯性约束聚变，它的基本原理是在一个约为几个毫 微秒的时间尺度内，将能量约为几个兆焦耳的脉冲激光束、粒子束均匀地照射 氘、氚燃料的靶丸上，由靶丸表面物质的溶化、向外喷射而产生向内的聚心的 反冲力，将靶丸物质压缩至高密度和热核燃烧所需的高温，并维持定的约束 时间，释放出大量的聚变能，以激光束为驱动器的惯性约束聚变称为激光核聚 变。 激光引爆技术，也叫激光核聚变技术。在世界上，可约束聚变( 惯性约束聚 变或激光聚变) 理论最早是在1 9 6 4 年由我国的王淦昌院士提出的，并于1 9 6 5 年在中国立项研究。其基本理论就是就是利用高功率激光聚焦在一个氘氚气混 合的微小靶丸上，由于功率密度高达l o ”一1 0 “( 瓦平方厘米) 、c m 2 ，产生 1 0 8 一1 0 9 伏特厘米( v c m ) 的电场，原子将迅速电离，形成高密度等离子体。 在等离子体膨胀解体之前，激光将等离子体加热到核聚变需要的温度，几千万 度至一亿度，产生核聚变反应，释放聚变能。每克氘氚各半的混合燃料可产生 聚变能量34 5 1 0 “焦耳( j ) 。靶丸的质量很小，只有毫克量级，直径约1 毫米 ( m m ) ，而等离子体膨胀解体的速度高达1 0 8 厘米秒( c 耐s ) 。因此，惯性约束 时间约为毫微秒( n s ) 量级。激光核聚变就好像爆炸颗微型氢弹，有人设想 在1 秒钟内爆炸1 0 0 颗这种微型氢弹，每次爆炸释放的能量为1 0 8 1 0 9 焦耳( j ) ， 1 秒钟就可得到1 0 ”1 0 “焦耳( j ) 的聚变核能。可以分为四个过程：加热、压 缩、点火和燃烧。 目前，激光聚变的研究有四个技术难点： 点火条件：氘氚反应的点火温度约为5 0 0 0 万度，在这个温度以上，核 聚变反应得以自持进行。对于一个保有毫克质量的氘氚靶丸，聚变反应 能否自持是一个问题。 激光的吸收：激光的吸收同等离子体的振荡频率有关，等离子体密度高， 振荡频率也高。在更高的功率密度下，激光在等离子体内传播时还会发 生受激拉曼散射( s r s ) 、受激布里渊散射( s b s ) 等非线性过程，产生 吸收的不稳定性。 武汉理工大学硕士学位论文 激光内爆：实现内爆的关键是将靶丸芯部压缩到高密度。有几个因素影 响向心压缩：一是激光加热等离子体过程中，共振吸收和受激拉曼散射 会产生超热电子，超热电子穿入芯部，在未压缩之前就使芯部加热，从 而阻碍芯部压缩到高密度：二是内爆过程中出现各种流体力学不稳定 性，产生压缩的不对称性，不均匀性及发生飞层与氘氚的混合，影响芯 部压缩和热核聚变点火。这些问题，各国科学家正在进行深入研究。 靶丸的结构：靶丸的设计需要综合考虑从激光能量输入到最终释放聚变 能的整个过程中的所有物理因素和相关时问特性，这是一个极为复杂、 极为困难的问题。间接驱动靶的结构，目前在国际上是高度保密的。 目前国际上最大的激光聚变装置美国劳伦斯利弗莫尔实验室的n o v a 装置，它有l o 束激光在波长三倍频的情况下，输出激光的能量达4 0 千焦耳， 该实验室曾利用核爆情况下产生的强x 射线间接驱动惯性约束聚变，取得了十 分鼓舞人心的结果。美国计划花1 1 亿美元建造一个国家点火装置( n i f ) ，它是 钕玻璃激光器，输出激光能量为1 8 兆焦，靶上激光脉冲功率峰值达5 0 0 t w 。 预计可以达到点火。计划在2 0 0 3 年左右建成。从2 l 世纪9 0 年代中期以来，m 陕 点火”思想引起了广泛的兴趣和重视，它是将以往激光聚变中的向心压缩点火的 步骤分解成两步来进行，“快点火”如能实现则可以大大减少激光驱动的能量、 降低装置的造价。我国核聚变研究已有4 0 年的历史，现在已建成了h l i m 和 h t 一7 中等规模的托卡马克装置，分别建立在成都中国西南物理研究院和合肥 中科院等离子体物理研究所，在这两台托卡马克装置上都取得了重要的科研成 果。目前h t 一7 u ( h t 一7 升级) 和具有良好性能偏泸器的。2 a 装置正在建造， 它们都是在国际上具有先进水平，是真正接近模拟堆芯等离子体的磁约束聚变 装置。我国激光惯性约束聚变的研究起步在国际上说还是比较早的。在二十世 纪6 0 年代即已进行用激光打氘冰靶出中子实验，以后主要在增大激光的能量和 提高光束品质方面努力，到二十世纪8 0 年代神光口号装置问世，共有两路激光 输出，在神口装置上开展了许多高功率激光和等离子体相互作用的研究。目前 在上海高功率激光物理联合实验实正在建造神光l i ，它有八路激光，总能量为 6 4 k j 三倍频后的输出能量约为3 k j 。在北京中国原子能科学研究院，已建成一 台氟化氪分子激光装置，它共有6 束激光，激光能量为1 0 0 k 焦耳，已用于研究 短波长高功率激光和等离子体的相互作用。 在激光聚变需求牵引下，高功率固体激光技术走过了3 0 多年的发展历程。 武汉理工大学硕士学位论文 在世界范围内，美、日、法、中、英、俄等国先后建造了2 0 多台大型装置，输 出能量初期仅百焦耳级，后来增大到数万焦耳，固体激光技术得到长足发展。 近几年来，几个大国都在建造巨型激光装置，如美国和法国正分别建造国家点 火装置n l f 和兆焦耳激光器l m j ，我国在研制神光口激光装置，俄国也在计划 建造i s k r a _ 6 激光装置。这一代激光装置的研制不但在科学技术上提出了许多新 需求，从而把激光科学技术发展推向新的历史阶段，而且就其规模、投入、周 期和风险而言，是前所未有的大光学科学工程。从工程科学的角度去研究如何 才能建造出性能优良和效费比高的巨型激光装置是需要回答的具有挑战性的新 课题。 在惯性约束聚变发生的四个过程f 加热、压缩、点火和燃烧) 中，加热过程 是惯性约束聚变发生的关键和首要条件。在目前的加热方式中，激光加热效果 是最好的。中国两弹之父王淦昌于1 9 6 5 年指出：“目前国内外都在研究和制造 可以产生大能量和大功率的光激射器( 即莱斯) ，我们认为若能使这种光能激射 器和核物理结合起来发展前途相当大，简单易行的就是使光激射器与含氘的物 质结合起使之产生中子”。正式提出利用大能量大功率的光激射器产生中子的建 议，自此，中国也加入了惯性约束聚变主题研究的行列，迄今已有3 5 年，先后 斥巨资实施了1 0 1 0 w 、l o n w 、六路激光器、星光i 、星光i i 、神光i 和神光i i 等计划。其中于1 9 9 9 年建成的神光i i 有8 路激光，采用二倍乘放大峰值功率达 46 6 k j l n s ，是技术最先进的。1 9 9 5 年，i cf 在“8 6 3 计划”中立项，开始研制 跨世纪的巨型激光驱动器“神光一i i i ”装置，总体设计和关键技术研究已 取得一系列高水平的成果。神光i i i 计划是中国2 1 世纪早期有关i c f 的最重要 的计划之一，其规模将大于美国的n o v a 装置。神光i i l 将有6 4 路激光器，输 出能量将达6 0 0 3 5u m 。 自激光问世以来，许多物理学家根据激光可能提供极高功率的特性，相继提 出用激光驱动核聚变的设想。美国、前苏联、日本、英国、法国等国家的实验 室，研制了各种形式的用于热核聚变研究的激光器( 其中以美国规模最大) ，进 行激光聚变的实验研究工作，以研究解决激光聚变过程中的物理问题和技术难 题。 但是从目前的情况看，要实现这项技术，还需要相当长的时间。所以说，现 在原子弹仍然是唯一简便而现实的氢弹引爆器。 到目前为止，世界各国开展激光聚变研究主要关心的是激光聚变的物理问 武汉理工大学硕士学位论文 题，即激光驱动热核聚变的可行性问题。为获得高的能量增益，激光能量必须 有效地耦合到靶丸上，实现稳定内爆，将靶丸高度压缩并加热到高温，达到显 著燃烧。由于激光能量和功率的提高、钕玻璃激光实现了高效率倍频以及靶丸 的精心设计和制造，激光聚变研究已取得一些重大的进展。它表现在：靶丸对 激光的吸收效率己高达8 0 ；超热电子的能量份额己显著减少，低达l ；在间 接驱动靶实验中，x 光转换效率高达7 0 ；内爆已产生1 0 的1 1 次方帕斯卡( p a ) 压力脉冲，收缩比高达3 0 。 1 1 2 科学可视化技术 科学计算可视化( s u a l i z a t i o n i ns c i e n t m cc o m p u t i n g ) 是当前计算机科学的 一个重要研究方向，主要研究如何把科学数据转换成可视的、能帮助科学工作 者理解的信息的计算方法，是把计算机图形学与图象处理技术应用于计算科学 的综合学科。科学计